С 5 по 15 августа 2019 года в экспериментальном комплексе Интерференционной Гравитационной Антенны (ИГА) VIRGO группой сотрудников CERN и ОИЯИ в составе: Беньямино Ди Джироламо (CERN), М. В. Ляблина (ОИЯИ) и Н. С. Азаряна (ОИЯИ), был установлен и запущен для мониторинга угловой микросейсмической активности новый инновационный прибор — Прецизионный Лазерный Инклинометр (ПЛИ). Использование инклинометра позволит уменьшить воздействие угловых микросейсмических наклонов земной поверхности на чувствительные элементы ИГА, что в свою очередь приведет к увеличению ее чувствительности в области частот, соответствующих слиянию черных дыр и нейтронных звезд во Вселенной.

Читайте также материал по этой теме на сайте ЦЕРН

Европейский гравитационно-волновой детектор VIRGO – франко-итальянский детектор гравитационных волн — один из научных мегапроектов Европы, на котором трудятся сейчас около четырех сотен сотрудников, расположен вблизи итальянского города Пиза. Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году и их поиск начался полвека спустя, но их 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 по нахождению источника нового всплеска.

Основной частью детектора VIRGO является лазерный интерферометр Майкельсона, каждое плечо которого имеет длину 3 километра. Ширина диапазона детектора VIRGO в совокупности с его чувствительностью позволяет надеяться зафиксировать с его помощью гравитационное излучение от взрывов сверхновых и слияний двойных систем в нашей Галактике. 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. Но до сих пор в гравитационной антенне VIRGO существует потребность в сейсмоизоляции чувствительных элементов антенны. Это, прежде всего, зеркала интерферометра, делительная пластинка, система зеркал 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 10 чувствительных элементов гравитационной антенны.

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

Особенность Прецизионного Лазерного Инклинометра — регистрация зависимости углов наклона от времени и отсутствие резонансных явлений в конструкции инклинометра. Это позволяет использовать прибор в системах онлайн стабилизации оптической платформы от угловых микросейсмов. Именно этот аспект волнует больше всего сотрудников VIRGO.

Действительно, 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 носит непредсказуемый характер и уменьшить их амплитуду возможно только установкой основания подвеса зеркала в неизменное горизонтальное положение. Именно эта задача и является приоритетной для использования ПЛИ в системе ИГА в VIRGO.

Идея использования ПЛИ в системе ИГА в VIRGO принадлежит В. А. Матвееву, который обратился к Ю. А. Будагову с предложением вступить в контакт с Европейским консорциумом по астрофизике частиц (APPEC) и рассмотреть возможность применения инклинометра для улучшения чувствительности гравитационного волнового детектора. Первые контакты с руководством Европейской Гравитационной Обсерватории (EGO) были организованы Беньямино Ди Джироламо. Фулвио Риччи, заместитель директора EGО, посетил CERN и осмотрел Прецизионный Лазерный Инклинометр, установленный в Транспортном туннеле №1 CERN. Затем при помощи EGO, CERN и ОИЯИ была организована перевозка установки ПЛИ вблизи одного из зеркал ИГА VIRGO. На протяжении 6 месяцев показания ПЛИ будут сравниваться с действующими показаниями сейсмометров и по результатам измерений будет принято решение о возможности использования ПЛИ для сейсмоизоляции чувствительных элементов Гравитационной Антенны.

Первые результаты показали, что ПЛИ регистрирует угловые микросейсмические явления с достаточной чувствительностью и в полном согласии с показаниями сейсмометров, установленных рядом с ним, что говорит об отсутствии системных ошибок в данных, получаемых с ПЛИ.

История ПЛИ началась в 2010 г. в отделе НЭОМАП ЛЯП под руководством проф. Ю. А. Будагова в рамках соглашения 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, что мы имеем дело с новым прорывным способом регистрации угловых микросейсмических колебаний поверхности Земли. В результате проведенных исследований Юлиан Арамович Будагов и Михаил Васильевич Ляблин получили Патент РФ RU2510488 C2 от 30.05.2012 г. 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/Гц^1/2 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 LHC;
• Создание сейсмоизолированной оптической платформы для проведения физических исследований в условиях пониженного воздействия угловых микросейсмических шумов.

Работа по угловой сейсмоизоляции активных элементов ИГА VIRGO подразумевает создание проекта по 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 в том, 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.

Прецизионный Лазерный Инклинометр — яркий пример практического использования достижений фундаментальной науки. Он совершил полный круг, зародившись в недрах самого передового на тот момент представителя 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 LHC и чувствительности VIRGO и имея уникальные перспективы прикладного использования на благо человечества. Это заслуга наших ученых и инженеров — сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

Авторы проекта благодарят Виктора Анатольевича Матвеева и Вадима Александровича Беднякова за всестороннюю поддержку.

Слева направо: Михаил Васильевич Ляблин (ЛЯП ОИЯИ), Беньямино Ди Джироламо (CERN) и Николай Сергеевич Азарян (ЛЯП ОИЯИ)

Фотогаллерея «Процесс сборки инклинометра»

Автор текста: Елена Дубовик
Источник: сайт ЛЯП