От теории к реальности: новые способы обнаружения гравитационных волн
Гравитационные волны, подобно свету, могут иметь различные длины, которые указывают на различные источники в космосе и требуют разных типов детекторов. Гравитационные волны с длинами в несколько тысяч километров, такие как те, которые были обнаружены LIGO в США, а также их партнерами Virgo в Италии и KAGRA в Японии, в основном возникают в результате слияния пары черных дыр. Их масса превышает массу Солнца в 10 раз, или столкновения плотных космических объектов, известных как нейтронные звезды. Помимо этого, эти детекторы также способны обнаруживать гравитационные волны от некоторых типов сверхновых взрывов звезд и быстро вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами.
С другой стороны, огромные волны, охватывающие световые годы, предположительно создаются парами огромных черных дыр, масса которых многократно превышает массу Солнца. В июне этого года ученые представили первое убедительное доказательство существования таких типов гравитационных волн. Они использовали всю галактику в качестве детектора и наблюдали, как волны влияют на регулярные вспышки пульсаров, которые находятся по всему Млечному Пути
Ослепительный потенциал гравитационных волн, вызывая интерес ученых, заключается в том, что они могут раскрыть новые аспекты жизни черных дыр и других экзотических объектов в космосе. Исследователи еще не знают всего о спектре гравитационных волн, поэтому они стремятся к обнаружению новых волн, которые могут принести сюрпризы.
В нашем понимании спектра гравитационных волн все еще существует много пробелов Но имеет смысл охватить все основы. Кто знает, что еще мы можем найти?
— физик Джейсон Хоган из Стэнфордского университета.
В поисках новых границ: LISA и ее потенциал
Для обнаружения более длинных волн гравитационных волн необходимы более крупные детекторы. Один из них — миссия LISA, запланированная на середину 2030-х годов. LISA будет размещена на орбите вокруг Солнца и состоять из трех космических кораблей. Это позволит ученым наблюдать волны с длинами в миллионы километров и обнаруживать вращение черных дыр с массой, будучи миллионы раз больше массы Солнца.
Космическая лаборатория LISA будет использовать метод интерферометрии лазерных лучей для обнаружения гравитационных волн. Когда гравитационная волна проходит мимо, лазерные лучи внутри треугольника LISA интерферируют друг с другом, и это интерференционное взаимодействие позволяет обнаружить растяжение и сжатие сторон треугольника. В 2015 году проведен эксперимент на космическом корабле LISA Pathfinder, который успешно продемонстрировал возможность использования этого метода.
Обычно более длинные гравитационные волны требуют более крупных детекторов. Однако LISA позволит ученым обнаруживать волны с длиной в миллионы километров. Благодаря этому LISA сможет обнаруживать вращающиеся вокруг черных дыр, которые имеют огромную, но все же умеренную массу — в миллионы раз больше массы Солнца, а не в миллиарды.
LILA: надежда на обнаружение гравитационных волн на Луне
В рамках программы НАСА «Артемида», которая нацелена на возвращение на Луну, ученые рассматривают возможность размещения детектора гравитационных волн под названием «Лунная антенна лазерного интерферометра» или LILA. Эксперимент LILA будет позволять установить на Луне детектор гравитационных волн.
Аналогично системе LISA, LILA будет состоять из трех станций с лазерами, расположенных в форме треугольника, но длина сторон станции будет около 10 километров. Она сможет регистрировать гравитационные волны с длиной волн, достигающей нескольких десятков или сотен тысяч километров. Это позволит заполнить пробел между длинами волн, которые можно измерить при помощи космической системы LISA, и теми, что могут быть обнаружены при помощи наземной системы LIGO.
Поскольку черные дыры, ускоряются при приближении к слиянию, с течением времени они излучают гравитационные волны с все более короткими длинами. Таким образом, LILA сможет наблюдать приближение черных дыр друг к другу за несколько недель до их слияния, предупреждая ученых о предстоящем столкновении. Затем, когда длины волн станут достаточно короткими, сигнал будет обнаружен и зафиксирован земными обсерваториями, такими как LIGO, что позволит точно определить момент слияния.
