Гравитационные волны — фундаментальное предсказание общей теории относительности Эйнштейна — долгое время оставались чисто теоретическим понятием. Их чрезвычайно малая амплитуда делала задачу обнаружения практически недостижимой. Однако уже в середине XX века начались первые попытки создания экспериментальных установок для их регистрации.
Идея регистрации гравитационных волн с помощью массивных цилиндрических резонаторов была предложена Джозефом Вебером в 1960-х годах. Его детекторы, представлявшие собой массивные алюминиевые цилиндры массой около 1,2 тонны, должны были колебаться при прохождении через них гравитационной волны. Вебер утверждал, что зафиксировал сигналы, однако последующие попытки повторения экспериментов другими группами не подтвердили его результаты. Несмотря на это, работы Вебера положили начало направлению в экспериментальной гравитационной физике.
Существенный прогресс стал возможен благодаря использованию лазерных интерферометров — устройств, способных измерять малейшие изменения расстояния с высочайшей точностью. В простейшем виде интерферометр Майкельсона разделяет лазерный луч на два перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал и интерферируют при возвращении. Гравитационная волна вызывает относительное удлинение одного плеча и сокращение другого, что приводит к изменению интерференционной картины.
Развитие технологии интерферометрии стало основой современной гравитационно-волновой астрономии.
Американский проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) стал первым детектором, реально зарегистрировавшим гравитационные волны. Два интерферометра длиной по 4 км, расположенные в штатах Луизиана и Вашингтон, были запущены в усовершенствованной версии Advanced LIGO в 2015 году. 14 сентября того же года был впервые зарегистрирован сигнал GW150914, интерпретируемый как слияние двух черных дыр.
Особенности LIGO:
Основные ограничения чувствительности интерферометров на Земле связаны с:
Для дальнейшего повышения чувствительности используются:
LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — международная миссия ESA и NASA, запуск которой запланирован на 2030-е годы. Три спутника будут формировать равносторонний треугольник со сторонами 2,5 млн км. Гравитационные волны будут регистрироваться по изменению расстояний между спутниками.
Особенности LISA:
Японский проект DECIGO и американская концепция BBO (Big Bang Observer) ориентированы на регистрацию реликтовых гравитационных волн и слияний нейтронных звёзд. Оба проекта стремятся к повышенной чувствительности в диапазоне 0.01 – 10 Гц.
Пульсары, обладающие стабильными периодами вращения, могут выступать в роли естественных космических детекторов. Гравитационные волны, проходящие между Землёй и пульсаром, вызывают крошечные флуктуации во времени прихода импульсов. Объединяя данные от десятков миллисекундных пульсаров, можно выявлять коррелированные вариации, указывающие на присутствие гравитационного фона.
Крупнейшие проекты:
В 2023 году было объявлено о первых признаках вероятного фона гравитационных волн в наногерцовом диапазоне, возможно связанного со слияниями сверхмассивных черных дыр.
Современные разработки в области атомной интерферометрии позволяют регистрировать гравитационные волны с помощью квантовых суперпозиций состояний холодных атомов, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Пример — проект MAGIS-100, экспериментально исследующий возможность регистрации гравитационных волн в среднем диапазоне частот (0.1 – 10 Гц).
Einstein Telescope (ET) — проект подземного интерферометра третьего поколения в Европе, с плечами 10 км и треугольной геометрией. Основные цели:
Американский проект Cosmic Explorer предполагает плечи длиной 40 км, что обеспечит прирост чувствительности почти на порядок. Планируемый запуск — после 2035 года.
Развитие детекторов гравитационных волн открыло новое окно в наблюдательную астрономию. Они позволяют:
Впереди — развитие мультидетекторных сетей, координация наземных и космических обсерваторий, усиление чувствительности и прецизионность регистрации. Гравитационная физика переходит из эры поиска в эпоху точной науки.