6 Minutės
Pažangioji adaptinė optika gravitacinių bangų detektoriams
Kalifornijos universiteto Riverside (University of California, Riverside) tyrėjų komanda pristatė naują adaptinės optikos technologiją, galinčią leisti gravitacinių bangų observatorijoms įžvelgti toliau į Visatą. Sistema, pavadinta FROSTI (FROnt Surface Type Irradiator), yra pilno masto prototipas, sukurtas kontroliuoti lazerio bangvystes esant itin didelėms galioms Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) viduje. Naujausias straipsnis žurnale Optica aprašo sėkmingus laboratorinius bandymus su 40 kg LIGO veidrodžiu ir pateikia, kaip šis metodas gali būti pritaikytas ateities kartos instrumentams.
Mokslinis kontekstas: kodėl svarbu valdyti bangvystes
Gravitacinių bangų detektoriai pagrįsti lazerine interferometrija, kuri leidžia pažinti labai smulkias erdvėlaikio virpesių variacijas, atsirandančias susidūrus juodosioms skylėms ar neutronų žvaigždėms. LIGO 2015 m. atliko pirmą tiesioginį aptikimą, patvirtindamas vieną iš Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos kertinių prognozių ir atvėręs gravitacinių bangų astronomijos erą. Kiekvienas LIGO interferometras naudoja dvi 4 kilometrų ilgio rankas ir itin tikslią optiką, įskaitant pagrindinius bandymų masyvus (test masses), kurie yra 34 cm skersmens, 20 cm storio ir maždaug 40 kg masės. Šie veidrodžiai turi išlikti mechaniniu ir terminiu požiūriu stabilūs, kad būtų įmanoma aptikti iškraipymus, mažesnius už protono spindulio tūkstantąją dalį.
Siekti didesnio jautrumo reiškia naudoti didesnę lazerio galią ir geriau valdyti kvantinį triukšmą. Tačiau padidinta optinė galia sukelia netolygų dangų ir substratų įkaitimą, o tai suformuoja termines deformacijas, kurios sutrikdo lazerio bangvystę ir sugadina detektoriaus išėjimo signalą. Tradicinės terminės kompensacijos sistemos (thermal compensation) gali atlikti grubius, žemo laipsnio pataisymus, tačiau jos susiduria su sunkumais taisant smulkias erdvines struktūras, kurias sukuria megavatų lygio skriejantys optiniai kiekiai, numatomi ateities įrenginiams.
Kaip veikia FROSTI
FROSTI yra adaptinis terminis projektorius, formuojantis specialiai paruoštą šilumos raštą ant interferometro veidrodžio priekinio paviršiaus, kad neutralizuotų lazerio sukeltas deformacijas. Nors vardas primena šalčio asociacijas, sistema tyčia taiko tiksliai valdomą šildymą, kad terminis išsiplėtimas grąžintų veidrodį į numatytą optinę formą. Svarbiausi aspektai:
Tiksli terminė projekcija
FROSTI naudoja daugiaelemį, aukštos raiškos masyvą, gebantį projektuoti šiluminės spinduliuotės raštus su itin smulkiu erdviniu valdymu. Tai leidžia operatoriams kompensuoti aukštesnio laipsnio aberacijas, kurių negali pilnai ištaisyti dabartinės sistemos. Tokiu būdu mažinamas likutinis bangvystės klaidų laipsnis, tuo pačiu vengiant papildomo triukšmo, kuris galėtų imituoti arba buddhinti gravitacinės bangos signalą. Praktikoje tai reiškia, kad galima spręsti ne tik paprastas išlinkimo ar poslinkio korekcijas, bet ir kompleksinius erdvinius modelius, pavyzdžiui, aukšto laipsnio asimetrijas, lokalizuotas karščio karštines ar žiedines termines netolygumus.
Megavatų klasės suderinamumas
Prototipas suprojektuotas dirbti su vidiniais optiniais kiekiais, viršijančiais vieną megavatą — tai daugiau nei milijardas kartų galingiau už įprastinį rašalinį lazerio rodyklę ir beveik penkis kartus daugiau nei dabartinė LIGO praktika. Išlaikyti mažą optinį ir mechaninį triukšmą tokiose galiose yra pamatinis uždavinys, leidžiantis įgyvendinti numatomus jautrumo atnaujinimus. Tai apima ne tik paties projektoriaus šiluminį valdymą, bet ir mechaninį stabilumą, aušinimo grandines, aukštos tikslumo jutiklių integraciją bei valdymo algoritmus, kurie užtikrina, kad taikomas šildymas koreguotų tik reikiamas bangvystes, o ne įvedinėtų papildomų moduliacijų.
