Гравитационные волны — это рябь в пространственно-временной ткани, предсказанная общей теорией относительности. Эти волны, распространяющиеся со скоростью света, крайне слабы и требуют исключительно чувствительных методов регистрации. Детектирование гравитационных волн основывается на измерении крошечных изменений в расстояниях между свободно подвешенными массами, вызванных прохождением волны.
Гравитационная волна, распространяясь через пространство, изменяет длину перпендикулярных направлений поочерёдно — сжимая одно и растягивая другое. Таким образом, эффективным методом обнаружения становится интерферометрия, где наблюдаются фазовые сдвиги лазерного света, проходящего по двум взаимно перпендикулярным рукавам устройства.
Наиболее успешными инструментами в наблюдении гравитационных волн являются интерферометры Майкельсона с длинными плечами. В основе лежит сравнение оптических путей лазерного луча в двух перпендикулярных рукавах. Если длины плеч неизменны, отражённые лучи приходят в детектор с одинаковой фазой, и наблюдается интерференционная картина. Прохождение гравитационной волны изменяет метрику пространства, тем самым создавая фазовую разность между лучами и меняя интерференцию.
Каждый рукав интерферометра, как правило, содержит:
Гравитационная волна характеризуется тензором возмущений hμν, а наблюдаемая величина — это разность длин плеч интерферометра:
ΔL = Lx − Ly,
где Lx и Ly — длины рукавов в направлениях x и y. Фазовый сдвиг в интерференционной картине связан с компонентами тензора гравитационной волны. Типичные амплитуды h в наблюдаемых волнах составляют порядка h ∼ 10−21, что соответствует изменениям длины порядка 10−18 м на интерферометре длиной в несколько километров.
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) состоит из двух обсерваторий: в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). Длина каждого рукава составляет 4 км. LIGO достиг чувствительности, необходимой для регистрации слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд.
Особенности:
Итальянский интерферометр VIRGO (близ Пизы) имеет длину плеч 3 км. Он использует аналогичный принцип работы, но отличается конфигурацией оптических элементов и системой подвеса зеркал. Совместная работа с LIGO позволяет локализовать источник гравитационной волны на небе.
Японский детектор KAGRA построен под землёй и использует охлаждённые зеркала для уменьшения теплового шума. Это первый интерферометр, реализовавший криогенные технологии в полном масштабе.
Проект ESA–NASA по запуску трёх спутников, формирующих равносторонний треугольник с длиной стороны ~2,5 млн км. Они будут отслеживать относительные перемещения между собой с помощью лазеров. LISA будет чувствительна к гравитационным волнам низкой частоты (10−4 − 10−1 Гц), что позволит регистрировать, например, слияния сверхмассивных чёрных дыр.
Ключевые особенности:
До появления лазерных интерферометров в 20 веке основной методикой были резонансные антенны, представляющие собой массивные металлические цилиндры (например, антенна Вебера). При прохождении гравитационной волны антенна входила в колебательный резонанс. Однако их чувствительность была на порядки ниже, чем у современных интерферометров, и надёжных наблюдений сделано не было.
Современные резонансные детекторы (например, AURIGA) имеют более высокую добротность, используют сверхпроводящие датчики (SQUID) и работают при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Из-за невероятной слабости гравитационных сигналов особое внимание уделяется изоляции от шумов. Выделяют следующие основные источники и методы борьбы:
Одна из ключевых целей гравитационно-волновой астрономии — мульти-мессенджерное наблюдение, когда сигнал гравитационной волны сопровождается электромагнитным или нейтринным всплеском. Для этого необходима точная локализация источника на небе, которая достигается за счёт:
Совместная работа LIGO–VIRGO–KAGRA уже продемонстрировала возможность быстрого оповещения астрономических обсерваторий, как это произошло при регистрации слияния нейтронных звёзд GW170817.
Будущее детектирования гравитационных волн связано с расширением чувствительности и диапазона наблюдаемых частот. Среди наиболее значимых инициатив:
Детектирование гравитационных волн стало новым окном во Вселенную, способным раскрыть информацию о самых экстремальных и ранее недоступных процессах: слияниях чёрных дыр, фазовых переходах в ранней Вселенной, струнах космоса и многом другом.