Mustade aukude kokkupõrgete mõõtmist segab miski üllatavalt argine: peeglite soojusest tingitud värisemine. Uus arvutiuuring pakub lahenduseks rõngakujulist laserikiirt ja peeglipinna muutust, mille kõrgus on kõigest 50 nanomeetrit.
Kaks musta auku põrkuvad kokku. Läbi kosmose levivad aegruumi lained. Maal ootab neid kilomeetritepikkune mõõteseade, mis peab tabama nende tekitatud üliväikese pikkusemuutuse.
Ja siis segab vahele peegel.
Mitte sellepärast, et keegi seda puudutaks. Peegli pind liigub imevähe juba soojusliikumise tõttu. Gravitatsioonilainete mõõtmisel on seegi probleem: seadmel tuleb eristada universumist saabuvat signaali omaenda osade rahutusest.
Üks võimalik lahendus kõlab ootamatult. Tavalise laserilaigu asemel võiks peeglile langeda valgusrõngas, mille keskkoht jääb tumedaks. Et see rõngas aga soovitud kujul püsiks, võib peegli pinda olla vaja meelega muuta.
Just sellist võimalust uurisid Université Paris Cité ja CNRS-i teadlased Liu Tao, Eleonora Capocasa ja Matteo Barsuglia. Nende arXivis avaldatud töö näitas arvutimudelis paljulubavat tulemust.
Oluline piir jookseb siiski siit: sellist peeglit uuringus valmis ei tehtud ega katsetatud. Praegu töötab lahendus arvutis.
Valgus ei pea vaatama ainult peegli keskele
Gravitatsioonilainete detektor võrdleb laserivalguse abil oma kahe pika haru pikkust. Valgus põrkab harudes peeglite vahel edasi-tagasi, aidates imeväikesi muutusi nähtavaks teha.
Ent valgus loeb paratamatult ka peeglite endi liikumist.
Tavaline laserikiir valgustab peeglit kõige tugevamalt keskelt. Rõngakujuline kiir jaotab valguse suuremale pinnale. Nii saab see eri kohtade tillukesi liikumisi paremini keskmistada: ühe väikese piirkonna värin ei määra mõõtetulemust enam nii tugevalt.
Peegel ise sellest rahulikumaks ei muutu. Muutub viis, kuidas valgus tema liikumist mõõdab.
Rõngakujulise valguse kasutamine pole uus mõte — vastavaid katseid kirjeldati näiteks juba 2010. aastal. Ahvatleva idee juures on aga visa takistus.
Valgusrõngast on raske rõngana hoida.
Kui valgus hakkab võtma valet kuju
Ka väga hoolikalt valmistatud peegel pole täiuslik. Selle pinna tillukesed kõrvalekalded võivad suunata osa valgusest soovitud mustrist teistesse mustritesse.
Probleem süveneb, kui peeglite vahel saavad samal valgussagedusel võimenduda mitu erinevat mustrit. Siis ei jää pinnavea tekitatud kõrvalekalle lihtsalt väikeseks häireks: ka soovimatu valgusmuster saab võimaluse tugevneda.
Tulemuseks on rikutud kiirekuju ja suurem valguskadu.
Uues töös keskendusid teadlased konkreetsele rõngakujulisele mustrile tähisega LG₀,₆. Selle kaitsmiseks ei püüdnud nad mudelis kõiki pinnavigu olematuks muuta. Nad lisasid peeglile hoopis hoolikalt kavandatud pinnamuutuse.
See on ringikujuliselt sümmeetriline ja muutub keskelt serva poole sujuvalt. Kõrgeima ja madalaima koha vahe on umbes 50 nanomeetrit ehk 0,00005 millimeetrit.
Miks peaks peegli tahtlik muutmine aitama?
Sest erinevad valgusmustrid langevad peegli eri piirkondadele. Seetõttu mõjutab uus pinnakuju neid erinevalt ning nihutab lahku sagedused, millel nad kõige tugevamalt võimenduvad.
Soovitud rõngas saab jätkuvalt võimenduda. Mitu konkureerivat mustrit aga enam samal sagedusel hoogu juurde ei saa.
Virgo detektori ligi kolme kilomeetri pikkust haru jäljendavas mudelis see võte töötas.
Konks: kavandatud muutuse kõrval peab pind olema erakordselt sile
Siin tuleb mängu uuringu kõige olulisem „aga”.
Tahtlikult lisatud 50-nanomeetrine pinnakuju ei tähenda, et sama suuri juhuslikke ebatasasusi võiks rahulikult lubada. Vastupidi: hea tulemus eeldas äärmiselt täpset peeglit.
Teadlased kontrollisid lahendust 600 juhuslikult muudetud peeglipinna variandiga. Vigade ruumiline iseloom lähtus mõõdetud LIGO peeglipinnast, kuid nende suuruseks valiti tulevikus saavutatavaks peetud eriti hea kvaliteet: ruutkeskmine kõrgushälve oli vaid 0,1 nanomeetrit.
Seega on peeglil kaks täiesti erinevat asja: kavandatud pinnakuju ja selle peale jäävad soovimatud vead. Esimene aitab valgusmustreid lahus hoida. Teine võib need taas segamini ajada.
Nendel tingimustel oli peegeldunud valguse arvutatud keskmine võimsuskadu ligikaudu 0,098 protsenti. Autorite võrdluses jäi see veidi alla kahekordse kao, mis saadi tavalise laserimustriga samades simulatsioonitingimustes.
See pole veel number, mis ütleks, kui palju paremini detektor gravitatsioonilaineid mõõdaks. See kirjeldab uuritud optilist kadu — üht olulist osa palju suuremast tervikust.
Ka sihtimine loeb. Millimeetrine nihe kiire ja pinnaparanduse vahel muutis tulemust vähe. Sentimeetrise nihke korral kasvas valguskadu juba protsendi suurusjärku.
Nüüd peab arvuti lubadus päris peegliga kohtuma
Järgmine otsustav samm oleks valmistada sellise pinnakujuga peegeldava kattega peegel ja proovida seda väiksemas katseseadmes.
Alles siis selgub, kas valgusmustrid püsivad lahus ka päris maailmas ning kas rõngakujulise kiire võimalik müravõit kaalub üles selle kasutamise keerukuse. Praegu on tulemused esitatud arXivi käsikirjas; eelretsenseerimise kohta kasutatud allikates teavet pole.
Ometi on idee tähelepanuväärne. Universumi kaugete kokkupõrgete paremaks mõõtmiseks ei pruugi alati vaja minna lihtsalt pikemat detektorit või võimsamat laserit.
Mõnikord võib järgmine samm peituda selles, et peeglile antakse väga täpselt „vale” kuju.
Artikkel valmis Yawni AI-agendi toimetamisel.