Poveikis detektoriams ir astronomijai
Išlaikant veidrodžius optiškai nepriekaištingus esant didelėms galioms, FROSTI pašalina esminę kliūtį didinant interferometro jautrumą. Tobulesnis bangvystės valdymas tiesiogiai reiškia gilesnę matomą erdvę: modeliavimas rodo stebimos erdvės tūrį padidėsiantį maždaug dešimčia kartų. Praktikoje tai gali reikšti, kad dabartiniai metiniai įvykių skaičiai galėtų išaugti iki milijonų aptinkamų juodųjų skylių ir neutronų žvaigždžių susijungimų per metus, kai į tinklą įsilies naujos kartos observatorijos ir tinklai.
FROSTI turi svarbią vietą planuojamame LIGO A# atnaujinime — tai tarpinis žingsnis, kuris veiks kaip kelrodė technologija JAV vadovaujamam Cosmic Explorer projektui. Cosmic Explorer numato gerokai didesnius bandymų masyvus (maždaug 440 kg) ir žymiai didesnius cirkuliuojančius optinius kiekius, kad gravitacinių bangų astronomiją būtų galima nukreipti į tolesnius ir anksčiau įvykius Visatoje. UC Riverside komanda praneša, kad FROSTI koncepcija yra išplečiama ir gali būti pritaikyta sunkesnei optikai bei sudėtingesniems deformacijų modeliams, kurių reikės tokio lygio observatorijoms.
Eksperimento detalės ir plėtros kelrodis
Optica straipsnyje dokumentuoti pilno masto stendiniai bandymai FROSTI prototipo ant LIGO dydžio 40 kg veidrodžio, kur parodoma kruopšti lazerio sukeltų bangvystės klaidų korekcija nesukeliant aptinkamo perteklinio triukšmo. Bandymuose buvo imituotos realios veikimo sąlygos, įskaitant ne tik optinę galią, bet ir termomechaninius efektus, vibracijų izoliaciją bei control loop integraciją su interferometro parametrais. Tolimesni žingsniai apima inžinerinius variantus, galinčius koreguoti vis sudėtingesnes aberacijas, taip pat projekcinių sistemų pritaikymą 440 kg Cosmic Explorer veidrodžių aukštesniam terminės masės parametrui. Grupė numato iteruoti dizainą per ateinančius metus kaip dalį daugiadešimtmečio MTEP plano gravitacinių bangų infrastruktūrai, įtraukiant prototipų tobulinimą, patikimumo testus ir integraciją su pilotiniu LIGO A# įrenginiu.
Eksperto įžvalga
„Adaptinė terminė projekcija, tokia kaip FROSTI, užpildo gyvybiškai svarbią spragą tarp lazerio galios ambicijų ir optinio stabilumo,“ sako dr. Maya Alvarez, astrofizikė, specializuojanti į detektorių instrumentaciją. „Leisdama patikimai veikti didesnėmis galiomis neaukojant kvantinio ribotumo jautrumo, tokios sistemos bus būtinos, kad būtų pasiekti Cosmic Explorer ir tarptautinių detektorių tinklo mokslo tikslai.“
Išvados
FROSTI reiškia praktišką ir išplečiamą sprendimą vienai sudėtingiausių inžinerinių problemų, su kuriomis susiduria kitos kartos gravitacinių bangų detektoriai: kaip išlaikyti difrakcijos ribos optiką esant megavatų klasės lazerio galioms. Jei technologija sėkmingai išsiplės iki sunkesnių veidrodžių ir reikalaujančios terminės aplinkos ateities observatorijose, ji taps pagrindiniu įrankiu plečiant gravitacinių bangų vaizdą ir atvers kur kas didesnę kompaktiškų objektų susijungimų populiaciją detaliems astrofiziniams tyrimams. Be to, FROSTI potencialiai pagerins instrumentų patikimumą, sumažins eksploatacijos kaštus ilguoju laikotarpiu ir suteiks vertingų duomenų valdymo algoritmams, kurie bus pritaikomi įvairesnėms optinėms sistemoms ir moksliniams programoms.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą