Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія

Головне завдання LIGO — експериментальне виявлення гравітаційних хвиль космічного походження. Ці хвилі вперше були передбачені в загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна в 1916 році, коли ще не існувало технологій, необхідних для їх виявлення. Вперше непрямі свідчення на користь їхнього існування були отримані Расселлом Галсом та Джозефом Тейлором при вивченні пульсара PSR B1913+16. За відкриття гіпотетичної втрати пульсаром енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, вчені були нагороджені Нобелівською премією з фізики за 1993 рік.

У серпні 2002 року обсерваторія LIGO почала безпосередній пошук доказів існування гравітаційних хвиль. Їх можна спостерігати в подвійних системах (зіткнення і взаємодії нейтронних зірок та чорних дір), при вибухах наднових зірок, поблизу пульсарів і в залишках гравітаційного випромінювання, породженого Великим вибухом. Теоретично обсерваторія може досліджувати і такі гіпотетичні явища як космічні струни та границі доменів (англ. Domain wall, кордони, що розділяють регіони двох можливих мінімумів потенціальної енергії (вакууму)).

Обсерваторія бере участь в проєкті Einstein@Home.

Південний детектор (х-рукав) інтерферометра в Генфорді

Принцип детектування. Фактичні дані на 2015 рік.[1]

LIGO складається з двох обсерваторій: в Лівінгстоні (штат Луїзіана)[2] і в Генфорді (штат Вашингтон)[3], віддалених одна від одної на 3002 кілометри. Оскільки швидкість поширення гравітаційних хвиль, як очікують, дорівнює швидкості світла, ця відстань дає різницю в 10 мілісекунд, яка дозволить визначити напрям на джерело зареєстрованного сигналу.

Основний елемент кожної обсерваторії — Г-подібна система, яка складається з двох чотирикілометрових плечей з високим вакуумом всередині. Всередині такої системи установлюється модифікованний інтерферометр Майкельсона, в кожному з плече́й якого завдяки додатковим дзеркалам з кварцевого скла утворюються резонатори Фабрі-Перо, ці дзеркала на особливому підвісі є пробними масами, відстань між якими змінює гравітаційна хвиля. Вона збільшує одне плече і одночасно скорочує друге.

Промінь лазера спочатку проходить через односторонє дзеркало, яке пропускає промінь від лазера і відбиває промінь, який повертається з інтерферометра, таким чином являючись рециркулятором потужності і дозволяючи замість 750-кіловатного лазера використовувати 200-ватний. Пізніше промінь входить в інтерферометр і розділюється світлоподільником на два промені, кожний з яких скеровується у відповідне плече інтерферометра і проходить резонатор Фабрі-Перо близько 280 разів, багаторазово відображаючись на кінці і на початку плеча, що значно підвищує чутливість інтерферометра. Пізніше промені з двох плечей складаються у фотодетекторі, і різниця ходу між ними викликає зміну струму в детекторі.

Одночасно з основним інтерферометром може бути використаний «малий» інтерферометр. Довжина плеча такого інтерферометра вдвоє менша (2 кілометри), а різкість резонаторів Фабрі-Перо в плечах та ж, що і у основного інтерферометра, що відповідає вдвоє меншому часу затухання. Внаслідок зменшення часу, теоретична розрахункова чутливість малого інтерферометра збігається з чутливістю основного інтерферометра на частотах вищих 200 Гц, але вдвічі гірша на низьких частотах.

Обсерваторія в Лівінгстоні працює з одним інтерферометром в основному режимі. В 2004 році цей інтерферометр був успішно удосконалений за рахунок установки, основаної на гідравлічних актюаторах активної системи механічного шумозаглу́шування. Така система забезпечує ослаблення вібрацій на частотах 0,1—5 Гц на порядок. У цій смузі сейсмічні вібрації обумовлені, в основному, мікросейсмічними хвилями і антропогенними джерелами (дорожнім рухом, лісозаготілею і т. д.)

У Генфордській обсерваторії поряд з інтерферометром, ідентичним до Лівінгстонського, використовують також вдвоє менший інтерферометр. Завдяки обмежній сейсмічній активності в південно-східному Вашингтоні, в Генфорді допустимо було продовжувати використовувати пасивну систему шумозаглу́шування.

11 лютого 2016 року науковці обсерваторії LIGO опублікували в журналі Physical Review Letters про успішне детектування гравітаційних хвиль у сигналі, зареєстрованому о 09:51 UTC 14 вересня 2015[4] при злитті двох чорних дір масою ~30 сонячних мас, яке відбулося 1,3 млрд років тому.[5][6] на відстані більше мільярда світлових років від Землі.[7]