Гравитационные волны представляют собой колебания пространства-времени, предсказанные Альбертом Эйнштейном более века назад, а сегодня стали реальным инструментом астрономии. Наземные установки LIGO и Virgo уже фиксировали сигналы слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд в высокочастотном диапазоне (десятки и сотни герц). С другой стороны, особые массивы синхронизации пульсаров, наблюдающие за определёнными группами пульсаров, недавно открыли доступ к ультранизким частотам в наносекундном масштабе. Но между этими областями оставался так называемый средний диапазон, то есть миллигерцовые частоты (10⁻⁵–1 Гц), до сих пор практически недоступные наблюдениям.
Именно в этой зоне, по расчётам астрофизиков, кроется множество неизученных до сих пор источников, от тесных двойных систем белых карликов до колоссальных объектов после слияний сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. Но существующие методы не позволяли исследовать эти процессы, так как земные детекторы слишком чувствительны к сейсмическим шумам, а космическая миссия LISA, которая будет работать именно в миллигерцовом диапазоне, запланирована только на 2030-е годы.
Группа учёных из университетов Бирмингема и Сассекса предложила решение, позволяющее исследовать это белый пятно гравитационного спектра уже сегодня. В журнале Classical and Quantum Gravity они описали концепцию компактного детектора, основанного на сочетании технологий оптических резонаторов и атомных часов.
Принцип работы
В основе установки лежат два взаимно перпендикулярных сверхстабильных оптических резонатора и эталон частоты, созданный на основе оптических атомных часов. Гравитационная волна, проходя через установку, вызывает крайне малые фазовые сдвиги в пути движения лазерного луча. Благодаря высокой стабильности резонаторов и точности атомных часов эти сдвиги становятся измеримыми.
По сути, учёные перенесли технологию, доведённую до совершенства в области метрологии времени, на задачи астрофизики. Это дало возможность построить компактный детектор, то есть не многокилометровый интерферометр, а установку, которая может поместиться на лабораторном столе.
Преимущества подхода
Главное преимущество заключается в устойчивости к земным шумам. В традиционных интерферометрах, вроде LIGO, доминируют сейсмические колебания и так называемый ньютоновский шум (гравитационное воздействие движущихся масс вблизи установки). Оптические резонаторы и часы менее чувствительны к этим факторам, что открывает возможность прямых измерений в миллигерцовом диапазоне.
Доктор Вера Гуаррера (Университет Бирмингема) отмечает, что новые приборы можно объединять в сеть. Такая сеть из компактных детекторов на разных континентах позволила бы не только повышать чувствительность, но и определять направление прихода сигнала и его поляризацию.
Возможные источники сигналов
Учёные рассчитывают, что подобные установки смогут фиксировать:
- слияния белых карликов в нашей Галактике;
- процессы вблизи массивных чёрных дыр;
- стохастический фон - совокупность слабых волн, сохранившихся с эпохи ранней Вселенной.
Последний источник особенно интересен, так как его открытие стало бы новым способом изучения космологии, давая информацию о первых мгновениях после Большого взрыва.
Связь с будущими проектами
Хотя чувствительность космической миссии LISA будет значительно выше, она начнёт работу лишь через десять лет. А новая технология позволит начать исследования уже сейчас и дополнит будущие космические наблюдения. Более того, учёные предполагают, что включение подобных детекторов в существующие международные сети атомных часов расширит диапазон частот и позволит постепенно закрывать всю среднюю зону спектра.
Таким образом, предложенный метод не заменяет гигантских обсерваторий, а дополняет их, открывая миллигерцовый диапазон для практических наблюдений. Это направление может стать важным мостом между сегодняшними наземными экспериментами и будущими космическими проектами.