Детектор гравитационных волн

Детектор гравитационных волн (гравитационный телескоп) — устройство, предназначенное для регистрации гравитационных волн. Согласно ОТО, гравитационные волны, образующиеся, например, в результате слияния двух чёрных дыр где-то во Вселенной, вызовут чрезвычайно слабое периодическое изменение расстояний между пробными частицами, вследствие колебания самого пространства, которое и будут регистрировать детекторы.

Наиболее распространены два типа детекторов гравитационных волн. Один из типов, впервые реализованный Джозефом Вебером (Мэрилендский университет) в 1967, 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.

В другом типе экспериментов по детектированию гравитационных волн измеряется изменение расстояния между двумя пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. В двух длинных (длиной в несколько сот метров или даже километров) перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. 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 стоит лишь какому-нибудь из зеркал сместиться на микроскопическое расстояние (причём речь идёт о расстоянии на порядки меньше световой волны — о тысячных долях размера атомного ядра), как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет.

В настоящее время гравитационные телескопы такого типа работают в рамках американо-австралийского проекта LIGO (наиболее чувствительный), немецко-английского GEO600, японского TAMA-300 и франко-итальянского VIRGO:

Проект	Расположение телескопа	Длина плеча
TAMA-300	Токио, Япония	L = 300 м
GEO600	Ганновер, Германия	L = 600 м
VIRGO	Пиза, Италия	L = 3 км
LIGO	Хенфорд, шт. Вашингтон, США	L = 2 км и 4 км
	Ливингстон, шт. Луизиана, США	L = 4 км

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

Разрабатывается эксперимент LISA, в котором лазерный интерферометр будет находиться в космосе, с длиной плеча 5 млн км и чувствительностью к сдвигу пробных масс 20 пм.

Описанные выше типы детекторов чувствительны к низкочастотным гравитационным волнам (до 10 кГц). Еще более низкочастотный сигнал (10^-2-10^-3Гц), соответствующий периодическим источникам гравитационных волн типа тесных двойных, возможно, был зарегистрирован^[1] с помощью метода, основанного на эффекте оптико-метрического параметрического резонанса^[2]. 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.

См. также

• MiniGrail — Детектор гравитационных волн
• Гравитационная антенна
• LCGT  (англ.)
• CLOVER telescope  (англ.)
• EGO — Европейская гравитационная обсерватория  (англ.)
• 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. ↑ Сипаров С.В., Самодуров В.А. Выделение составляющей излучения космического мазера, возникающей из-за гравитационно-волнового воздействия. // Компьютерная оптика №33 (1), 2009, с. 79.
2. ↑ 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.)

Ссылки

• Проект LIGO
• Проект GEO600
• Проект IGEC
• Поиск гравитационных волн
• Популярный обзор на начало 2007 г.