Детектор GEO600 модернизируется для наблюдения гравитационных волн на очень высоких частотах
Гравитационно-волновая астрономия, начавшая новую эру в изучении Вселенной с первой работы LIGO в 2015 году, продолжает стремительно развиваться. Одним из ключевых направлений этого прогресса является расширение частотного диапазона детекторов, что открывает возможность регистрации ранее недоступных сигналов. В этом контексте модернизация немецкого детектора GEO600 представляет собой значительный шаг вперед, поскольку он нацелен на обнаружение гравитационных волн в мегагерцовом диапазоне (до 1 МГц), что на порядки превышает возможности таких установок, как LIGO, Virgo и KAGRA, работающих в полосе 10–6000 Гц.
Физические основы и научные цели
Гравитационные волны высокой частоты (МГц–ГГц) теоретически могут возникать в экзотических астрофизических процессах, которые остаются недоступными для текущих детекторов. Среди наиболее перспективных источников — сверхизлучение черных дыр (black hole superradiance), при котором вращающаяся черная дыра взаимодействует с облаком сверхлегких бозонов, потенциальных кандидатов на темную материю. Этот процесс может генерировать монохроматические гравитационные волны с частотами, соответствующими массе бозонов. Другие гипотетические источники включают слияния первичных черных дыр с массами значительно меньше солнечной, а также компактные объекты, состоящие из неизвестных форм материи.
Технические инновации GEO600
Для достижения чувствительности в МГц-диапазоне GEO600 подвергся масштабной модернизации, затрагивающей две ключевые подсистемы: лазерную систему и систему сбора данных (DAQ).
1. Лазерная система:
Изначально GEO600 использовал Nd:YAG-лазер с выходной мощностью 12 Вт, что существенно уступало мощностям LIGO и Virgo (сотни ватт). В августе 2024 года была введена система усиления, увеличившая мощность до 70 Вт. Кроме того, применяется технология рециркуляции мощности (power recycling), которая многократно усиливает эффективную мощность лазера внутри интерферометра — с 12 Вт до ~10 кВт. Для нового лазера точная эффективная мощность пока не раскрывается, но ожидается, что она будет соответствовать или превосходить предыдущие показатели.
2. Система сбора данных:
Прежняя DAQ имела частоту дискретизации 16 кГц, что позволяло детектировать сигналы до 8 кГц (по критерию Найквиста). Новая система совершает 4 миллиона выборок в секунду (4 МГц), что обеспечивает регистрацию сигналов до 2 МГц с запасом. Это критически важно для поиска высокочастотных гравитационных волн, которые могут длиться всего несколько циклов.
Основная трудность заключается в балансе между чувствительностью и шириной полосы частот. Рециркуляция мощности увеличивает чувствительность, но сужает эффективный диапазон детектирования. Для компенсации этого эффекта используется метод «расстройки» (detuning), позволяющий настраивать систему на конкретные частоты. Однако это требует тщательного планирования наблюдений, так как сканирование широкого диапазона частот может снизить вероятность обнаружения слабых сигналов.
Текущий статус и перспективы
По состоянию на 2024–2025 годы GEO600 находится в фазе калибровки и тестирования обновленного оборудования. Запланировано около 10 сеансов наблюдений, в ходе которых будет проверена совместная работа всех подсистем. Успех этих испытаний может привести к первым в истории детектированиям гравитационных волн в МГц-диапазоне, что откроет новое окно во Вселенную.
Модернизация GEO600 демонстрирует, как инженерные решения расширяют границы наблюдательной астрофизики. Если проект увенчается успехом, он не только подтвердит существование экзотических источников гравитационных волн, но и может пролить свет на природу темной материи и ранние этапы эволюции Вселенной. В сочетании с данными LIGO, Virgo и будущими обсерваториями (такими как Einstein Telescope или Cosmic Explorer), высокочастотная гравитационно-волновая астрономия может стать полноценным направлением в изучении космоса.