Исключая дрожь Земли

Российский прибор предназначен для мониторинга угловой микросейсмической активности. Идея задействовать это устройство в эксперименте VIRGO принадлежит директору Объединенного института ядерных исследований академику Виктору Матвееву.

Прибор создали ученые лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, в разработке его последнего варианта участвовали коллеги из CERN. Использование прецизионного лазерного инклинометра (ПЛИ) позволит уменьшить воздействие угловых микросейсмических наклонов земной поверхности на чувствительные элементы гравитационной антенны, что в свою очередь приведет к повышению ее чувствительности в области частот, соответствующих слиянию черных дыр и нейтронных звезд во Вселенной.

VIRGO, франко-итальянский детектор гравитационных волн, — один из научных мегапроектов Европы, в котором сейчас работает около четырехсот человек. Расположен детектор вблизи итальянского города Пиза.

Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году, искать их начали полвека спустя, но открытия пришлось ждать несколько десятилетий. Только в сентябре 2015 года два детектора Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США зафиксировали всплеск гравитационных волн, рожденных при слиянии двух тяжелых черных дыр на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли. Но важно не только зафиксировать всплеск гравитационных волн, но и понять, откуда в каждом конкретном случае пришел сигнал. Именно поэтому VIRGO, несмотря на его чуть худшую чувствительность, чем у LIGO, играет важную роль в поиске источника нового всплеска.

Научный мегапроект Европы

«VIRGO — это, если говорить простым языком, система больших и массивных зеркал, подвешенных на тонких кварцевых нитях, — рассказал “Стимулу” главный научный сотрудник лаборатории ядерных проблем ОИЯИ профессор Юлиан Будагов. — Когда приходит гравитационная волна, расстояние между зеркалами изменяется, и лазерный интерферометр регистрирует это».

Главный научный сотрудник лаборатории ядерных проблем ОИЯИ профессор Юлиан Будагов

jinrmag.jinr.ru

Основная часть VIRGO — лазерный интерферометр Майкельсона, каждое плечо которого имеет длину три километра. Переотражения сигнала на концах плеч увеличивают их эффективную длину до 120 километров.

Ширина диапазона частот детектора в совокупности с его чувствительностью позволяет надеяться, что с его помощью удастся зафиксировать гравитационное излучение от взрывов сверхновых и слияний двойных систем в нашей галактике и во многих близких к ней, например из всего скопления Девы.

Чтобы достичь необходимой чувствительности, для VIRGO были разработаны уникальный высокомощный ультрастабильный лазерный источник, зеркала со сверхвысоким коэффициентом отражения, сейсмические изоляторы и контроллеры положения и направления и т. д.

В оптической части используется один из самых стабильных когда-либо построенных лазеров. Для производства зеркал с коэффициентом отражения свыше 99,999% и нанометровой точностью формы была построена специальная фабрика оптических покрытий. Изоляция оптических частей интерферометра от сейсмических шумов обеспечивается многоступенчатыми маятниковыми системами десятиметровой высоты.

Внутренняя часть интерферометра вакуумирована до давления 10⁻⁹ миллибара, чтобы исключить шумы, возникающие в воздухе. Эта часть включает в себя две трубы длиной по три километра и диаметром 1,2 метра — это самая большая по объему вакуумная установка в Европе (6800 кубометров) и третья по размеру в мире (после интерферометров LIGO). Трубы покоятся на двадцатиметровых бетонных элементах, которые поддерживаются примерно тысячей бетонных свай, углубленных на 20–50 метров для достижения слоев, не подверженных поверхностной вибрации. Чтобы получить столь низкое давление, трубы были изготовлены по специальной технологии, включающей в себя десорбцию водорода из металла труб; кроме того, перед каждым циклом работы интерферометра для удаления водяного пара трубы прогреваются до 150 °С в течение нескольких суток.

Но, несмотря на все эти меры, существует потребность в сейсмоизоляции чувствительных элементов гравитационной антенны VIRGO. Прежде всего это зеркала интерферометра, делительная пластинка, система зеркал, участвующая в подготовке лазерного пучка для питания интерферометра, и дополнительные зеркала, которые организуют рециклирование лазерного луча в интерферометре. Всего требуется сейсмоизолировать от угловых колебаний поверхности Земли до десяти чувствительных элементов гравитационной антенны.

Сейчас гравитационная антенна работает в условиях интенсивных микросейсмических шумов, которые ухудшают ее чувствительность в области частот от 1 до 10 Гц.

При наклонах основания интерферометрического зеркала под действием угловых микросейсмов происходит наклон точки подвеса зеркал, что приводит к его перемещению в плече интерферометра на несколько микрометров. Поскольку подобное смещение точки подвеса носит периодический характер, то это дополнительно приводит к параметрическому возбуждению колебания подвеса с зеркалом на резонансных частотах также в направлении плеча интерферометра. Совокупность этих колебаний непредсказуема, и уменьшить их амплитуду возможно только путем установки основания подвеса зеркала в неизменное горизонтальное положение. «Именно эта задача и является приоритетной для использования инклинометра в системе гравитационной антенны в VIRGO», — пояснил «Стимулу» старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Михаил Ляблин, внесший вклад принципиального научного значения в создание инклинометра.

