Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Что происходит при прохождении гравитационной волны? Длины плеч (и соответствующее время прохождения света) меняются. Сначала северное плечо удлиняется, а восточное укорачивается, затем северное сжимается, а восточное растягивается. Свету, возвращающемуся от одного концевого зеркала, требуется на исчезающе малую долю секунды больше времени, чтобы достичь светоделителя, чем свету, идущему обратно от зеркала в другом плече. Усиливающая интерференция в направлении лазера проявляется уже не на 100 %, как и ослабляющая интерференция в направлении фотодетектора. Даже при невероятно малом различии длин (намного меньшем, чем длина волны лазера) какой-то свет попадает в темный порт. Чувствительный фотодетектор может его уловить. Есть! Мы зарегистрировали гравитационную волну.

Я объяснял, каким образом интерферометрия позволяет регистрировать мельчайшие различия во времени перемещения света двух пучков когерентного лазерного излучения. Очевидно, имеет смысл сделать плечи интерферометра возможно более длинными. Проходящая волна Эйнштейна будет растягивать и сжимать пространственно-временной континуум в определенной степени. Например, расстояние между двумя точками может увеличиваться и уменьшаться не более чем на одну квинтиллионную долю процента (одна доля от 10 20). Для двух близких точек это практически ничто. Возникающие при этом отклонения времени перемещения света настолько малы, что аппаратура не сможет их обнаружить. Но если разнести эти две точки достаточно далеко, то время перемещения света соответственно увеличится. Таким образом, чем длиннее плечи L-образной структуры, тем проще зарегистрировать гравитационные волны определенной амплитуды.

Четыре километра – это достаточно далеко? Не особенно, лучше бы 1200 км. Попробуйте сказать это тем, кто вас финансирует! Однако есть умное решение. Обманем пучок лазерного излучения – пусть считает, что прошел путь по туннелю длиной 1200 км. Для этого установим в каждом плече два зеркала вместо одного: первое – в дальнем конце плеча, второе – в ближнем, возле светоделителя. Заставив свет лазера переотражаться между двумя зеркалами несколько сотен раз, вы фактически создаете плечо в 1200 км. Время перемещения света также возрастает в 300 раз, до нескольких миллисекунд. Ничтожные отклонения порядка одной доли от 10 20становится проще зарегистрировать.

После нескольких сотен отражений свет, разумеется, должен выйти из своей временной «тюрьмы». Если зеркало в ближнем конце плеча отражает 97 % падающего света, остальные 3 % проходят сквозь зеркало и выходят по другую его сторону. Иначе говоря, каждый фотон света будет отражен в среднем 300 раз, прежде чем выйдет на свободу. (Наша световая тюрьма протяженностью 4 км называется резонатором Фабри – Перо.)

Освободившийся свет должен оставаться когерентным пучком лазерного излучения, иначе он не сможет интерферировать с пучком, выходящим из другого плеча. Для этого свет, пока он переотражается между двумя зеркалами, должен оставаться в фазе с самим собой. Достичь этого можно единственным способом – обеспечить такую длину пути туда и обратно между зеркалами, чтобы в нее укладывалось целое число волн данной длины. Речь идет о точности до пикометра (1 пм равен 10 –12м, или одной миллиардной доле миллиметра). Любое отклонение нарушит итоговую картину интерференционных полос. Как говорят ученые, работающие в LIGO, плечо интерферометра должно быть заперто.

Для этого используется хитроумный механизм обратной связи. Пока путь света в обе стороны между зеркалами остается равным целому числу длин волны, фотодетектор в темном порте интерферометра ничего не регистрирует. Но если длина плеча меняется из-за какой-либо внешней вибрации, некоторое количество света попадает в детектор. Как только это происходит, на контроллер концевого зеркала в плече подается сигнал. Электрический ток течет через катушку, создавая магнитное поле. Маленькие магниты на ободе концевого зеркала подвергаются действию силы притяжения или отталкивания. Кроме магнитов, в LIGO стоят электростатические толкатели, использующие ту же силу, которая притягивает полоски бумаги к расческе с электростатическим зарядом. Благодаря этому зеркало можно немного двигать назад и вперед – достаточно, чтобы восстановить запирание плеча.

Проходящая гравитационная волна также нарушит первоначальную интерференционную структуру в силу возникающих отклонений времени прихода света. Фотодетектор начнет регистрировать свет. Сработает механизм обратной связи, изменив текущий через катушку электрический ток и силу магнитного поля. В результате зеркала сдвинутся так, чтобы восстановить идеальную ослабляющую интерференцию в темном порте.

Если вы будете постоянно считывать изменения электрического тока, проходящего через катушку, то получите отчетливую картину крохотных вынужденных движений зеркала. Большинство этих восстанавливающих запирание плеча движений обусловливаются внешними вибрациями («шумом»), но некоторые могут быть вызваны искомыми волнами Эйнштейна.

Временно задерживая свет лазера в интерферометре при помощи двух зеркал, получаем дополнительное преимущество – накопление энергии в двух плечах. Благодаря этому свет в резонаторе Фабри – Перо представляет собой намного более мощный и равномерный поток фотонов, чем свет, минующий резонатор. Это важно, если требуется измерить чрезвычайно малые изменения выходного сигнала, как в нашем случае.

Чтобы понять, почему чем больше фотонов, тем точнее измерения, представьте, что хотите с точностью определить, насколько сильный ливень идет в Луизиане во время летней грозы. Вы находитесь в хижине с железной крышей, и все, что у вас есть, – это старомодный измеритель интенсивности шума, в котором игла двигается по дуге. Вы решаете использовать звук капель, барабанящих по крыше, в качестве показателя силы дождя. При слабом дожде вы услышите «кап… кап-кап… кап». Будет очень трудно определить, насколько шумным является дождь, и игла шумомера бешено мечется туда-сюда. Этот эффект называется дробовым шумом. Но вот гроза усиливается, дождь становится проливным. Игла движется по шкале и останавливается на определенном значении, которое может быть считано с высокой точностью. Вот почему нам нужно много света – большое количество фотонных «дождевых капель», чтобы знать, насколько именно меняется уровень освещенности при смещении зеркал.

Итак, мы создали практически идеальный интерферометр. Он имеет виртуальные плечи почти в 1200 км длиной, позволяющие регистрировать чрезвычайно малые изменения времени перемещения света. В случае этих изменений темный порт перестает быть совершенно темным. Какое-то количество света попадает на фотодетектор. Накачивая мощность лазера в двух плечах интерферометра, мы в значительной мере устранили дробовой шум. Теперь даже ничтожные изменения количества света из-за прохождения волны Эйнштейна выделяются на фоне остаточного шума.