Детектор GEO600

Детектор GEO600 является интерферометрическим инструментом для регистрации гравитационных волн, разработанным совместно Германией и Великобританией и расположенным близ города Ханн, Германия. В основе его конструкции лежит лазерный интерферометр типа Майкельсона с добавлением усиления за счет резонаторов Фабри–Перо в плечах интерферометра. Основная задача GEO600 — обнаружение крайне слабых колебаний пространственно-временного континуума, вызываемых проходящими гравитационными волнами.

Ключевые компоненты конструкции:

  • Лазерная система: Используется Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм. Стабилизация частоты лазера является критическим элементом, так как даже незначительные флуктуации приводят к снижению чувствительности детектора.
  • Интерферометр Майкельсона с резонаторами: Каждое плечо длиной 600 м оснащено зеркалом, образующим резонатор Фабри–Перо. Это позволяет многократно отражать лазерный луч, усиливая его взаимодействие с потенциальной гравитационной волной.
  • Система подвески зеркал: Массивные зеркала подвешены на многослойных системах для подавления сейсмических шумов. GEO600 применяет уникальную технологию “суперпроводящего подвеса”, снижающего механические колебания до минимума.
  • Система вакуума: Вся оптическая система расположена в ультра-высоком вакууме (давление порядка 10−9 мбар) для исключения рассеяния света на молекулах воздуха.

Особенности работы и инновации

GEO600 отличается от своих более длинных собратьев LIGO и Virgo использованием коротких плеч интерферометра, что делает его особенно чувствительным в высокочастотной области (от 500 Гц до 5 кГц). Для компенсации сравнительно короткой длины плеч была внедрена система “Dual-Recycled Interferometry”, включающая:

  1. Power Recycling Mirror — зеркала, возвращающие свет, отраженный от интерферометра, обратно для увеличения мощности лазерного луча внутри интерферометра.
  2. Signal Recycling Mirror — зеркала, усиливающие сигнал, приходящий с частотами, характерными для потенциальных источников гравитационных волн, таких как слияния нейтронных звезд.

Эта технология позволяет значительно повысить чувствительность детектора без необходимости увеличения длины плеч.

Источники шумов и пределы чувствительности

Чувствительность GEO600 ограничена рядом факторов:

  • Квантовый шум: Состоит из флуктуаций фазы и флуктуаций амплитуды лазерного излучения. На высоких частотах преобладает шум квантовой фазы, а на низких — квантовая амплитуда.
  • Сейсмический шум: Несмотря на сложную систему подвески, на частотах ниже 50 Гц воздействие землетрясений и вибраций зданий существенно ограничивает детектор.
  • Термический шум зеркал и подвески: Колебания атомов стекла и подвесок создают фон, особенно заметный в диапазоне 50–500 Гц.
  • Шум лазера и электроники: Любые нестабильности лазера или электроники могут имитировать сигнал гравитационной волны.

Для снижения этих шумов используются активные и пассивные системы стабилизации, в том числе фидбек-контроль частоты лазера, активные виброизоляционные платформы и охлаждение ключевых компонентов.

Методы регистрации и анализа сигналов

GEO600 осуществляет регистрацию с помощью фазовой интерферометрии, где проходящий через интерферометр лазерный луч изменяет фазу в зависимости от деформаций пространства, вызванных гравитационными волнами. Основные этапы анализа сигналов:

  1. Сбор данных с фотодетекторов на выходе интерферометра.
  2. Применение фильтров и алгоритмов подавления шумов, включая когерентное исключение шумов, присутствующих одновременно в нескольких датчиках.
  3. Сравнение сигналов с теоретическими моделями, полученными из общей теории относительности для различных источников: слияний компактных объектов, коллапсов сверхновых, реликтовых космологических волн.
  4. Корреляция с другими детекторами, такими как LIGO и Virgo, для подтверждения реальности сигнала.

Научные достижения и роль GEO600

Хотя GEO600 уступает по длине плеч более крупным детекторам, он стал важной платформой для разработки новых технологий, включая:

  • Технологии квантового сжатия шума (squeezed light), применяемые сейчас в LIGO и Virgo.
  • Продвинутые системы активной стабилизации лазеров и зеркал.
  • Методы обработки сигналов в условиях низкого отношения сигнал/шум.

Кроме того, GEO600 активно участвует в глобальной сети детекторов гравитационных волн, предоставляя критическую информацию для локализации источников и подтверждения событий, зарегистрированных другими интерферометрами.

Оглавление