Детектор гравитационных волн

Дете́ктор гравитацио́нных волн (гравитационно-волновой телескоп) — техническое устройство, предназначенное для регистрации гравитационных волн. Согласно ОТО, гравитационные волны, образующиеся, например, в результате слияния двух чёрных дыр где-то во Вселенной, вызывают чрезвычайно слабое периодическое изменение расстояний между пробными частицами вследствие колебаний самого пространства-времени. Эти колебания пробных тел и регистрирует детектор. Кроме того, такие детекторы способны измерять гравитационные возмущения геофизической природы^[1]. Так, например, на интерферометрах LIGO и VIRGO были зарегистрированы модуляции с сидерической периодичностью^[1].

Детектор гравитационных волн на базе двух резонаторов Фабри-Перо, поставленных под углом 90 град.

Гравитационная антенна

Наиболее распространены два типа детекторов гравитационных волн. Один из типов, впервые реализованный Джозефом Вебером (Мэрилендский университет) в 1967 году, представляет собой гравитационную антенну — как правило, это металлическая массивная болванка, охлаждённая до низкой температуры. Размеры детектора при падении на него гравитационной волны изменяются, и если частота волны совпадает с резонансной частотой антенны, амплитуда колебаний антенны может стать настолько большой, что колебания можно детектировать. В пионерском эксперименте Вебера антенна представляла собой алюминиевый цилиндр длиной 2 м и диаметром 1 м, подвешенный на стальных проволочках; резонансная частота антенны составляла 1660 Гц, амплитудная чувствительность пьезодатчиков — 10⁻¹⁶ м. Вебер использовал два детектора, работавших на совпадения, и сообщил об обнаружении сигнала, источником которого с наибольшей вероятностью был центр Галактики. Однако независимые эксперименты не подтвердили наблюдений Вебера. Из действующих в настоящее время детекторов по такому принципу работает сферическая антенна MiniGRAIL (Лейденский университет, Голландия), а также антенны ALLEGRO, AURIGA, EXPLORER и NAUTILUS.

Лазерный интерферометр

В другом типе экспериментов по детектированию гравитационных волн измеряется изменение расстояния между двумя пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. Использовать интерферометр Майкельсона для непосредственного обнаружения гравитационных волн впервые предложили в 1962 году советские физики М. Е. Герценштейн и В. И. Пустовойт^[2], но эта работа осталась незамеченной, а вторично эта идея была выдвинута американскими физиками в начале 1970-х годов.

Устройство интерферометрического детектора следующее: в двух длинных (длиной в несколько сот метров или даже километров) перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. Когерентный свет, например лазерный луч, расщепляется, идёт по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга (деструктивно интерферируют), и освещённость фотодетектора оказывается нулевой. Но смещение одного из зеркал на микроскопическое расстояние (~10⁻¹⁶ см, что на 11 порядков меньше длины световой волны и составляет тысячные доли размера атомного ядра) приводит к тому, что компенсация двух лучей нарушается и фотодетектор улавливает свет.

В настоящее время гравитационные телескопы такого типа работают или находятся в стадии возведения в рамках американо-австралийского проекта LIGO (наиболее чувствительный), немецко-английского GEO600, франко-итальянского VIRGO и японского KAGRA (LCGT):

Проект	Расположение телескопа	Длина плеча
KAGRA	Токио, Япония	3 км
GEO600	Ганновер, Германия	0,6 км
VIRGO	Пиза, Италия	3 км
LIGO	Хэнфорд, шт. Вашингтон, США	4 км
	Ливингстон, шт. Луизиана, США	4 км

Данные измерений детекторов LIGO и GEO600 обрабатываются с помощью проекта Einstein@Home (распределённые вычисления на тысячах персональных компьютеров).

Другие типы детекторов

Описанные выше типы детекторов чувствительны к низкочастотным гравитационным волнам (до 10 кГц). Ещё более низкочастотный сигнал (10⁻²−10⁻³Гц), соответствующий периодическим источникам гравитационных волн типа тесных двойных, возможно, был зарегистрирован^[3] с помощью метода, основанного на эффекте оптико-метрического параметрического резонанса^[4]. В эксперименте используются наблюдения космических радиоисточников (мазеров) с помощью обычного радиотелескопа. Разрабатываются и высокочастотные варианты детекторов гравитационных волн, например, основанные на взаимном сдвиге частот двух разнесённых осцилляторов или на повороте плоскости поляризации микроволнового пучка, циркулирующего по петлевому волноводу.