Как обеспечить устойчивость

«Принцип прецизионного лазерного инклинометра прост — это использование свойства горизонтальности поверхности жидкости, — рассказывает Михаил Ляблин. — Луч от лазера, установленного на поверхности Земли, после его отражения от поверхности жидкости, испытывает угловые движения, пропорциональные угловым наклонам поверхности Земли. Сам принцип известен давно. Наша заслуга в том, что мы предложили использовать тонкий слой жидкости в кювете, в которой невозможно распространение поверхностных волн (они гасятся трением о дно кюветы с жидкостью). Горизонтализация же поверхности жидкости при этом происходит за счет эффекта сообщающихся сосудов. То есть мы нашли условия, когда поверхность жидкости возмущается только за счет статистических флуктуаций, которые ограничивают чувствительность на уровне 10⁻¹⁰ рад, и при этом сохраняются условия для быстрой (0,1 секунды) горизонтализации поверхности жидкости. Это позволяет использовать ПЛИ для регистрации угловых микросейсмов с разрешением 10⁻³–10⁻⁴».

По словам ученого, ПЛИ регистрирует зависимость угловых колебаний от времени, в то время как сейсмометры регистрируют относительные величины — скорость и ускорение движения поверхности Земли. «Благодаря этому свойству наши измерения не имеют нижней частотной границы детектирования угловых микросейсмических колебаний. ПЛИ дает полную угловую информацию о наклонах земной поверхности. В конструкции ПЛИ нет резонансных явлений, и поэтому все зарегистрированные сигналы можно сразу использовать в системах обратной связи для стабилизации физического и технологического оборудования», — поясняет Михаил Ляблин.

Российский прибор устойчиво работает с начала августа. Он установлен в десяти метрах от северного конечного зеркала интерференционной гравитационной антенны (ИГА) VIRGO, и с его помощью производится мониторинг угловой микросейсмической активности. Регистрируются сигналы типа «микросейсмический пик» (поверхностные сейсмические волны от колебания толщи воды в морях и океанах), «индустриальный микросейсмический шум», «удаленные землетрясения» и др. Фурье-анализ частотных компонент угловых колебаний поверхности Земли показал практически стопроцентную корреляцию с сейсмометрами VIRGO. В октябре этого года на совещании коллаборации VIRGO & LIGO будут доложены первые результаты применения ПЛИ в условиях VIRGO.

«Видимо, после этого совещания следует ожидать предложений об использовании ПЛИ в системе угловой сейсмоизоляции чувствительных элементов VIRGO», — говорит Михаил Ляблин.

Прецизионный лазерный инклинометр, установленный в экспериментальном зале Интерферометрической гравитационной антенны VIRGO

ОИЯИ

Прибор с уникальными перспективами

История прецизионного лазерного инклинометра началась в 2010 году в лаборатории ядерных проблем под руководством Юлиана Будагова по соглашению ОИЯИ—ЦЕРН с целью стабилизации пространственного положения пучков для повышения светимости Большого адронного коллайдера (в эксперименте ATLAS). Были собраны и исследованы первые прототипы этого уникального углового сейсмометра. Исследование с прототипов показало: мы имеем дело с новым прорывным способом регистрации угловых микросейсмических колебаний поверхности Земли. В результате проведенных исследований Юлиан Будагов и Михаил Ляблин получили патент РФ на это изобретение. Развитие метода привело к созданию автоматизированного дистанционно настраиваемого прибора, который может эффективно регистрировать изменение угловых наклонов поверхности Земли во времени c чувствительностью 2,4 × 10⁻¹¹ рад/Гц¹/² в частотном диапазоне 10⁻³–12,3 Гц.

Тогда же определились и основные задачи для этого уникального нового прибора:

— измерение микросейсмических угловых колебаний поверхности Земли. Это источник существенно новой информации о геофизических процессах внутри Земли;

— использование долговременных измерений углового наклона поверхности Земли для предсказания землетрясений. Это позволяет определить зоны накопления сейсмической энергии и, соответственно, количественно рассчитать мощность и время будущего землетрясения;

— использование зарегистрированных угловых микросейсмов для стабилизации крупномасштабных физических установок. В CERN ведется подготовка регистрации деформации поверхности Земли при прохождении поверхностных микросейсмических волн в зоне расположения Большого адронного коллайдера;

— создание сейсмоизолированной оптической платформы для проведения высокоточных низкофоновых физических исследований в условиях пониженного воздействия угловых микросейсмических шумов.

Работа по угловой сейсмоизоляции активных элементов ИГА VIRGO подразумевает создание проекта модернизации установки. Для этого необходимо провести исследования на прототипе сейсмоизолированной от угловых колебаний поверхности Земли платформы. Затем на основе достигнутых результатов спроектировать, изготовить и установить элементы угловой сейсмоизоляции для зеркал, делительной пластинки и других чувствительных элементов ИГА VIRGO.

Работа находится в самом начале, но уже сейчас есть уверенность, что применение ПЛИ открывает возможность уменьшить воздействие на чувствительные элементы ИГА VIRGO угловых микросейсмических колебаний в области частот 10⁻³–10 Гц на два порядка, что, безусловно, положительно скажется на ее чувствительности.

«Наш прибор, по нашим оценкам, в сотни, если не в тысячи раз превосходит по точности лучшие зарубежные аналоги. Точность измерения угла наклона — нанорадианы. Это “ужасно” маленькая величина, 10⁻⁹ радиан», — отметил Юлиан Будагов. 

 Прецизионный лазерный инклинометр — яркий пример практического использования достижений фундаментальной науки. Он совершил полный круг, зародившись в недрах самого передового на тот момент проекта современной фундаментальной науки — эксперимента ATLAS, прошел этап своего развития в качестве прибора прикладного значения и снова вернулся в область фундаментальной науки, обещая увеличение светимости на Большом адронном коллайдере и чувствительности VIRGO и имея уникальные перспективы прикладного использования на благо человечества.