Новый материал позволит физикам ловить гравитационные волны ежедневно

С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO и европейская коллаборация Virgo зафиксировали десятки подобных событий. Существование гравитационных волн еще в начале прошлого века предсказал Альберт Эйнштейн. Он предположил, что ускоренное движение объектов с мощной гравитацией может вызывать волны, создающие искривления в пространстве-времени. Изучая гравитационные волны, ученые надеются ответить на фундаментальные вопросы о нашей Вселенной: например, как формируются черные дыры.

Один из ограничивающих факторов для обнаружения гравитационных волн — свойства отражающего покрытия 40-килограммовых зеркал в каждой из двух обсерваторий LIGO (в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон). Огромные зеркала расположены перпендикулярно друг другу на расстоянии четырех километров от источника лазерного излучения. В каждом из плеч такой Г-образной системы свет доходит до зеркала, отражается, возвращается и попадает в детектор. Если на своем пути луч лазера встречает гравитационные волны, которые растягивают и сжимают пространство, это влияет на время его прибытия в детектор.

Упрощенная схема детектора LIGO / © Abbott, B. P. et al. – Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102 doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102

Чем лучше зеркала отражают свет лазера, тем выше чувствительность. Трудность в том, что любые движения зеркал, даже тепловые колебания атомов их покрытия, повышают уровень шума, и выделить сигнал от гравитационных волн становится сложнее.

Частично решить эту проблему удалось исследователям из Калифорнийского технического института, Государственного университета Колорадо, Монреальского университета и Стэнфордского университета. Они описали новый тип покрытия из оксида титана и оксида германия (44% TiO2 и 56% GeO2), которое уменьшит фоновый шум в зеркалах LIGO в два раза, тем самым в восемь раз увеличивая объем космического пространства, которое LIGO сможет исследовать при следующем запуске. Наносили покрытие методом ионно-лучевого распыления, при котором атомы титана и германия отделяются от источника, затем соединяются с кислородом и затем осаждаются на стекле для создания тонких слоев атомов.

С новым покрытием ученые будут обнаруживать гравитационные волны значительно чаще: вместо одного события в неделю — одно или даже несколько в день, считает Дэвид Рейтце (David Reitze), исполнительный директор лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте. Есть шанс, что проверить это на практике удастся при пятом запуске LIGO, старт которого запланирован на 2024/2025 год.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.