Astrofizyczna kalibracja detektorów fal grawitacyjnych.
Sieć detektorów fal grawitacyjnych LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) zyskała nową metodę poprawy czułości instrumentów: nazywa się ona kalibracją astrofizyczną (ang. astrophysical calibration) i działa podobnie do automatycznego dostrajania się (ang. autotune) stosowanego w muzyce.
Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię i detektory LIGO, Virgo i KAGRA są gotowe ją zarejestrować, to ich czułość zależy od wielu czynników i może się zdarzyć, że jeden z detektorów nie będzie w pełni sprawny w tym momencie. W takich sytuacjach kluczowe staje się odpowiednie przetworzenie zebranych danych tak, aby poprawić ich jakość. Sieć detektorów dysponuje teraz nowym skutecznym narzędziem do osiągnięcia tego celu: kalibracją astrofizyczną.
Rozchodzące się fale grawitacyjne deformują czasoprzestrzeń, rozciągając ją i ściskając. Efekt ten powoduje zmianę długości ramion detektora o około $10^{⁻19}$ m — to znacznie mniej niż średnica protonu! Aby wykrywać tak niewielkie zmiany, detektory muszą być bardzo precyzyjnie kalibrowane w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem układów sprzężenia zwrotnego oraz dokładnych modeli opisujących reakcję detektora na przechodzącą falę grawitacyjną. Należy również uwzględnić wpływ samych układów sterowania. Jeśli kalibracja nie jest optymalna, „odczyt” sygnału, a tym samym interpretacja zjawiska kosmicznego, które go wywołało, mogą zostać zaburzone.
Jednak jeśli zarejestrowany sygnał fali grawitacyjnej jest wystarczająco silny — to znaczy wyraźnie dominuje nad szumem tła — porównanie go z przewidywaniami ogólnej teorii względności (wraz z porównaniem sygnałów obserwowanych przez inne detektory) może zostać wykorzystane do późniejszej re-kalibracji danych ze „źle dostrojonego” detektora.
W artykule przyjętym do publikacji w Physical Review Letters badacze z konsorcjum LIGO–Virgo–KAGRA pokazują, jak technika ta została zastosowana do dwóch szczególnie silnych i interesujących sygnałów: GW240925 i GW250207. Jak zawsze, nazwy sygnałów wskazują daty detekcji — odpowiednio wrzesień 2024 roku i luty 2025 roku. W chwili dotarcia obu tych sygnałów do Ziemi detektor LIGO Hanford (w stanie Waszyngton w USA) nie działał w optymalnych warunkach, co znacznie utrudniło interpretację zebranych przez niego danych.
Porównując przewidywane sygnały z obserwowanymi, badacze byli w stanie dokładnie określić, w jaki sposób detektor LIGO Hanford zniekształcał dane podczas wspólnych obserwacji z detektorem LIGO Livingston w Luizjanie oraz detektorem Virgo we Włoszech. W przypadku sygnału GW240925 metoda ta potwierdziła znane błędy kalibracji zmierzone bezpośrednio na miejscu. Natomiast dla GW250207 konieczne było zastosowanie kalibracji astrofizycznej, ponieważ nie były dostępne wiarygodne pomiary kalibracji wykonane na miejscu.
Wykorzystując skorygowaną kalibrację detektora LIGO Hanford, badacze ustalili, że sygnał GW240925 został wygenerowany przez dwie czarne dziury o masach 9 i 7 mas Słońca, znajdujące się w odległości około 350 megaparseków od Ziemi. Z kolei sygnał GW250207 pochodził od dwóch czarnych dziur o masach 35 i 30 mas Słońca, oddalonych od Ziemi o około 200 megaparseków. Bez właściwego uwzględnienia niepewności kalibracji oszacowania tych mas mogłyby prowadzić do nieprawidłowych wartości.
