снижение шума детектора гравитационных волн

Квантовый детектор — это чувствительный маятник, подвешенный в пустоте. Если мимо проходит резкая гравитационная волна, интуиция подсказывает: маятник качнётся. Но расчёт показывает обратное: волна не раскачивает, а гасит уже существующие колебания.

Представьте себе струну, натянутую между двумя колками. Малейшее прикосновение заставляет её дрожать, и по высоте звука можно угадать, как именно её тронули. Похожую струну физики из Аризонского университета натянули не в музыкальном инструменте, а на кремниевой мембране толщиной в сотню нанометров. Только вместо звука они слушают свет, отражённый от крошечной решётки, нанесённой на эту мембрану.

Детекторы гравитационных волн — это, по сути, сверхчувствительные «уши» Вселенной: они улавливают дрожь пространства-времени, возникающую при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но даже самые совершенные «уши» слышат далеко не всё.

Крошечный дефект в кристалле алмаза — азот-вакансионный центр, где атом азота и соседняя вакансия (пустота) образуют квантовую систему, — работает как сверхчувствительный датчик магнитных полей, словно чуткий микрофон, улавливающий малейшие колебания. Чтобы услышать «шёпот» отдельных молекул, датчик размещают у самой поверхности кристалла.

Огромная чаша с водой. Бросьте в неё камень — по воде пойдут круги. Примерно так же работает и ткань пространства-времени: когда две массивные звезды сливаются, они рождают рябь — гравитационные волны. Эти волны долетают до Земли, и их улавливают гигантские детекторы вроде LIGO и Virgo.

Калейдоскоп шумов — так можно описать поток данных, льющийся из интерферометров LIGO. Эти детекторы, созданные Райнером Вайссом, Кипом Торном и Барри Баришем, улавливают рябь пространства-времени от слияний чёрных дыр, но одновременно регистрируют всё: стрекот земных вибраций, гул электрических…

Предсказанные Альбертом Эйнштейном гравитационные волны — это маяки в тёмном океане космоса. Они вспыхивают при столкновении чёрных дыр и пронизывают Вселенную рябью пространства.

В 2019 году на установке LIGO зафиксировали гравитационную волну — рябь в ткани пространства-времени, — чья частотно-временная карта напоминала причудливый гребень. Каждый такой сигнал от слияния чёрных дыр оставляет уникальный узор, похожий на отпечатки пальцев.

Выделить сигнал от одной пары сверхмассивных чёрных дыр — всё равно что расслышать шаги танцора в грохоте урагана. Где-то в космосе эти монстры кружатся в медленном гравитационном танго, искажая само пространство-время. Их гравитационные волны — не резкие всплески, как у LIGO, а глубинное дыхание метрики, растянутое на годы.

Лазерный луч в многокилометровом тоннеле дрожит от проходящей гравитационной волны — но дрожит едва заметно, на доли диаметра протона. Чтобы расслышать этот шёпот космоса, физики выжимают из света всё, что можно.

В погоне за гравитационными волнами — рябью пространства-времени, оставленной чёрными дырами и нейтронными звёздами — детекторы вроде LIGO накачивают свои плечи светом ослепительной мощности.

Детекторы LIGO и Virgo улавливают гравитационные волны от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд. Но среди космических сигналов их чувствительные плечи постоянно пересекают тени — кратковременные шумовые артефакты, глитчи, которые разыгрывают настоящий теневой театр.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию, не сбиваясь. В роли музыкантов выступают кубиты — носители квантовой информации. Чтобы оркестр звучал слаженно, нужны надёжные, управляемые и не слишком чувствительные к помехам кубиты.

Вселенная пронизана невидимой массой — тёмной материей, существование которой впервые предположил Фриц Цвикки в 1930-х годах, наблюдая за движением галактик в скоплениях.

Сверхчувствительный микрофон слушает не звук, а дрожание самого пространства. Так работают детекторы гравитационных волн — LIGO, Virgo, KAGRA. Их лазерные лучи бегают по многокилометровым тоннелям и замечают, если пространство сжимается или растягивается хотя бы на тысячную долю размера протона.

Гравитационные телескопы вслушиваются в космическую «музыку» — гравитационные волны, рябь пространства-времени от далёких катастроф вроде слияния чёрных дыр. Но их записи полны «царапин» — коротких земных помех, или глитчей. Раньше оценка качества данных велась по всей дорожке сразу, и слабые щелчки терялись в общем шуме.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить едва слышный ритм, общий для всех. Примерно так астрономы ищут гравитационные волны от пар сверхмассивных чёрных дыр (весом в миллиарды солнц), которые кружатся друг вокруг друга где-то в далёких галактиках.

Левитирующая пылинка в лазерной ловушке — идеальный маятник для измерения гравитации. Она висит в вакууме, не касаясь стенок, и её движение зависит только от внешних сил. В новой работе предложили усовершенствованный датчик: механический «сжатый» кубит на основе нелинейного осциллятора.

Магнит размером с рисовое зёрнышко парит в пустоте, не касаясь стенок. Его удерживает магнитное поле сверхпроводящей ловушки — кольца, охлаждённого до такого состояния, где ток течёт без сопротивления. Парение нужно, чтобы убрать трение: без него даже слабый толчок заставляет магнит колебаться очень долго, как камертон после удара.

