Специалисты из Стокгольмского университета, Nordita и Тюбингенского университета представили инновационный метод обнаружения гравитационных волн — он основан на фиксации изменений цвета фотонов, излучаемых атомами. На сегодняшний день для этих целей применяются многокилометровые интерферометры. Если теоретические выкладки подтвердятся, новые детекторы позволят создавать компактные устройства для наблюдения за ранее недоступным классом гравитационных волн.
Источник изображения: Jerzy Michal Paczos
Существующие интерферометры гравитационных обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA из-за своих скромных размеров (с плечами длиной около трёх километров) способны фиксировать гравитационные волны от столкновений относительно небольших чёрных дыр и нейтронных звёзд. Проще говоря, они регистрируют высокочастотные гравитационные волны.
Для обнаружения гравитационных волн от слияния сверхмассивных чёрных дыр, период которых достигает нескольких лет (низкочастотные волны), необходимы детекторы с расстоянием между зеркалами в сотни и тысячи километров — это возможно реализовать только в космосе. Подобные проекты уже существуют, и их запуск запланирован на вторую половину 2030-х годов. Учёные из Швейцарии разработали теоретическую основу, которая обещает создание компактных детекторов для наблюдения за столь масштабными событиями, причём их разработка будет значительно проще, дешевле и быстрее.
Суть идеи заключается в том, что гравитационные волны при своём распространении модулируют квантовое электромагнитное поле, которое, в свою очередь, влияет на спонтанное испускание фотонов атомами. Атомы поглощают кванты энергии, переходят в возбуждённое состояние и через некоторое время излучают фотоны, возвращаясь в стабильное состояние. Модуляция квантового электромагнитного поля, вызванная прохождением гравитационных волн, незначительно сдвигает частоту испускаемых фотонов, причём эти изменения (проявляющиеся в цвете излучения) зависят от направления движения фотонов.
Ранее этот эффект оставался незамеченным, поскольку гравитационные волны не влияют на частоту (интенсивность) спонтанно испускаемых фотонов — их воздействие не проявляется в количественных изменениях, и яркость свечения остаётся неизменной. Однако спектральные характеристики света будут меняться в зависимости от интенсивности и направления гравитационных волн, что уже получило теоретическое обоснование. Это открывает перспективу регистрации чрезвычайно низкочастотных гравитационных волн на масштабе миллиметров, а не десятков тысяч километров.
Детекторы, работающие на инновационном методе фиксации гравитационных волн, будут базироваться на передовых технологиях атомных часов, использующих сверххолодные атомы. Такие часы отличаются исключительной стабильностью и способны отслеживать продолжительные процессы, длящиеся до нескольких лет, что даёт возможность фиксировать столкновения сверхмассивных чёрных дыр. Это станет отличной заменой огромным космическим лазерным интерферометрам, причём её можно воплотить в жизнь значительно быстрее, чем в классических проектах LIGO и аналогичных обсерваторий.
Исследователи отмечают, что для воплощения этой концепции на практике необходим тщательный анализ помех, и первые результаты такого анализа внушают оптимизм.
