Дете́ктор гравитацио́нных волн (гравитацио́нно-волново́й телеско́п) — 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. Так, например, на интерферометрах LIGO и VIRGO были зарегистрированы модуляции с сидерической периодичностью.
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, Нидерланды), 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. ПустовойтЖЭТФ, 43, 605, 1962, см. также Soviet Physics JETP, v.16, № 2, 433, 1963., 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 (~, 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 зарегистрированСипаров С. В., Самодуров В. А. Выделение составляющей излучения космического мазера, возникающей из-за гравитационно-волнового воздействия // Компьютерная оптика № 33 (1), 2009, с. 79. с помощью метода, основанного на эффекте оптико-метрического параметрического резонансаСипаров 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) / . 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 электромагнитноеГорелик В. С., Гладышев В. О., Кауц В. Л. О генерации и детектировании высокочастотных гравитационных волн в диэлектрических средах при их возбуждении оптическим излучением // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. 2018. Т. 45. № 2. С. 10-21.
Выдвинута гипотеза о возможности детектирования низкочастотного гравитационного излучения путём использования в качестве гравитационных антенн блоков земной коры размерами 5-7*106 см.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
— 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.
Гравитационная антенна: MiniGRAIL и пр. — массив оптических телескопов (три телескопа, планируется установить ещё 12), расположенный в европейско-чилийской астрономической обсерватории Ла-Силья, расположенной в чилийской части пустыни АтакамаЕвропейские астрономы запустили проект BlackGEM для поисков источников гравитационных волн //. 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 волнКитайский университет Чжуншань объявил о запуске проекта по изучению гравитационных волн // «Жэньминь жибао», 15.02.2016КНР начала строительство по проекту изучения гравитационных волн // РИА, март 2016. Разрабатывается проект 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
Ссылки Проект LIGO Проект GEO600 Проект IGEC Поиск гравитационных волн Популярный обзор на начало 2007 г. Проект Дулкын
Категория:Гравитационные эксперименты Категория:Антенны
Категория:Гравитационно-волновая астрономия