Новый метод регистрации гравитационных волн: простота вместо масштабов
Исследователи из Стокгольмского университета, Nordita и Университета Тюбингена представили концепцию радикально нового метода обнаружения гравитационных волн. Вместо гигантских интерферометров они предлагают отслеживать изменения цвета фотонов, испускаемых атомами. Если теоретические расчеты подтвердятся на практике, это позволит создавать компактные детекторы, способные «видеть» гравитационные волны тех диапазонов, которые сегодня остаются недоступными для науки.
На сегодняшний день работа обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA основана на использовании километровых интерферометров. Их конструкция с плечами длиной около трех километров позволяет эффективно фиксировать высокочастотные гравитационные волны, возникающие при слиянии нейтронных звезд или относительно небольших черных дыр.
Революция в изучении низкочастотных волн
Для регистрации гравитационных волн, исходящих от слияния сверхмассивных черных дыр, требуются принципиально иные масштабы. Такие события имеют периоды, достигающие нескольких лет, а для их обнаружения нужны детекторы с зеркалами, разнесенными на сотни и тысячи километров. Реализация подобных проектов возможна только в космическом пространстве и планируется лишь на вторую половину 30-х годов.
Швейцарские ученые предложили альтернативу: компактные установки, создание которых потребует значительно меньше времени, усилий и финансовых вложений.
Как работает новый метод
В основе идеи лежит модуляция квантового электромагнитного поля проходящими гравитационными волнами. Процесс выглядит следующим образом:
- Атомы поглощают энергию и переходят в возбужденное состояние.
- В процессе возвращения в стабильное состояние они испускают фотоны.
- Проходящая гравитационная волна воздействует на электромагнитное поле, что приводит к микроскопическому сдвигу частоты этих фотонов.
- Изменение «цвета» излучения напрямую зависит от направления и интенсивности гравитационной волны.
Ранее этот эффект оставался незамеченным, так как гравитационные волны не меняют общую интенсивность (яркость) спонтанного излучения фотонов. Однако спектральный анализ позволяет зафиксировать изменения, что открывает возможность поиска чрезвычайно низкочастотных волн с помощью приборов размером всего в несколько миллиметров, а не тысяч километров.
Перспективы реализации
Основой для новых детекторов могут стать современные технологии создания атомных часов на сверххолодных атомах. Благодаря своей исключительной стабильности, такие устройства способны отслеживать процессы, длящиеся годами, что идеально подходит для фиксации слияний сверхмассивных объектов. Ученые уже проводят анализ потенциальных шумов, и предварительные данные выглядят крайне обнадеживающе для развития этого направления.
