Обнаружение стохастического фона гравитационного излучения: стратегии обработки сигналов и чувствительность

Анализируется обработка сигналов, необходимая для оптимального обнаружения стохастического фона гравитационного излучения с использованием лазерных интерферометрических детекторов. На основе базовых предположений о статистических свойствах стохастического гравитационно-волнового фона выводятся выражения для оптимальной функции фильтра и отношения сигнал/шум при взаимной корреляции выходных сигналов двух гравитационно-волновых детекторов. Затем рассчитываются уровни чувствительности, необходимые для обнаружения. Обсуждаются вопросы, связанные с (i) вычислением отношения сигнал/шум для стохастических фонов сколь угодно большой интенсивности, (ii) проведением анализа данных при нестационарном шуме детекторов, (iii) объединением данных от нескольких пар детекторов для повышения чувствительности поиска стохастического фона, (iv) взаимной корреляцией выходных сигналов четырех или более детекторов и (v) учетом возможности коррелированного шума в выходных сигналах двух детекторов. Кратко описывается компьютерное моделирование, использованное для «экспериментальной» проверки теоретических расчетов, приведенных в статье, и имитирующее генерацию и обнаружение смоделированного стохастического гравитационно-волнового сигнала на фоне смоделированного шума детекторов. Также представлены многочисленные графики и таблицы численных данных для пяти основных интерферометров (LIGO-WA, LIGO-LA, VIRGO, GEO-600 и TAMA-300). Эти материалы включают графики спектров мощности шума, функций перекрытия и оптимальных функций фильтра, а также таблицы отношений сигнал/шум и уровней чувствительности для измерений взаимной корреляции между различными парами детекторов. Изложение в данной статье должно быть доступно как теоретикам, занимающимся анализом данных, так и экспериментаторам, участвующим в разработке детекторов и сборе данных.