Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Июнь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
05.06.2006
13:22:27
14:41:45
 6
06.06.2006
12:18:45
15:21:24
 7
 8
08.06.2006
15:13:22
20:44:45
 9
10
11
12
13
13.06.2006
11:57:38
17:03:59
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн

27.06.2006

Усовершенствованная версия детектора гравитационных волн LIGO позволит «прощупывать» гораздо большую часть вселенной, чем доступна сейчас (маленький объемчик в углу). Для этого, однако, потребуется решить ряд непростых технических задач (изображение с сайта www.ligo.caltech.edu)
Усовершенствованная версия детектора гравитационных волн LIGO позволит «прощупывать» гораздо большую часть вселенной, чем доступна сейчас (маленький объемчик в углу). Для этого, однако, потребуется решить ряд непростых технических задач (изображение с сайта www.ligo.caltech.edu)

Детекторы гравитационных волн нуждаются в серьезном апгрейде, и для этого потребуется решить ряд нетривиальных технических задач. С одной из этих проблем справились недавно американские и австралийские физики.

Многие эксперименты в современной физике настолько ресурсоемки, что на одну лишь сборку и отладку установки уходят годы. Столь большой промежуток времени накладывает свой отпечаток и на процесс проектирования. Планируя такие эксперименты, физики исходят не только из доступных сегодня технологий, но и рассчитывают на дальнейший прогресс прикладной физики и инженерного дела. Разработчики в буквальном смысле надеются на то, что некоторые технические задачи, которые кажутся неразрешимыми сейчас, будут решены в недалеком будущем.

Именно поэтому за неприметными на первый взгляд инженерными разработками, о которых можно прочесть лишь в специализированных журналах, может, на самом деле, скрываться решение одной из таких задач, а значит, и прорыв в каком-то из ключевых экспериментов фундаментальной физики.

Одним из таких ресурсоемких и очень важных для физики экспериментов является детектирование гравитационных волн. Гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности (ОТО) и уже подтвержденные косвенными методами, — это колебания гравитации, искажения пространства-времени, родившиеся в какой-нибудь галактике, например в результате слияния двух черных дыр, и теперь распространяющиеся по всей Вселенной. Проходя сквозь солнечную систему и Землю, они вызовут чрезвычайно слабое «дрожание» предметов, которое и пытаются зарегистрировать гравитационно-волновые детекторы.

В принципе, за гравитационными волнами «охотятся» уже более 30 лет (см. статью В. М. Липунова Гравитационно-волновое небо), но этот поиск пока не принес успехов. Космические события, вызывающие мощные всплески гравитационных волн, в нашей галактике происходят очень редко, раз в тысячи лет. Дождаться их нереально. В местном скоплении галактик, в целом, они происходят чаще, но из других галактик эти волны приходят очень ослабленными, и чувствительности аппаратуры для их регистрации долгое время не хватало.

Лишь несколько лет назад был построен первый детектор нового поколения — LIGO, который имеет шанс уловить в обозримом будущем гравитационно-волновой всплеск.

Главная идея такого детектора проста. В двух длинных (длиной в несколько километров!) и перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. Лазерный луч расщепляется, идет по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга, и фотодетектор оказывается в полной тени. Но стоит лишь какому-нибудь из зеркал сместиться на микроскопическое расстояние (внимание: тут речь идет не о длине световой волны, и даже не о диаметре атома, а о тысячных долях размера атомного ядра!), как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет. Чем меньше смещение зеркала — тем слабее будет нескомпенсированный свет. А значит, чем мощнее лазерный луч, циркулирующий в установке, тем меньший сдвиг зеркал можно будет заметить при данном фотодетекторе.

В настоящее время LIGO работает в своей первой стадии, при которой он сможет регистрировать 1 всплеск в несколько (или несколько десятков — астрофизики пока не могут предсказать точнее) лет. Но разработчики, конечно, не собираются останавливаться на этом. Их цель — кардинальный «апгрейд» детектора, получивший название Advanced LIGO, который позволит улучшить чувствительность в десять раз и позволит регистрировать по нескольку всплесков в год. А для этого, среди прочих усовершенствований, потребуется в сто раз увеличить мощность лазерного луча.

Именно тут возникает техническая проблема. Слишком мощный лазерный луч оказывает побочные эффекты на тонко настроенную оптическую систему: даже сверхотражающие зеркала и сверхпрозрачные линзы будут заметно нагреваться от такого луча. Нагрев стекол (а также просветляющего покрытия линз) приведет, во-первых, к их расширению и искажению формы, а во-вторых, изменит их коэффициент преломления. Если на эти «мелочи» не обратить внимания, то при запуске столь мощного луча произойдет сильный сбой настроек и непредвиденное искажение луча, сводящее на нет все усилия по улучшению чувствительности детектора.

Чтобы преодолеть эту проблему, внутри проекта LIGO была создана специальная рабочая группа, включающая исследователей из США и Австралии. В Западной Австралии была сконструирована установка длиной 80 метров, призванная смоделировать воздействие мощного луча на систему линз и зеркал, а также попробовать избавиться от этого воздействия.

