Вчені запропонували несподіваний спосіб реєстрації гравітаційних хвиль

Вчені зі Стокгольмського університету, Nordita та Університету Тюбінгена запропонували принципово новий спосіб виявлення гравітаційних хвиль — через реєстрацію зміни кольору випромінюваного атомами світла (фотонів). Сьогодні для цього використовуються кілометрові інтерферометри. Нові детектори, якщо теорія буде підтверджена, дозволять створювати компактні прилади для виявлення нового класу гравітаційних хвиль, поки недоступного для спостереження.

Джерело зображення: Jerzy Michal Paczos

Сучасні інтерферометри гравітаційних обсерваторій LIGO, Virgo та KAGRA через свої відносно малі розміри з плечами в районі трьох кілометрів реєструють гравітаційні хвилі від злиття порівняно невеликих чорних дір та нейтронних зірок. Іншими словами — високочастотні гравітаційні хвилі.

Для реєстрації гравітаційних хвиль від злиття надмасивних чорних дір з періодом до кількох років — низькочастотних — потрібні детектори з рознесенням дзеркал на сотні і тисячі кілометрів, що можливо лише в космосі. Такі проекти існують, і їх реалізація запланована на другу половину 30-х років. Швейцарські вчені розробили теорію, яка обіцяє створити компактні детектори для спостереження за такими великими подіями, створення яких буде набагато простішим, дешевшим і швидшим.

Ідея полягає в тому, що хвилі, проходячи, модулирують квантове електромагнітне поле, яке, в свою чергу, пов'язане зі спонтанним випромінюванням фотонів атомами. Атоми поглинають кванти енергії, збуджуються і через певний час випромінюють фотони, повертаючись у стабільні стани. Модуляція квантового електромагнітного поля проходженням гравітаційних хвиль трохи зсуває частоту випромінюваних фотонів, причому зміни (виражені в кольорі випромінювання) залежатимуть від напрямку руху випромінюваних фотонів.

Досі цього не помічали, оскільки гравітаційні хвилі не впливають на частоту (інтенсивність) спонтанно випромінюваних фотонів — їх внесок не виражений у кількісних змінах, яскравість світіння не змінюється. Однак спектральні характеристики світла змінюватимуться в залежності від інтенсивності та напрямку руху гравітаційних хвиль, що теоретично вже обґрунтовано. І це дає надію реєструвати надзвичайно низькочастотні гравітаційні хвилі на масштабі міліметрів, а не десятків тисяч кілометрів.

Детектори, засновані на новому принципі реєстрації гравітаційних хвиль, будуть спиратися на сучасні технології атомних годинників на надхолодних атомах. Такі атомні годинники надзвичайно стабільні і можуть стежити за тривалими подіями тривалістю до кількох років, що дозволить реєструвати злиття надмасивних чорних дір. Це буде прекрасна альтернатива гігантським космічним лазерним інтерферометрам, реалізація якої можлива набагато швидше, ніж у класичному варіанті LIGO та інших обсерваторій.

Вчені кажуть, що для практичної реалізації ідеї потрібен детальний аналіз шумів, і перші оцінки виглядають багатообіцяючими.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки