14 сентября 2015 года впервые удалось зафиксировать гравитационные волны, существование которых было теоретически обосновано почти столетие назад. За прошедшее десятилетие наука достигла значительных успехов в этой области. Наряду с высокочастотными измерениями, выполняемыми обсерваториями LIGO и Virgo, появилась методика низкочастотного наблюдения через сети радиопульсаров, однако средние частоты оставались вне зоны досягаемости исследователей. Теперь специалисты предложили способ ликвидировать этот пробел.
Источник изображения: University of Birmingham
Инициатива исходит от научной группы Бирмингемского университета (University of Birmingham). Разрабатываемый метод направлен на выявление гравитационных волн в миллигерцовом частотном диапазоне, что откроет возможности для изучения астрофизических и космологических феноменов, пока недоступных современным исследовательским комплексам.
Колебания пространственно-временного континуума, предсказанные Эйнштейном, первоначально регистрировались в высокочастотном спектре наземными интерферометрами LIGO и Virgo, а в 2023 году были зафиксированы в сверхнизкочастотном диапазоне при помощи радиопульсаров. Тем не менее, средние частоты продолжали оставаться неисследованной областью. Новая концепция детектирования использует прогрессивные разработки в области оптических резонаторов и атомных хронометров для捕捉 гравитационных волн в труднодоступном миллигерцовом диапазоне (10⁻⁵–1 Гц).
В недавней публикации журнала Classical and Quantum Gravity исследователи детально описали детектор, применяющий технологии оптических резонаторов, созданных для оптических атомных часов, с целью измерения минимальных фазовых смещений в лазерном излучении, вызываемых гравитационными волнами. В отличие от масштабных интерферометров с километровыми плечами, данные детекторы отличаются компактностью и повышенной устойчивостью к сейсмическим воздействиям и прочим помехам.
Каждый модуль предлагаемого миллигерцового детектора включает два взаимно перпендикулярных сверхстабильных оптических резонатора в сочетании с атомными часами, что обеспечивает многоканальный режим обнаружения гравитационных волн. Подобная архитектура не только усиливает чувствительность аппаратуры, но и даёт возможность определять поляризационные характеристики волн и координаты их источника.
По словам одного из создателей технологии: «Применяя решения, изначально разработанные для оптических атомных часов, мы получаем шанс вывести регистрацию гравитационных волн на принципиально новый частотный уровень, используя компактные установки, размещаемые в обычной лаборатории. Это создаёт впечатляющие возможности для развёртывания всемирной сети подобных устройств и обнаружения сигналов, которые иначе оставались бы недоступными для наблюдения как минимум ближайшее десятилетие».
Специалисты прогнозируют, что в миллигерцовом частотном диапазоне, условно именуемом «средней зоной», будут зафиксированы сигналы от разнообразных космологических и астрофизических объектов, включая тесные двойные системы с белыми карликами и столкновения чёрных дыр. Предстоящие космические проекты по изучению гравитационных волн, например LISA, также ориентированы на этот диапазон, однако их старт намечен лишь на 2030-е годы, в то время как детекторы с оптическими резонаторами способны приступить к исследованиям уже сегодня.
Исследователи раскрывают дальнейшие горизонты проекта: «Данная установка даст нам возможность проверять астрофизические гипотезы о двойных системах в пределах Млечного Пути, анализировать процесс слияния сверхмассивных чёрных дыр и даже обнаруживать стохастические фоновые сигналы, идущие от юной Вселенной. Этот подход позволяет приступить к изучению подобных явлений в земных условиях, прокладывая дорогу для последующих космических экспедиций».
