Детекторы LIGO

Детекторы LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) представляют собой интерферометры огромной протяженности, предназначенные для регистрации гравитационных волн (ГВ) с экстремально малой амплитудой. Основным элементом является двухрукавный интерферометр Майкельсона с оптическими резонаторами Фабри–Перо в каждом из плеч длиной 4 км.

Гравитационная волна, проходя через интерферометр, вызывает изменение длины рукавов интерферометра: один удлиняется, другой укорачивается, и наоборот. Эти колебания приводят к изменению интерференционного сигнала на фотодетекторе, что позволяет измерить деформацию пространства с точностью до долей диаметра протона.

Ключевые аспекты работы LIGO:

  • Используется лазер с высокой стабильностью частоты (Nd:YAG, λ = 1064 нм).
  • Зеркала с высоким коэффициентом отражения обеспечивают многократное прохождение света по рукавам, что усиливает чувствительность.
  • Интерферометр настроен на темное пятно: в отсутствие гравитационных волн интенсивность на детекторе минимальна, а любое изменение интенсивности сигнализирует о прохождении ГВ.

Архитектура и оптическая схема

Каждый детектор LIGO состоит из нескольких ключевых элементов:

  1. Источник когерентного лазерного излучения – обеспечивает стабильный и узкополосный луч.
  2. Система стабилизации лазера – поддерживает постоянную частоту и мощность излучения, минимизируя шум.
  3. Интерферометр с двумя рукавами по 4 км – плечи ортогональны, чтобы улавливать различные поляризации ГВ.
  4. Зеркала и подвески – высокоточные подвески уменьшают влияние сейсмических и термических колебаний.
  5. Фотодетекторы и система обработки сигналов – преобразуют изменения интерференционного рисунка в электрический сигнал, который затем анализируется.

Схема усиления чувствительности:

  • В каждом рукаве установлен резонатор Фабри–Перо, многократное отражение увеличивает эффективную длину пути света до 1120 км.
  • На входе используется система предзеркал (power recycling), возвращающая неиспользованный свет обратно в интерферометр.
  • На выходе применяется система фильтров и сигнальных резонаторов (signal recycling), усиливающая чувствительность в целевом диапазоне частот.

Основные источники шумов и методы их подавления

Чувствительность LIGO ограничена различными типами шумов:

  1. Сейсмический шум – вибрации Земли.

    • Решение: многоуровневая система подвесок, активная компенсация с помощью сенсоров движения.

  2. Термический шум – флуктуации зеркал и подвесок.

    • Решение: использование низких температур и материалов с высоким качественным фактором (fused silica).

  3. Квантовый шум лазера – шум флуктуаций фотонов (shot noise).

    • Решение: внедрение сжатого света (squeezed light) для уменьшения квантовых флуктуаций.

  4. Систематические шумы и дрейф – магнитные, акустические и электрические помехи.

    • Решение: экранирование, активная стабилизация, калибровка.

Диапазон чувствительности и наблюдаемые сигналы

LIGO способен регистрировать деформации длины порядка 10⁻²¹, что соответствует смещению зеркала на долю протонного диаметра.

Диапазон частот: 10–5000 Гц, что позволяет фиксировать следующие типы источников:

  • Слияния черных дыр (10–1000 Гц) – кратковременные, но мощные сигналы.
  • Слияния нейтронных звезд – более длительные сигналы с частотной модуляцией.
  • Постоянные источники – например, вращающиеся нейтронные звезды.
  • Стохастический фон – слабый, но статистически различимый сигнал от всех возможных ГВ в наблюдаемой Вселенной.

Калибровка и обработка сигналов

Для точной интерпретации данных необходима постоянная калибровка:

  • На зеркала подаются известные модульные силы, создавая контролируемое смещение.
  • Сравнение теоретического отклика интерферометра с измеренным сигналом позволяет корректировать данные.

Обработка сигналов включает:

  1. Фильтрацию шумов – исключение сейсмических, акустических и электрических помех.
  2. Сопоставление с теоретическими моделями (matched filtering) – позволяет обнаруживать слабые сигналы на фоне шума.
  3. Совместный анализ с другими детекторами (VIRGO, KAGRA) – повышает достоверность и локализует источник.

Значение детекторов LIGO для науки

  • Первое прямое подтверждение существования гравитационных волн (2015 г., GW150914).
  • Измерение масс и спинов черных дыр и нейтронных звезд.
  • Проверка общей теории относительности в экстремальных гравитационных полях.
  • Открытие новой области астрономии – гравитационно-волновой астрономии, которая дополняет наблюдения в электромагнитном диапазоне.
Оглавление