С вакуумом по стопам Эйнштейна
В сентябре 2015 года, в обсерваториях LIGO в Луизиане и Вашингтоне, США, впервые обнаружили гравитационные волны непосредственно на Земле и тем самым подтвердили теорию Эйнштейна о пределе силового поля источника - прорыв в астрофизике. Вакуумная технология сыграла решающую роль в захватывающих измерениях в обсерваториях LIGO, так и связанных основных экспериментах. В своем интервью профессор доктор Райнер Вайсс, один из основателей LIGO, рассказал о результатах LIGO и роли вакуумной техники.
Доктор Вайс, вы являетесь одним из основателей и научных руководителей проекта LIGO и работаете с детекторами более 25 лет. Расскажите, пожалуйста, как все начиналось: как развивался проект и какова была ваша мотивация?
Это длинная история. Это началось, когда я был начинающим преподавателем в Массачусетском технологическом институте, и меня попросили преподавать курс общей теории относительности. Время было 1968, и я только что создал новую исследовательскую группу на физическом факультете для работы над экспериментальной гравитацией и наблюдательной космологией. Я едва знал общую теорию относительности и обычно опережал студентов на один день. Если честно, они могли опередить меня в тензорном исчислении. Класс хотел узнать больше об экспериментах Вебера.
Профессор, доктор Райнер Вайс, один из основателей Ligo
Это были измерения, которые Джозеф Вебер, пионер в исследовании гравитационных волн Эйнштейна, сделал в 1960-х годах при возбуждении алюминиевых стержней. Мне было ужасно сложно понять взаимодействие стержня с гравитационной волной. Я думал, что могу понять и рассчитать, как пара объектов, путешествующих вдоль одной плоскости, разделится, после прохода гравитационной волны. Следующая идея состояла в том, чтобы измерить это разделение, используя время, необходимое для прохождения света между объектами. Математика была достаточно простой. Я дал это как задачу студентам. Позже я подумал еще об этом и понял, что таким способом можно действительно сделать чувствительный детектор гравитационных волн. Это было начало LIGO в моих мыслях.
В настоящий момент гравитационные волны физически действительно обнаружены. Что вы чувствовали, когда впервые услышали об их фиксации?
Я был в штате Мэн в отпуске со своей семьей. У нас был запланирован сплав на байдарках вдоль побережья с Питером Саулсоном из рабочей группы LIGO в Сиракузском университете и его женой. Ричард Айзексон тоже собирался присоединиться к нам. Ричард - ученик Чарльза Миснера, он написал важную статью, показывающую, что гравитационные волны действительно несут энергию и являются реальной физической вещью. Он был руководителем дисциплины по гравитационной физике в NSF в тот важный момент, когда предлагалось интерферометрическое обнаружение гравитационных волн. Он занимал центральное место в NSF, взяв на себя сначала риски по развитию, а затем по финансированию LIGO. Получив разрешение от дирекции LIGO, Питер и я рассказали Ричарду о «событии». Он выглядел довольно скептически и задал нам совершенно правильные вопросы - «откуда вы знаете, что это не из-за…» - но после просмотра данных и довольно тщательного изучения мы все пошли на действительно запоминающийся обед, "прожарив" событие говорили о хороших и плохих старых временах.
Какую роль вакуумная технология занимает в экспериментальной работе LIGO?
Вакуум на уровне ниже 10-9 Торр в рукавах длиной 4 км необходим, чтобы избежать прямого рассеяния молекул остаточного газа, которые могут вызвать фазовый шум на выходе интерферометра. Наиболее серьезные фазовые шумы происходят от больших молекул, которые имеют большую поляризуемость и движутся медленно. Вакуум на уровнях ниже 10-8 Торр требуется в камерах испытательной массы, чтобы избежать импульсных колебаний испытательных масс из-за столкновений с атомами остаточного газа. Опять же, более тяжелые молекулы являются более серьезными источниками шума, чем более легкие.
Каким конкретным требованиям должна соответствовать вакуумная система?
Помимо требований к давлению, приведенных выше, вакуумная система должна надежно работать месяцами. Также мы не хотим, чтобы вибрации от вакуумных насосов мешали испытательной массе.
Вид на один из двух 4-километровых рукавов вакуумных труб детектора LIGO в Луизиане