Коламбус, Огайо - детектор гравитационных волн длиной 2,5 мили не крутой. Вы знаете, что круто? Детектор гравитационных волн длиной 25 миль.
Это результат серии выступлений, проведенных здесь в субботу (14 апреля) на апрельской встрече Американского физического общества. Следующее поколение детекторов гравитационных волн будет всматриваться прямо к внешнему краю наблюдаемой вселенной, ища рябь в самой ткани пространства-времени, которая, как предсказывал Эйнштейн, произойдет, когда столкнутся такие массивные объекты, как черные дыры. Но все же есть некоторые существенные проблемы, стоящие на пути их строительства, рассказали докладчики.
«Текущие детекторы, которые могут показаться вам очень чувствительными», - сказал аудитории физик из Массачусетского технологического института Мэтью Эванс. «И это правда, но они также являются наименее чувствительными детекторами, с помощью которых вы можете обнаруживать гравитационные волны».
Текущие детекторы, конечно, не к чему чихать. Когда 2,5-мильный (4 километра) лазерный интерферометр с гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) впервые обнаружил рост и сокращение пространства-времени в 2015 году - гравитационное эхо столкновения 1,3 миллиарда лет между двумя черными дырами - она доказала существование огромных невидимых гравитационных волн, которые когда-то были полностью теоретическими, и всего за два года привели к Нобелевской премии для создателей LIGO.
По словам докладчиков, LIGO и его двоюродный брат, итальянский инструмент Virgo длиной 1,9 мили (3 км), в сущности, ограничены. По словам физика из Массачусетского технологического института Сальваторе Витале, оба детектора действительно способны обнаруживать гравитационные волны от объектов, которые находятся относительно близко к Земле в масштабе всей вселенной. Они также ограничены в типах объектов, которые они могут обнаружить.
До настоящего времени действительно было всего два основных результата от интерферометров текущего поколения: обнаружение слияния чёрной дыры в 2015 году и обнаружение столкновения двух нейтронных звезд в августе 2017 года (также горячая тема на конференции). Было обнаружено еще несколько столкновений с черными дырами, но они не принесли много впечатляющих результатов в дополнение к первому обнаружению.
По словам Эванса, создайте масштабированные, более точные LIGO и Virgos или другой тип крупномасштабного детектора, называемого «телескоп Эйнштейна», и скорость обнаружения волн может подскочить с одного раза в несколько месяцев до более 1 миллиона в год ,
«Когда я говорю, что эти детекторы выводят нас на край Вселенной, я имею в виду, что они могут обнаружить почти каждую двойную систему, которая сливается», - сказал он, имея в виду пары звезд, черные дыры и нейтронные звезды, которые сталкиваются.
Это означает возможность обнаружения черных дыр с самых ранних лет существования Вселенной, исследования глубинных тайн гравитации и даже потенциального обнаружения впервые гравитационных волн звезды, идущей сверхновой и коллапсирующей в нейтронную звезду или черную дыру. ,
Чем больше, тем лучше
Так почему большие детекторы ведут к более чувствительному поиску гравитационных волн? Чтобы понять это, вы должны понять, как работают эти детекторы.
LIGO и Virgo, как ранее сообщала Live Science, в основном являются гигантскими L-образными линейками. Два туннеля разветвляются под прямым углом друг от друга, используя лазеры для очень точного измерения длины туннеля от момента к моменту. Когда гравитационная волна проходит через детектор, покачиваясь в самом пространстве, эта длина изменяется незначительно. То, что когда-то было милей, кратко становится чуть меньше мили. И лазер, проходящий это короткое расстояние немного быстрее, демонстрирует, что изменение произошло.
Но есть предел тому, насколько точным может быть это измерение. Большинство волн слишком слегка колеблется в лазере, чтобы интерферометры могли это заметить. По словам Эванса, усовершенствование технологии обнаружения в существующих туннелях LIGO и Virgo может несколько улучшить ситуацию, и есть планы сделать это. Но, чтобы по-настоящему усилить сигнал, по его словам, единственный вариант - пойти намного больше.
Эванс сказал, что следующим шагом будет L-образный детектор с 40,8-километровыми плечами длиной 24,86 миль, что в 10 раз больше LIGO. Он назвал это предложение «космическим исследователем». Он сказал, что он был бы достаточно большим, чтобы обнаружить практически все, что мог бы обнаружить детектор гравитационных волн, но не настолько большим, чтобы основная физика начала разваливаться или расходы становились неоправданно высокими, даже для такого рода кровопролитной науки проект. (Окончательная стоимость LIGO исчисляется сотнями миллионов долларов.)
Так почему детектор такого размера, а не вдвое или в 10 раз больше?
По словам Эванса, в определенный момент длиной около 24,86 миль (40 км) свет перемещается из одного конца туннеля в другой так долго, что эксперимент может стать размытым, делая результаты менее точными, а не более.
По крайней мере, такими же сложными являются затраты. Эванс сказал, что ЛИГО и Дева достаточно малы, чтобы искривление Земли не было значительной строительной проблемой. Но при скорости 24,86 миль (40 км) на одну руку размещение концов каждого туннеля на уровне земли означает, что центры туннелей должны находиться на глубине 98,43 фута (30 метров) под землей (при условии, что земля идеально выровнена).
«Более 40 километров, - сказал Эванс, - расстояние транспортировки грязи начинает брать на себя расходы».
Есть также основная проблема найти плоское пустое пространство, достаточно большое, чтобы построить такой большой детектор. Эванс сказал, что в Европе нигде нет достаточно больших возможностей, а в США варианты ограничены регионом Большого Соленого озера в Юте и пустыней Блэк Рок в Неваде.
Эти космические проблемы приводят к созданию альтернативного массивного детектора гравитационных волн, который называется телескоп Эйнштейна По словам Эванса, хотя L-образная форма является лучшим способом измерения гравитационной волны, треугольник с тремя туннелями и несколькими детекторами может выполнять почти такую же работу, занимая гораздо меньше места, что идеально подходит для географических ограничений Европы.
По словам Витале, до появления этих детекторов еще 15–20 лет, и все технологии, необходимые для их создания, еще не изобретены. Тем не менее, он и Эванс оба сказали собравшимся ученым, что «настало время» начать работу над ними. По словам Витале, уже восемь рабочих групп готовят доклад о научном обосновании для таких массивных устройств, который должен выйти в декабре 2018 года.
Один из зрителей спросил Эванса, имеет ли смысл создавать, скажем, 8-километровый детектор длиной 5 миль, в то время как настоящего Космического Исследователя или полномасштабного телескопа Эйнштейна осталось более десяти лет назад.
Если бы он был в комитете по финансированию, он бы не одобрил такой проект, потому что научные результаты от удвоения размера LIGO просто не так велики, сказал Эванс. Только на верхних границах размера туннеля затраты на такой проект будут оправданы, добавил он.
«Если я не знал, что по какой-то причине, это просто не стоит», сказал он.
Тем не менее, сказал Витале, это не означает, что ученым приходится ждать от 15 до 20 лет для следующей важной фазы результатов гравитационных волн. По мере появления новых детекторов в текущем масштабе, в том числе детектора гравитационных волн Kamioka (KAGRA) в Деве и LIGO-Индии размера LIGO, а также улучшения существующих детекторов, исследователи будут иметь возможность измерять отдельные гравитационные волны. с нескольких углов одновременно, что позволяет больше обнаружений и более подробных выводов о том, откуда они берутся.