Другой вариант использования Луны состоит в использовании лунной лазерной локации. При этом методе ученые используют лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной с помощью отражателей, размещенных на поверхности Луны во время предыдущих лунных миссий. Согласно исследованиям, опубликованным в журнале Physical Review D в 2022 году, этот метод также может обнаружить гравитационные волны, которые воздействуют на Землю и Луну, при условии, что отражатели на поверхности Луны будут модернизированы.
На атомарном уровне
Для измерения гравитационных волн LISA, LIGO и другие лазерные обсерватории используют метод интерференции лазерных лучей, отслеживая изменения в длине плеч их детекторов. Однако новая предлагаемая технология идет другим путем.
Этот новый метод отслеживает изменение расстояния между двумя облаками атомов, вместо того, чтобы искать изменения в длине плеч детектора. Поскольку атомы обладают квантовыми свойствами, они могут вести себя как волны и интерферировать сами с собой. Если гравитационная волна проходит, она изменяет расстояние между облаками атомов. Ученые могут обнаружить это изменение расстояния на основе квантовой интерференции.
Новый тип детектора гравитационных волн может быть основан на облаках атомов. Прототип MAGIS-100 (на фото часть аппарата) в настоящее время находится в разработке для тестирования этой технологии.
Этот метод позволяет обнаруживать гравитационные волны с длинами волн между теми, которые обнаруживаются LIGO и LISA. Важно отметить, что атомные интерферометры ранее не использовались для измерения гравитационных волн, но они могут быть весьма полезны для изучения гравитации и проверки фундаментальных законов физики.
Вперед, в прошлое!
В настоящее время идут работы по определению гравитационных волн с самых ранних стадий Вселенной. Одна из главных целей заключается в поиске следов гравитационных волн, возникших во время инфляции — периода, когда Вселенная резко расширилась вскоре после Большого взрыва. Эти гравитационные волны будут иметь очень длинные волны, достигающие до 10^21 километров или 1 секстиллион километров.
Однако в 2014 году был зарегистрирован сбой в поисках гравитационных волн, когда ученые из эксперимента BICEP2 объявили об обнаружении вихревых узоров гравитационных волн в самом древнем источнике света во Вселенной — космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Позже результаты были отменены.
Проект CMB-Stage 4 имеет целью продолжить поиск гравитационных волн с помощью создания нескольких новых телескопов. Они будут исследовать самый древний свет во Вселенной — космическое микроволновое фоновое излучение — в поисках признаков таких волн.
Изучая непознанное
Несмотря на то, что ученые имеют представление о большинстве типов гравитационных волн, они пока мало знают о самых коротких волнах, которые могут быть длиной всего несколько сантиметров.
У нас нет известного источника, способного создавать такие гравитационные волны достаточно большой амплитуды, чтобы их можно было обнаружить
— физик-теоретик Валери Домке.
Тем не менее ученые хотят исследовать возможность наличия таких крошечных волн. Они считают, что такая рябь могла возникнуть в результате событий на ранних этапах развития Вселенной, таких как фазовые переходы, когда космос переходит из одного состояния в другое, подобно тому, как вода конденсируется из пара в жидкость. Еще одна возможность — это существование крошечных первичных черных дыр, которые слишком малы, чтобы сформироваться стандартными способами и могли появиться в ранней Вселенной. Изучение физических явлений в этих режимах до сих пор недостаточно освещено, и, как отмечает Домке, даже если гравитационные волны не будут обнаружены при их поиске, это даст новую информацию для науки.
Такая загадочность гравитационных волн также отразилась на методах их обнаружения. Однако длины волн достаточно малы, чтобы увидеть их с помощью высокоточных лабораторных экспериментов, а не огромных детекторов. Ученые возможно смогут анализировать данные из предыдущих экспериментов, проведенных с другими целями, так как гравитационные волны могут взаимодействовать с электромагнитными полями аналогично гипотетическим субатомным частицам, называемым аксионами. Таким образом, эксперименты, направленные на поиск аксионов, могут также выявить наличие мини-гравитационных волн.
Исследование гравитационных волн развивается стремительно, и ученые надеются, что новые методы и детекторы помогут им проникнуть в огромный океан гравитационных волн всех размеров и откроют новые аспекты и загадки Вселенной.
