Калибровка детекторов гравитационных волн представляет собой процесс определения и уточнения зависимости выходного сигнала прибора от фактической амплитуды гравитационного возмущения пространства-времени. Основная цель калибровки — обеспечение точного соответствия измеряемого сигнала реальной деформации метрики h(t), вызванной прохождением гравитационной волны.
Детекторы интерферометрического типа (например, LIGO и Virgo) регистрируют гравитационные волны посредством измерения изменений длины длинных оптических плеч интерферометра. Сигнал на фотодетекторах пропорционален разности фаз света в двух плечах, которая напрямую связана с относительным изменением длины ΔL/L. Ключевая задача калибровки заключается в точном определении коэффициента пропорциональности между электрическим сигналом и физическим возмущением.
Механический актюатор Актюаторы, установленные на подвесах зеркал, способны индуцировать известные смещения зеркал с высокой точностью. Для калибровки используется несколько видов актюаторов: магнитные, пьезоэлектрические, электростатические. Основное требование — линейность отклика и минимальные собственные шумы.
Лазерный сигнал Интерферометр фиксирует фазовую разность между двумя плечами с помощью лазерного источника. При калибровке создаются эталонные сигналы, которые имитируют эффект гравитационной волны, например с помощью модуляции длины плеч или частоты лазера.
Система обратной связи Для стабилизации положения зеркал и компенсации дрейфа используют активную систему управления. При калибровке важно учитывать влияние этой системы на измеряемый сигнал, так как обратная связь может изменить амплитуду и фазу отклика.
Инжекция синусоидального сигнала На зеркала интерферометра подается синусоидальное смещение с известной амплитудой и частотой. Измеряя отклик фотодетектора, можно построить амплитудно-частотную характеристику системы, определить чувствительность и фазовые сдвиги.
Сканирование частотного диапазона Для анализа широкополосной реакции интерферометра применяют серию синусоидальных сигналов с различной частотой. Это позволяет построить полную частотную характеристику детектора и выявить резонансные пики или зоны пониженной чувствительности.
Использование модуляции лазера В некоторых системах применяют фазовую или частотную модуляцию лазерного света для создания эталонного сигнала без механического воздействия на зеркала. Этот метод снижает механические шумы и позволяет калибровать высокочувствительные диапазоны.
Метод электростатического воздействия Подача известного напряжения на электростатические актюаторы позволяет вызвать точно измеряемое смещение зеркала. Этот метод особенно эффективен на высоких частотах, где механические системы могут иметь собственные резонансы.
Амплитудная точность Определяет, насколько верно измеренный сигнал отражает действительное возмущение. Ошибки амплитуды приводят к неправильной оценке мощности гравитационной волны и массы источника.
Фазовая точность Ключевой параметр при объединении сигналов с нескольких детекторов для локализации источника и анализа поляризации. Малейшие фазовые ошибки могут привести к значительной неточности при реконструкции формы волны.
Стабильность во времени Чувствительность интерферометра может изменяться из-за термических, механических и электронных дрейфов. Регулярная калибровка позволяет контролировать эти изменения и корректировать данные.
Полоса пропускания Калибровка проводится в диапазоне всех частот, где детектор имеет чувствительность. Обычно это от десятков герц до нескольких килогерц, охватывающих спектр большинства астрофизических источников.
Для современных детекторов важна возможность онлайн-калибровки, позволяющей корректировать сигнал в реальном времени. Это достигается с помощью:
После проведения калибровки необходимо провести верификацию. Для этого применяют независимые методы: