Лазерная интерферометрия в космосе является фундаментальной технологией для обнаружения гравитационных волн с частотами в диапазоне миллигерц — диапазоне, недоступном наземным детекторам из-за сейсмических и гравитационно-шумовых помех. Основной принцип основан на измерении сверхмалых изменений расстояния между удалёнными объектами с помощью интерферометрии лазерного излучения. В космическом пространстве, где отсутствуют земные шумы и атмосферные возмущения, интерферометр может достигать чувствительности до 10^-20 м/√Гц на километр масштаба.
Ключевым элементом является интерферометр с длинными базами, где базовая линия достигает миллионов километров. Изменение длины этих баз под действием проходящей гравитационной волны вызывает сдвиг фазы лазерного света, который регистрируется высокочувствительными фотодетекторами.
1. Космические аппараты и орбитальная конфигурация Интерферометр обычно состоит из трёх космических аппаратов, образующих равносторонний треугольник. Каждый аппарат оснащён лазерной системой, телескопами для передачи и приёма лазерного излучения и высокоточным устройством стабилизации положения. Орбитальная конфигурация выбирается так, чтобы обеспечить стабильное расстояние между аппаратами (например, миллионы километров) и минимизировать гравитационные возмущения со стороны планет.
2. Лазерные системы и их стабилизация Для измерений используются ультрастабильные лазеры, обычно с длиной волны 1064 нм (неодимовые лазеры). Ключевым является стабилизация частоты лазера до уровня 10^-13 — 10^-15, что достигается с помощью оптических резонаторов или атомных стандартов частоты. В космосе дополнительная стабилизация требуется для компенсации дрейфа температур и механических напряжений в лазерной системе.
3. Оптическая система передачи и приёма Передача лазерного сигнала между космическими аппаратами осуществляется через телескопы, формирующие коллимированный пучок. Приём сигнала сопровождается компенсацией расходимости луча и диффракционных потерь. Используются оптические фазовые замки, позволяющие удерживать фазу лазера синхронизированной с приёмным сигналом.
1. Интерферометрическая схема Классическая схема — это модификация Майкельсона с делением луча, адаптированная для многокилометровых дистанций. Лазерный луч делится на два пути, проходящих через различные базовые линии, и затем интерферирует при возвращении. Изменение интерференционного паттерна позволяет определить изменение длины баз, вызванное гравитационной волной.
2. Time-Delay Interferometry (TDI) В космических условиях абсолютная стабилизация длины баз невозможна, поэтому применяется метод интерферометрии с компенсацией временных задержек (TDI). Он позволяет формировать комбинации сигналов с учётом временных лагов прохождения лазера между аппаратами, что устраняет шум лазерной частоты и повышает чувствительность детектора.
3. Шумовые источники и их компенсация Основные шумы в космическом интерферометре:
В космосе лазерный интерферометр требует, чтобы тестовые массы оставались в идеальном состоянии свободного падения. Для этого каждый аппарат оснащён микропропульсионной системой, которая корректирует положение корпуса, компенсируя воздействие солнечного давления, остаточного газа и магнитных полей. Позиция тестовой массы измеряется с точностью до нанометров с помощью капацитивных или оптических сенсоров.
Ключевой момент: движение аппарата подгоняется под тестовую массу, а не наоборот, что позволяет минимизировать механические шумы и достичь требуемой чувствительности для обнаружения гравитационных волн.