Камертон звучит невероятно чисто, но стоит к нему прикоснуться — и тон меняется почти мгновенно. Примерно такая задача стояла перед инженерами: создать лазер, одновременно обладающий двумя, казалось бы, несовместимыми свойствами — исключительной спектральной чистотой (линия излучения очень узкая, как у камертона, дающего одну ноту без дребезга) и способностью быстро перестраивать эту частоту.

Когда две чёрные дыры сливаются, новорождённая дыра некоторое время «звенит», испуская гравитационные волны — подобно затихающему колоколу. Этот звон улавливают гигантские детекторы, созданные Райнером Вайссом и Кипом Торном.

Зеркала в интерферометрических детекторах гравитационных волн — это сверхчувствительные «уши», настроенные на рябь пространства-времени. Но их постоянно заглушает собственное дрожание: тепловое движение атомов внутри зеркала создаёт шум, подобный тому, как микрофон на шумном вокзале не может уловить тихий шёпот.

Магнитные датчики размером меньше спичечной головки уже умеют ловить слабые поля — например, от сердца или далёкой планеты. Но чтобы сделать их ещё чувствительнее, приходится идти на компромисс: увеличишь одну деталь — потеряешь в другой.

На столе стоит чувствительный прибор — крутильные весы. Два тяжёлых груза вращаются рядом с подвешенным стержнем, и их притяжение стремится повернуть этот стержень. Но грузы расположены так, что их обычное ньютоновское притяжение взаимно уничтожается: один тянет в одну сторону, другой — в противоположную. Остаётся лишь слабый остаток, который и ловит прибор.

Датчик, который ищет редкие частицы, похож на ухо, пытающееся расслышать шёпот в шумной комнате. Чем тише сигнал, тем труднее отличить его от случайного шума. В эксперименте NUCLEUS такие датчики — криогенные калориметры — охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы они могли уловить даже слабый всплеск тепла от одной частицы.

Когда массивная звезда исчерпывает ядерное топливо и схлопывается в сверхновую, рождается нейтронная звезда — объект диаметром с небольшой город, но с массой, сравнимой с солнечной. Её вещество сжато до такой степени, что одна чайная ложка этого материала весила бы больше, чем гора Эверест.

Сверхтекучесть — состояние жидкости, в котором она течёт без трения, не теряя энергии. Гелий-3, редкий изотоп, обретает это свойство лишь при температурах в тысячные доли градуса выше абсолютного нуля.

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

Ещё Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности предсказал гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света.

В густом скоплении галактик Девы астрономы заметили шесть странных облаков из нейтрального водорода — газа, который не испускает свет и потому невидим для обычных телескопов. Радиотелескопы улавливают его, но откуда он взялся, было неясно. Учёные навели на эти облака радиотелескоп VLA с более чётким зрением, чем раньше.

Вселенная расширяется, и галактики разлетаются, как изюм в поднимающемся тесте. Но с конца 1990-х годов известно, что это расширение ускоряется. Что за сила расталкивает галактики всё быстрее — одна из главных загадок физики. Её называют тёмной энергией, и она составляет около 70% всего содержимого космоса.

Слияние двух нейтронных звёзд — это как удар гонга: по Вселенной расходится дрожь пространства, гравитационная волна. Детекторы на Земле ловят эту дрожь и по её силе вычисляют расстояние до источника. Но волна летит не в пустоте: по дороге её слегка искривляют гравитационные поля скоплений галактик.

Тёмная материя — загадочная субстанция, которая в пять раз массивнее обычного вещества, но не испускает и не поглощает электромагнитное излучение. Её природа остаётся одной из главных нерешённых задач физики.

Измерение расширения Вселенной напоминает попытку засечь время забега на беговой дорожке, которая сама растягивается.

Две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга, и их танец не всегда похож на ровный вальс. Если дыры крутятся вокруг своей оси, то их орбита может начать кувыркаться — как волчок, который подтолкнули, и он заваливается набок, продолжая кружиться.

Тёмная материя — загадочная субстанция, составляющая 85% вещества Вселенной, — остаётся невидимой для наших приборов, проявляя себя лишь через гравитационное взаимодействие. Уловить её присутствие можно по своеобразному космическому «звуку» — слабой вибрации, пронизывающей пространство.

Звуковые волны на чипе обычно распространяются во все стороны, подобно шёпоту, отражающемуся под куполом. В гироскопе это создаёт шум — акустический беспорядок, который маскирует истинный сигнал вращения. Но новая конструкция заставляет звук течь лишь в одном направлении. Как это работает?

Согласно теории Эйнштейна, вращение Земли увлекает за собой само пространство-время — этот эффект известен как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Представьте: массивное тело, словно ложка в густом мёде, закручивает вокруг себя ткань пространства-времени.

Луна — не просто спутник, а потенциальный гравитационный колокол. Когда массивные тела сталкиваются, пространство-время дрожит, и эта дрожь — гравитационные волны — заставляет колебаться всё, что встречает на пути. На Земле такие колебания тонут в сейсмическом шуме ниже 10 Гц, а в космосе антенна LISA слышит лишь миллигерцы.