Лазерный интерферометр Майкельсона представляет собой ключевое устройство для прямого детектирования гравитационных волн (ГВ) в диапазоне частот от десятков герц до нескольких килогерц. Его работа основана на интерференции когерентного лазерного света, разделяемого на два перпендикулярных плеча, длина которых изменяется под воздействием проходящей гравитационной волны.
Ключевые компоненты интерферометра:
При прохождении гравитационной волны длины плеч интерферометра изменяются в противоположных направлениях (растяжение одного плеча сопровождается сжатием другого), что приводит к сдвигу фаз интерферирующих лучей и возникновению сигналов на фотодетекторе.
Изменение длины плеча ΔL интерферометра под действием гравитационной волны с амплитудой h можно записать как:
$$ \Delta L = \frac{1}{2} L h $$
где L — длина плеча интерферометра. Фазовый сдвиг Δϕ на выходе интерферометра связан с ΔL следующим образом:
$$ \Delta \phi = \frac{4\pi \Delta L}{\lambda} = \frac{2 \pi L h}{\lambda} $$
где λ — длина волны лазерного света.
Ключевой момент: для детекции гравитационных волн амплитуда h чрезвычайно мала (h ∼ 10−21), поэтому требуется высокостабильный лазер, эффективная изоляция от сейсмических и термических шумов, а также многократное увеличение оптического пути с помощью резонаторов.
Чтобы увеличить чувствительность интерферометра, современные установки используют резонаторы Фабри–Перро в плечах. Свет многократно отражается между двумя зеркалами, создавая эффективное увеличение длины плеча Lэфф = NL, где N — число оборотов света в резонаторе. Это позволяет усиливать фазовый сдвиг Δϕ пропорционально числу оборотов, что критично для регистрации малых амплитуд гравитационных волн.
Интерферометр Майкельсона может работать в различных режимах:
Ключевой момент: выбор правильного рабочего режима и настройка интерферометра на темный порт критичны для подавления лазерного шума и достижения детектируемого уровня амплитуды h.
Чувствительность лазерного интерферометра ограничена следующими шумами:
Квантовые шумы
Сейсмические и термические шумы
Шум лазера
Ключевой момент: успешное детектирование гравитационных волн возможно только при комплексном подавлении всех этих шумов, что требует сложных инженерных решений и глубокого понимания оптической физики.
Чувствительность интерферометра напрямую зависит от длины плеча L. Для современных детекторов:
Выбор длины связан с балансом между возможностью создания длинных вакуумных труб и требуемой чувствительностью. Длина плеч определяет резонансные свойства интерферометра и оптимальный диапазон частот детекции:
$$ f_{\text{min}} \sim \frac{c}{2 L} $$
где c — скорость света.
Современные установки используют модификации классического интерферометра Майкельсона:
Эти улучшения позволяют достигать чувствительности до h ∼ 10−23–10−24, что критически важно для регистрации сигналов от черных дыр и нейтронных звезд на расстояниях сотен миллионов световых лет.