О том, чего удалось достичь в этих экспериментах, рассказывается в недавней статье C. Zhao et al., Physical Review Letters, 96, 231101 (16 June 2006), доступной также как gr-qc/0602096.

Авторы пишут, что тестовый луч мощностью 1 киловатт, циркулировавший в оптической системе, действительно приводил к нагреву оптических элементов и расфокусировке лазерного луча. Для компенсации этих искажений исследователи поместили на пути луча специальную круглую прозрачную пластинку, по ободу которой была намотана обычная нихромовая проволока, сродни той, что находится внутри бытовых нагревательных приборов. По проволоке пускали ток, пластинка нагревалась, но нагрев был, очевидно, более сильным по краям пластинки.

Благодаря такой немудреной системе авторам работы удалось устранить искажения, вызываемые мощным лазером. Луч греет центральные части линз и зеркал; пластинка же греется сильнее всего по периметру. И то, и другое воздействие вносят искажения в параметры лазерного луча, но — если подобрать правильную силу тока — вместе эти искажения компенсируются! Луч снова становится таким, каким он был бы безо всяких тепловых искажений.

Авторы убедились, что разработанная ими схема компенсации достаточно устойчива: она позволяет удерживать параметры луча в пределах небольших колебаний столько времени, сколько нужно. Однако для будущего детектора потребуется устранить и эти колебания. В ближайшее время планируется установка дополнительных систем слежения за пучком, которая позволит «отшлифовать» разработанную технологию.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 
Конкурс ответов на детские вопросы. Участвовать могут все. Главный приз — цифровой фотоаппарат.

Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Предыдущие новости

27.06 Раскрыта тайна иммунной системы насекомых

Оказалось, что у насекомых тонкая подгонка набора защитных белков к конкретной инфекции так же, как и у позвоночных, осуществляется путем перекомбинирования фрагментов генов, однако редактированию подвергаются не сами гены (молекулы ДНК), как в лимфоцитах позвоночных, а их копии — молекулы РНК.

27.06 В Испании найдена древнейшая ископаемая паутина с прилипшими насекомыми

Уникальная находка испанских и американских палеонтологов показала, что пауки научились плести спиральные, вертикально ориентированные ловчие сети из клейких нитей не менее 110 млн лет назад. Именно в это время быстрая экспансия цветковых растений спровоцировала массовое развитие насекомых.

26.06 Заключая «пакт о сотрудничестве», рыбы заранее просчитывают ситуацию

Вступая во взаимовыгодное сотрудничество, представители разных видов сначала стараются убедиться в надежности будущего партнера: наблюдают за ним и сравнивают его с другими кандидатами. Это подтверждают эксперименты с рыбами, обитающими около Большого Барьерного рифа, — мелким чистильщиком и его гораздо более крупным «клиентом».

26.06 Три продырявленные ракушки заставляют по-новому взглянуть на зарождение человеческой культуры

Возраст продырявленных раковин морских улиток (по-видимому, остатков древнейших ожерелий), обнаруженных на среднепалеолитических стоянках в Северной Африке и Западной Азии, составляет 100–130 тысяч лет. Это отодвигает начало зарождения подлинно человеческой духовной культуры в прошлое на несколько десятков тысяч лет.

20.06 Холодные нейтронные лучи прощупывают предметы, не внося никаких возмущений

Швейцарские физики добились прорыва в применении нейтронной томографии к изучению веществ. Изображения тел в нейтронных лучах вскрывают ядерные свойства веществ вне зависимости от химического окружения.

19.06 О смене дня и ночи гусеницы узнают по запаху

Как выяснили японские ученые, гусеницы бабочек-совок, предпочитающие питаться ночью, а днем держаться в укрытиях, узнают о времени суток по запаху растения, на котором кормятся. Дело в том, что днем растение выделяет вещества, привлекающие паразитических перепончатокрылых: они откладывают яйца внутрь гусениц и вызывают тем самым их гибель.

15.06 Чтобы свести баланс азота, надо правильно посчитать фитопланктон

Цианобактерии связывают в 2-3 раза больше атмосферного азота, чем считалось ранее. К такому выводу пришли сотрудники Океанографического института в Вудс-Хоуле, применив принципиально новый подход к оценке численности фитопланктона. Вместо планктонных сетей они спустили под воду микроскоп, снабженный видеокамерой, и протащили его на буксире через всю Атлантику.

14.06 У болези Паркинсона и старения общие причины

Две независимых группы генетиков убедительно доказали, что одной из причин старения и болезни Паркинсона являются дефектные митохондрии, быстро размножающиеся в нейронах головного мозга и приводящие к их дегенерации. Дефектными они становятся в результате соматической мутации — удаления участка митохондриальной ДНК.

13.06 Жидкости способны полностью изолироваться от несмачиваемых поверхностей

Компьютерное моделирование показало, что жидкость вблизи гидрофобной стенки изолирует себя от контакта с ней с помощью «газовой оболочки». При течении по гидрофобным трубам возникает новое гидродинамическое явление — проскальзывание жидкости.
В избранное