Фізики з США і Великобританії розробили покриття для дзеркала майбутнього телескопа Ейнштейна - гіпотетичного детектора гравітаційних хвиль, чутливість якого в сто разів перевищує чутливість LIGO/Virgo. Як покриття вчені пропонують використовувати шари аморфного кремнезема й оксиду гафнію, допованого кремнеземом. За оцінками вчених, таке покриття підвищить чутливість телескопа втричі порівняно зі звичайним покриттям і в 25 разів порівняно з LIGO/Virgo. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
В основі гравітаційних обсерваторій LIGO/Virgo лежить видозмінений інтерферометр Майкельсона - установка, в якій когерентні промені світла бігають по чотирикілометрових плечах, відбиваються від дзеркал, а потім інтерферують один з одним. Якщо крізь інтерферометр проходить гравітаційна хвиля, дзеркала ледь помітно зміщуються, довжина плечей інтерферометра змінюється, а інтерференційна картина «пливе». Зміщення дзеркал через гравітаційні хвилі так мало, що його дуже складно помітити на тлі теплових коливань. Проте, такий поділ можна провести, якщо поєднати дані з декількох установок: на кожному інтерферометрі тепловий шум різний, а сигнал від гравітаційної хвилі однаковий. Завдяки цій хитрості гравітаційні інтерферометри можуть відчути подовження плеча з точністю до 10 − 16 сантиметра - в тисячу разів менше радіусу протона.
Важливою частиною гравітаційного інтерферометра є дзеркала, які стоять на кінцях його плечей. З одного боку, щоб знизити амплітуду теплових коливань, дзеркало має витримувати низькі температури (близько десяти кельвінів). З іншого боку, дзеркало має дуже погано поглинати падаюче випромінювання - в іншому випадку воно буде нагріватися і деформуватися. Щоб домогтися обох ефектів, вчені покривають дзеркала тонкими плівками, що чергуються, з низьким і високим коефіцієнтом заломлення. Це змушує падаюче світло інтерферувати і втрачати менше енергії.
Зокрема, дзеркала інтерферометрів LIGO покриті шарами кремнезему (SiO2) і допованого оксиду танталу (Ta2O5) і охолоджені до температури трохи більше 120 кельвінів. Це дозволило довести відношення поглиненої і відображеної енергії до п'яти частин на мільйон. На жаль, у цих матеріалів є слабке місце: при більш низьких температурах механічні втрати в цих матеріалах швидко зростають, і одночасно з ними зростає амплітуда теплових коливань дзеркала (хоча температура дзеркала зменшується!). Поточному поколінню детекторів це зростання не заважає, проте в майбутньому воно буде обмежувати граничну точність детектування. Зокрема, для планованої установки «Телескоп Ейнштейна», чутливість якої в 100 разів перевищить точність LIGO/Virgo, ці матеріали вже не підходять.
Тому група фізиків під керівництвом Іена Мартіна (Iain Martin) запропонувала замінити плавлений кремнезем і оксид тантала на оксид гафнію (HfO2) і аморфний кремній (a-SiO2) відповідно. Якщо точніше, вчені використовували допований кремнієм (27 відсотків) оксид гафнію, який 24 години випалювали при температурі 400 градусів Цельсія. Це дозволило дослідникам стабілізувати матеріал, знизити його напругу і поглинаючу здатність. Вчені відзначають, що при такій обробці поглинаюча здатність аморфного кремнію також падає до мінімального значення.
Щоб оцінити ефективність заміни, фізики виміряли механічні втрати і поглинаючу здатність допованого оксиду гафнію, а потім теоретично розрахували чутливість телескопа Ейнштейна із запропонованим покриттям дзеркал. Виявилося, що при температурі 10 кельвін і частоті близько 10 герц спектральна щільність амплітуди теплових коливань дзеркала (coating thermal noise) знаходиться на рівні 2,4 ст.110 − 21 метрів на корінь герця. Це втричі менше, ніж амплітуда теплових коливань дзеркал телескопа Ейнштейна зі звичайним покриттям, і в 25 разів менше, ніж амплітуда коливань дзеркал LIGO. У той же час, поглинаюча здатність нового покриття знаходиться на колишньому рівні (близько п'яти частин на мільйон). Вчені підкреслюють, що покриття з такими характеристиками ідеально підходить для телескопа Ейнштейна, для якого потрібна спектральна щільність амплітуди теплових коливань не більше ніж 3,6... 10... 21 метрів на корінь герца.
Після останньої модифікації гравітаційні детектори LIGO/Virgo стали реєструвати гравітаційні хвилі так часто, що вчені всерйоз заговорили про нову еру досліджень космосу - еру гравітаційно-хвильової астрономії. За оцінками теоретиків, за допомогою гравітаційно-хвильових телескопів можна буде шукати первинні чорні діри та екзотичні компактні об'єкти, а також уточнити постійну Хаббла і рівняння стану речовини нейтронної зірки. Більш детально про перспективи гравітаційної астрономії можна прочитати в матеріалах «За хвилею хвиля» і «Ботаніки в невідомій країні».