Физики из США и Великобритании разработали покрытие для зеркала будущего телескопа Эйнштейна — гипотетического детектора гравитационных волн, чувствительность которого в сто раз превышает чувствительность LIGO/Virgo. В качестве покрытия ученые предлагают использовать чередующиеся слои аморфного кремнезема и оксида гафния, допированного кремнеземом. По оценкам ученых, такое покрытие повысит чувствительность телескопа в три раза по сравнению с обычным покрытием и в 25 раз по сравнению с LIGO/Virgo. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
В основе гравитационных обсерваторий LIGO/Virgo лежит видоизмененный интерферометр Майкельсона — установка, в которой когерентные лучи света бегают по четырехкилометровым плечам, отражаются от зеркал, а потом интерферируют друг с другом. Если сквозь интерферометр проходит гравитационная волна, зеркала едва заметно смещаются, длина плеч интерферометра изменяется, а интерференционная картина «плывет». Смещение зеркал из-за гравитационных волн так мало, что его очень сложно заметить на фоне тепловых колебаний. Тем не менее, такое разделение можно провести, если совместить данные с нескольких установок: на каждом интерферометре тепловой шум разный, а сигнал от гравитационной волны одинаковый. Благодаря этой хитрости гравитационные интерферометры могут почувствовать удлинение плеча с точностью до 10−16 сантиметра — в тысячу раз меньше радиуса протона.
Важной частью гравитационного интерферометра являются зеркала, которые стоят на концах его плечей. С одной стороны, чтобы снизить амплитуду тепловых колебаний, зеркало должно выдерживать низкие температуры (порядка десяти кельвинов). С другой стороны, зеркало должно очень плохо поглощать падающее излучение — в противном случае оно будет нагреваться и деформироваться. Чтобы добиться обоих эффектов, ученые покрывают зеркала тонкими чередующимися пленками с низким и высоким коэффициентом преломления. Это заставляет падающий свет интерферировать и терять меньше энергии.
В частности, зеркала интерферометров LIGO покрыты слоями кремнезема (SiO2) и допированного оксида тантала (Ta2O5) и охлаждены до температуры чуть больше 120 кельвинов. Это позволило довести отношение поглощенной и отраженной энергии до пяти частей на миллион. К сожалению, у этих материалов есть слабое место: при более низких температурах механические потери в этих материалах быстро растут, и одновременно с ними растет амплитуда тепловых колебаний зеркала (хотя температура зеркала уменьшается!). Текущему поколению детекторов этот рост не мешает, однако в будущем он будет ограничивать предельную точность детектирования. В частности, для планируемой установки «Телескоп Эйнштейна», чувствительность которой в 100 раз превысит точность LIGO/Virgo, эти материалы уже не подходят.
Поэтому группа физиков под руководством Иэна Мартина (Iain Martin) предложила заменить плавленый кремнезем и оксид тантала на оксид гафния (HfO2) и аморфный кремний (a-SiO2) соответственно. Если точнее, ученые использовали допированный кремнием (27 процентов) оксид гафния, который 24 часа отжигали при температуре 400 градусов Цельсия. Это позволило исследователям стабилизировать материал, снизить его напряжение и поглощающую способность. Ученые отмечают, что при такой обработке поглощающая способность аморфного кремния также падает до минимального значения.
Чтобы оценить эффективность замены, физики измерили механические потери и поглощающую способность допированного оксида гафния, а затем теоретически рассчитали чувствительность телескопа Эйнштейна с предложенным покрытием зеркал. Оказалось, что при температуре 10 кельвин и частоте около 10 герц спектральная плотность амплитуды тепловых колебаний зеркала (coating thermal noise) находится на уровне 2,4×10−21 метров на корень герца. Это в три раза меньше, чем амплитуда тепловых колебаний зеркал телескопа Эйнштейна с обычным покрытием, и в 25 раз меньше, чем амплитуда колебаний зеркал LIGO. В то же время, поглощающая способность нового покрытия находится на прежнем уровне (около пяти частей на миллион). Ученые подчеркивают, что покрытие с такими характеристиками идеально подходит для телескопа Эйнштейна, для которого требуется спектральная плотность амплитуды тепловых колебаний не более 3,6×10−21 метров на корень герца.
 |
| Ограничения снизу на чувствительность LIGO (пурпурная линия), LIGO с новым покрытием (синяя линия), телескопа Эйнштейна с обычным покрытием (черная линия) и телескопа Эйнштейна с новым покрытием (красная линия). |
| Источник: Kieran Craig et al. / Physical Review Letters, 2019 |
 |
| Механические потери материала в зависимости от температуры. Черным обозначен допированный оксид гафния, отожженный при температуре 450 градусов Цельсия, зеленым — оксид кремния, отожженный при 300 градусах Цельсия, синим — оксид кремния, отожженный при 450 градусах Цельсия. |
| Источник: Kieran Craig et al. / Physical Review Letters, 2019 |
После последней модификации гравитационные детекторы LIGO/Virgo стали регистрировать гравитационные волны так часто, что ученые всерьез заговорили о новой эре исследований космоса — эре гравитационно-волновой астрономии. По оценкам теоретиков, с помощью гравитационно-волновых телескопов можно будет искать первичные черные дыры и экзотические компактные объекты, а также уточнить постоянную Хаббла и уравнение состояния вещества нейтронной звезды. Более подробно про перспективы гравитационной астрономии можно прочитать в материалах «За волной волна» и «Ботаники в неведомой стране».
Дмитрий Трунин