Гравитационные волны — это возмущения пространственно-временного континуума, распространяющиеся со скоростью света, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Их регистрация требует исключительно высокой чувствительности, так как амплитуды волн крайне малы, обычно порядка 10−21 для источников, удалённых на сотни миллионов световых лет.
Детекторы гравитационных волн используют интерферометрический принцип: два взаимно перпендикулярных плеча фиксированной длины подвергаются измерению изменений длины при прохождении гравитационной волны. Ключевая задача — детектировать сверхмалые колебания длины, которые сопоставимы с долями протонного диаметра.
Основной принцип интерферометра основан на интерференции света. Лазерный луч делится на два перпендикулярных луча с помощью полупрозрачного зеркала. Эти лучи отражаются от зеркал на концах плеч и возвращаются обратно. При отсутствии гравитационной волны длины плеч равны, и лучи интерферируют так, что создаётся минимальная интенсивность на фотоприёмнике. Прохождение гравитационной волны вызывает асимметричное растяжение и сжатие плеч, меняя фазу лучей, что приводит к изменению интенсивности интерференционной картины. Из этой разницы можно восстановить амплитуду и форму гравитационной волны.
Для достижения требуемой чувствительности применяются сверхстабильные лазеры с длиной волны порядка 1064 нм и мощностью до сотен ватт. Стабилизация частоты и мощности лазера критична, так как любые флуктуации могут маскировать сигнал. Используются многоступенчатые системы стабилизации, включая оптические резонаторы и активную обратную связь.
Зеркала детектора изготавливаются из ультрачистого материала с низким коэффициентом теплового шума, чаще всего из кремния или сапфира. Они подвешиваются на многокаскадных механических подвесках, снижающих вибрации от земли. Каждый подвес представляет собой комбинацию маятников и демпфирующих элементов, обеспечивающих подавление шумов в диапазоне частот детектирования.
До интерферометров основными приборами считались резонансные барные детекторы. Они представляли собой массив металлических цилиндров (баров) из высокоплотного материала (обычно алюминия или стали), которые могли резонировать при прохождении гравитационной волны. Амплитуда колебаний считывалась с помощью сверхчувствительных магнитных или емкостных датчиков. Барные детекторы чувствительны к узкому диапазону частот, что ограничивало их использование по сравнению с интерферометрическими системами широкого диапазона.
Совместная работа нескольких детекторов позволяет определять направление на источник с помощью временных задержек между сигналами. Используются алгоритмы корреляции, matched filtering и машинного обучения для отделения сигнала от шумов. Регистрация нескольких событий одновременно повышает достоверность и позволяет изучать физику источников: слияния черных дыр, нейтронных звезд и другие экзотические процессы.
Совершенствование детекторов включает увеличение мощности лазеров, улучшение материалов зеркал, расширение диапазона частот и внедрение квантовых технологий снижения шума. Ожидается, что в ближайшие десятилетия комбинация наземных и космических детекторов позволит исследовать гравитационные волны с ранее недоступной чувствительностью, открывая новые горизонты в астрофизике и физике фундаментальных взаимодействий.