Детектирование гравитационных волн

Гравитационные волны детектируются путем измерения мельчайших изменений, которые они вызывают в относительной длине перпендикулярных плеч гигантских лазерных интерферометров, что впервые было достигнуто коллаборацией LIGO в 2015 году.

Definition

Детектирование гравитационных волн — это измерение деформации, то есть относительного изменения расстояния, вызванного проходящей волной, осуществляемое с помощью лазерной интерферометрии на наземных базах километрового масштаба, с помощью планируемых космических интерферометров и путем измерения времени прихода импульсов от миллисекундных пульсаров на очень низких частотах.

Scope

Эта тема охватывает принцип интерферометрического детектирования, отклик L-образного интерферометра на деформацию, вызванную волной, доминирующие источники шума (сейсмический, тепловой и квантовый дробовой шум) и методы, используемые для их подавления, глобальную сеть детекторов (LIGO, Virgo, KAGRA) и планируемые космические и пульсарно-временные обсерватории, а также анализ данных с использованием согласованной фильтрации для извлечения сигналов из шума.

Core questions

• Как лазерный интерферометр преобразует деформацию пространства-времени в измеряемый сигнал?
• Какие источники шума ограничивают чувствительность и как их преодолевают?
• Как слабые сигналы идентифицируются в шуме детектора?

Key concepts

• Лазерный интерферометр
• Чувствительность к деформации
• Сейсмический и тепловой шум
• Квантовый дробовой шум
• Сеть детекторов и триангуляция
• Согласованная фильтрация

Key theories

Интерферометрическое измерение деформации

Проходящая волна изменяет длины двух перпендикулярных плеч интерферометра в противоположных направлениях, сдвигая интерференцию рекомбинированного лазерного света, так что измеренный фазовый сдвиг является прямым показателем деформации, вызванной гравитационной волной.

Детектирование с помощью согласованной фильтрации

Поскольку ожидаемые формы волн могут быть рассчитаны заранее, сигналы, значительно ниже уровня шума, извлекаются путем корреляции данных с банками теоретических шаблонов — метод, который подтвердил первое слияние черных дыр.

Clinical relevance

Технология детектирования определяет, что может наблюдать гравитационно-волновая астрономия: наземные интерферометры охватывают звуковой диапазон слияний звездных масс, планируемые космические миссии достигнут более низких частот для бинарных систем массивных черных дыр, а пульсарно-временные решетки исследуют наногерцовые волны от пар сверхмассивных черных дыр, совместно охватывая весь спектр гравитационных волн.

History

Попытки Джозефа Вебера с резонансными стержнями в 1960-х годах стимулировали развитие этой области; Вайс предложил интерферометрический подход в начале 1970-х годов, и после десятилетий разработок LIGO осуществила первое прямое детектирование в сентябре 2015 года, достижение, отмеченное Нобелевской премией 2017 года Вайсу, Торну и Бэришу.

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

Как детекторы могут измерять изменение длины меньше атомного ядра?

Используя плечи длиной в километры, мощные стабилизированные лазеры, отраженные тысячи раз, и экстремальную изоляцию от сейсмических и тепловых возмущений, интерферометры регистрируют дифференциальное изменение длины плеч порядка 10^-18 метров, которое производит гравитационная волна.

Почему требуется несколько детекторов, а не один?

Сеть подтверждает, что сигнал является астрофизическим, а не локальным шумом, и, сравнивая время прихода на широко разнесенных участках, определяет местоположение источника на небе, что крайне важно для наведения телескопов для последующих мультимессенджерных наблюдений.