Интерферометры LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и Virgo представляют собой сложнейшие высокоточные приборы, созданные для детектирования гравитационных волн — ряби в пространственно-временной ткани, предсказанной общей теорией относительности Эйнштейна. Их основная идея базируется на интерференции света, позволяющей фиксировать чрезвычайно малые изменения длины плеч интерферометра, вызванные прохождением гравитационной волны.
Интерферометр состоит из перпендикулярных друг к другу вакуумных труб длиной несколько километров, внутри которых лазерный луч разделяется на два, проходит по каждому плечу, отражается от зеркал и затем снова объединяется. Прохождение гравитационной волны изменяет длину одного плеча относительно другого, что вызывает фазовое смещение световых волн и, соответственно, изменение интерференционной картины на фотодетекторе.
Основой системы служит высокостабильный инфракрасный лазер (Nd:YAG, 1064 нм), мощность которого может достигать десятков ватт. Для обеспечения стабильности излучения используются фазовые и амплитудные стабилизаторы, а также усилители, позволяющие увеличить мощность, подаваемую в интерферометр.
Пучок лазера делится на два при помощи полупрозрачного зеркала — светоделителя. Лучи направляются в два плеча длиной 4 км (в случае LIGO) и 3 км (в случае Virgo). В каждом плече размещены подвешенные на многоступенчатых демпфирующих системах зеркала с высокой отражающей способностью. Эти зеркала образуют Фабри-Перо резонаторы, увеличивающие эффективную длину плеч за счёт многократных отражений лазерного луча.
Ключевой задачей является изоляция от сейсмических и тепловых шумов. Зеркала подвешены на сложной системе демпфирующих подвесов (подвески из стекловолокна, маятники и пружины), подавляющей вибрации. Система активной и пассивной изоляции обеспечивает чувствительность к перемещениям зеркал на уровне 10−19 м.
После обратного объединения двух пучков в светоделителе, результирующая интерференционная картина фиксируется фотодиодами. В отсутствие гравитационных волн пучки гасят друг друга (тёмный порт), но при изменении относительной длины плеч возникает ненулевая интенсивность, которую можно точно измерить.
Гравитационные волны вызывают растяжение и сжатие пространства в перпендикулярных направлениях. Если волна распространяется перпендикулярно плоскости интерферометра, то одно плечо удлиняется, другое укорачивается. Это приводит к изменению фазы лазерного света в одном плече относительно другого:
$$ \Delta \phi = \frac{4\pi L h}{\lambda} $$
где L — длина плеча, h — амплитуда гравитационной волны, λ — длина волны лазера.
Чувствительность ограничивается шумами: квантовыми флуктуациями (shot noise), тепловыми колебаниями, сейсмическими возмущениями и прочими техническими эффектами. Использование квантовых технологий, таких как squeezed light, позволяет подавлять некоторые из этих шумов.
Каждый из двух детекторов LIGO (в Хэнфорде и Ливингстоне, США) построен по одинаковой схеме. Их разнесение по территории США позволяет отличать локальные шумы от истинного гравитационного сигнала, поскольку гравитационная волна приходит на оба детектора с разницей во времени.
Основные параметры:
Обработка сигнала ведётся в режиме реального времени с использованием сверхточных моделей источников гравитационных волн.
Расположенный в Италии (близ Пизы), интерферометр Virgo имеет аналогичную архитектуру, но с рядом отличий:
Virgo предоставляет критически важную географическую точку для триангуляции источников гравитационных волн, а также для повышения достоверности детекции за счёт кросс-корреляции между сигналами с LIGO.
Совместная работа LIGO и Virgo позволяет не только повысить чувствительность к событиям, но и улучшить локализацию источников на небесной сфере. Для гравитационной волны, зарегистрированной всеми тремя детекторами, можно определить:
Совместный анализ сигналов требует согласованных шаблонов сигналов, методов фильтрации и моделей источников (например, слияние черных дыр или нейтронных звёзд).
Работа LIGO и Virgo — часть глобальной сети гравитационно-волновых детекторов. К ней также присоединились японский детектор KAGRA и перспективный индийский проект LIGO-India. Цель — создание интерферометрической сети, охватывающей всю Землю, что обеспечит высокоточную астрофизическую и космологическую информацию.
Кроме того, планируется внедрение новых технологий:
Это позволит регистрировать больше сигналов с более высокой точностью, включая события от массивных чёрных дыр, первичных гравитационных волн и других экзотических источников.
Интерферометры LIGO и Virgo открыли новую эпоху — гравитационно-волновую астрономию. Благодаря их работе стало возможным напрямую наблюдать такие явления, как:
Эти наблюдения дают уникальную информацию о сильнополевой гравитации, структуре нейтронных звёзд, уравнении состояния сверхплотной материи, скорости расширения Вселенной (через стандартные сирены) и многих других аспектах фундаментальной физики.