Интерферометрические детекторы гравитационных волн основаны на использовании эффекта интерференции света для регистрации крайне малых изменений длины пространственных контуров, вызванных прохождением гравитационной волны (ГВ). Основной принцип заключается в том, что гравитационная волна изменяет метрические свойства пространства, вызывая колебания относительных расстояний между опорными точками детектора с амплитудами порядка 10−21–10−22.
Классическая схема детектора — это двухлучевой лазерный интерферометр с длинными перпендикулярными плечами. Свет от когерентного лазера разделяется на два луча, которые распространяются вдоль взаимно перпендикулярных оптических каналов, отражаются зеркалами на их концах и снова объединяются в фотодетекторе. При отсутствии ГВ интерференция обеспечивает стабильный нулевой сигнал на выходе. Проходя гравитационной волне, один луч удлиняется, другой укорачивается, что вызывает изменение фазового сдвига, измеряемого фотодетектором.
Ключевой момент: чувствительность интерферометра напрямую зависит от длины плеч (L) и точности измерения фазового сдвига (Δϕ), поскольку амплитуда вариации δL связана с гравитационным возмущением h через δL = hL. Для детектирования волн с h ∼ 10−21 необходимы плечи длиной несколько километров и системы стабилизации на уровне 10−18–10−19 м.
Современные интерферометрические детекторы, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, имеют несколько характерных элементов:
Лазерный источник Используются мощные лазеры с крайне малой флуктуацией частоты и интенсивности, обычно в диапазоне 100–200 Вт для непрерывного режима работы. Стабильность частоты лазера критична, так как флуктуации вносят шум, маскирующий сигнал ГВ.
Системы стабилизации и фильтрации Применяются активные и пассивные системы, включая резонаторы и подвесные системы зеркал, чтобы минимизировать механические вибрации и акустические возмущения.
Оптические резонаторы плеч Для увеличения эффективной длины плеч используются фазово-резонансные Fabry–Pérot резонаторы, которые многократно отражают свет между зеркалами, усиливая фазовый сдвиг, вызванный ГВ.
Фотодетекторы и сигналопроцессинг Сигнал с интерферометра регистрируется фотодиодами с высокой чувствительностью. Затем применяется цифровая обработка, включая фильтрацию частотного шума, корреляционный анализ и методы matched filtering для выделения сигнала на фоне стохастических шумов.
Интерферометрические детекторы подвержены множеству источников шумов:
Ключевой момент: чувствительность интерферометров имеет частотную зависимость. На низких частотах (<10 Гц) доминирует сейсмический шум, на высоких (>1 кГц) — фотонный шум, а на промежуточных частотах (100–500 Гц) достигается максимальная чувствительность, где регистрируются сигналы от слияний компактных объектов.
Для улучшения возможностей детектирования применяются следующие технологии:
Интерферометрические детекторы способны регистрировать различные типы гравитационных волн:
Режим работы детектора подразумевает непрерывный мониторинг с обработкой данных в реальном времени и последующим архивированием для поиска слабых сигналов.
Современные интерферометрические детекторы продолжают совершенствоваться. Планы включают:
Эти улучшения обеспечат возможность детектирования более редких и удаленных событий, расширяя наши знания о космических источниках гравитационных волн и структуре Вселенной.