Немецкий детектор GEO600 получил апгрейд и открывает охоту на тёмную материю через гравитационные волны

Астрономия гравитационных волн, переживающая бурное развитие с момента первого детектирования в 2015 году, готовится к прорыву. Если существующие обсерватории, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, фиксируют низкочастотные сигналы в диапазоне 10–6000 Гц, то модернизированный детектор GEO600 в Институте гравитационной физики Макса Планка нацелен на захват волн с частотами до 1 МГц. Этот шаг открывает доступ к ранее недоступным космическим явлениям, включая взаимодействие чёрных дыр с облаками гипотетических ультралёгких бозонов — кандидатов в тёмную материю — и слияния первичных чёрных дыр массой меньше солнечной.

За последнее десятилетие LIGO и Virgo зарегистрировали 90 подтверждённых событий, преимущественно связанных со слияниями чёрных дыр и нейтронных звёзд. Однако теоретики предсказывают существование источников, излучающих волны на более высоких частотах. Например, быстро вращающиеся нейтронные звёзды с деформациями коры или процессы «сверхизлучения чёрных дыр», при которых они теряют энергию, взаимодействуя с облаками частиц тёмной материи. Также в зоне интереса — гипотетические компактные объекты из экзотической материи, не описываемой Стандартной моделью.

Ключевым элементом модернизации GEO600 стал Nd:YAG-лазер на кристалле алюмо-иттриевого граната с неодимом. Прежде его мощность составляла 12 Вт, что в десять раз меньше, чем у аналогов в LIGO. После обновления системы усиления лазер выдаёт 70 Вт, а благодаря технологии power recycling эффективная мощность внутри интерферометра достигает десятков киловатт. Это важно для детектирования высокочастотных сигналов, которые, в отличие от низкочастотных, быстро затухают и требуют повышенной чувствительности.

Второй компонент апгрейда — система сбора данных (DAQ). Если раньше GEO600 работал с частотой дискретизации 16 кГц, что позволяло захватывать сигналы до 8 кГц, то теперь DAQ обновлён до 4 млн измерений в секунду. Это в два раза превышает требование критерия Найквиста для частот в 1 МГц. Однако высокая чувствительность имеет обратную сторону: сужение полосы пропускания увеличивает риск пропуска сигналов за её пределами. Чтобы компенсировать это, инженеры используют метод «де-тюнинга» — динамической настройки детектора под конкретные цели, что требует тщательного планирования наблюдательных сессий.

С начала апреля команда GEO600 проводит калибровку и интеграцию систем. До конца года запланировано 10 тестовых запусков, в ходе которых проверят стабильность лазера, точность DAQ и алгоритмы обработки данных. Если всё пройдёт успешно, то к 2026 году учёные получат инструмент для исследования космоса в радикально новом «гравитационном окне».

«Раньше мы наблюдали Вселенную через узкую щель, — отмечает доктор Карстен Данцман, ведущий инженер проекта. — Сейчас эта щель превращается в широкий проём. Даже если наши гипотезы о источниках мегагерцовых сигналов окажутся неверны, то природа наверняка приготовила сюрпризы, о которых мы пока не догадываемся». Успех миссии GEO600 может не только расширить частотные границы гравитационной астрономии, но и бросить вызов современным космологическим моделям, предложив данные об объектах, предсказанных лишь в теоретических работах.