Выдвинута гипотеза о возможности процесса детектирования высокочастотных гравитационных волн конденсированной диэлектрической средой путем преобразования гравитационного излучения в электромагнитное^[5]

Выдвинута гипотеза о возможности детектирования низкочастотного гравитационного излучения путём использования в качестве гравитационных антенн блоков земной коры размерами 5-7*10⁶ см.^[6]

• EGO — Европейская гравитационная обсерватория^[англ.] — консорциум, созданный для управления интерферометрической антенной Virgo и связанной с ней инфраструктурой, а также для развития сотрудничества в области исследований гравитационных волн в Европе. Основан 11 декабря 2000 года французским CNRS и итальянским INFN со штаб-квартирой недалеко от Пизы, в коммуне Кашина.
• CLOVER telescope^[англ.]
• Гравитационная антенна: MiniGRAIL и пр.
• BlackGEM^[англ.] — массив оптических телескопов (три телескопа, планируется установить ещё 12), расположенный в европейско-чилийской астрономической обсерватории Ла-Силья, расположенной в чилийской части пустыни Атакама^[7]. Эта система специально разработана для обнаружения оптических аналогов источников гравитационных волн, обнаруженных с помощью Virgo и LIGO. Запущен в 2023 г.
• китайский университет Чжуншань объявил (2016) о запуске проекта «Тайцзи» по изучению гравитационных волн^[8][9].
• Разрабатывается эксперимент LISA, в котором лазерный интерферометр будет находиться в космосе, с длиной плеча 2,5 млн км и чувствительностью к сдвигу пробных масс в 20 пм.

См. также

• Гравитационная антенна
• Einstein@Home — проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
• PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.

Примечания

1. ЖЭТФ, 2014, том 146, вып.4 (10), стр. 779—793  (неопр.). Дата обращения: 19 февраля 2016. Архивировано 11 марта 2016 года.
2. ЖЭТФ, 43, 605, 1962, см. также Soviet Physics JETP, v.16, № 2, 433, 1963.
3. Сипаров С. В., Самодуров В. А. Выделение составляющей излучения космического мазера, возникающей из-за гравитационно-волнового воздействия Архивная копия от 29 октября 2013 на Wayback Machine // Компьютерная оптика № 33 (1), 2009, с. 79.
4. Сипаров С. В. A two-level atom in the field of a gravitational wave — on the possibility of parametric resonance // Astronomy & Astrophysics, № 416, 2004, с. 815—824)  (англ.) / Архивная копия от 24 февраля 2015 на Wayback Machine
5. Горелик В. С., Гладышев В. О., Кауц В. Л. О генерации и детектировании высокочастотных гравитационных волн в диэлектрических средах при их возбуждении оптическим излучением Архивная копия от 30 мая 2019 на Wayback Machine // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. 2018. Т. 45. № 2. С. 10-21.
6. Брагинский В. Б., Митрофанов В. П., Якимов В. Н. О методах поиска низкочастотных гравитационных волн // Проблемы теории гравитации и элементарных частиц. Выпуск 17. — М., Энергоатомиздат, 1986. — с. 6-8
7. Европейские астрономы запустили проект BlackGEM для поисков источников гравитационных волн Архивная копия от 16 мая 2023 на Wayback Machine //
8. Китайский университет Чжуншань объявил о запуске проекта по изучению гравитационных волн Архивная копия от 23 февраля 2016 на Wayback Machine // «Жэньминь жибао», 15.02.2016
9. КНР начала строительство по проекту изучения гравитационных волн Архивная копия от 22 марта 2016 на Wayback Machine // РИА, март 2016

Ссылки

• Проект LIGO Архивная копия от 26 января 2018 на Wayback Machine
• Проект GEO600 Архивная копия от 6 апреля 2016 на Wayback Machine
• Проект IGEC Архивная копия от 29 ноября 2012 на Wayback Machine
• Поиск гравитационных волн
• Популярный обзор на начало 2007 г.
• Проект Дулкын Архивная копия от 17 декабря 2014 на Wayback Machine