Физики предложили новый способ обнаружения неуловимых гравитационных волн в «среднем диапазоне». Эти волны возникают в результате существования двойных систем белых карликов и нейтронных звёзд в Млечном Пути, а также слияний чёрных дыр, но их невозможно обнаружить с помощью современных приборов.
Подход использует технологию «оптического резонатора», первоначально разработанную для оптических атомных часов, которые измеряют колебания света, излучаемого при переходе атомов между различными состояниями.
Доктор Вера Гуаррера из Бирмингемского университета в Великобритании говорит: «Используя технологию, разработанную в контексте оптических атомных часов, мы можем расширить возможности обнаружения гравитационных волн в совершенно новом диапазоне частот с помощью приборов, которые помещаются на лабораторном столе».
«Это открывает захватывающую возможность создания глобальной сети таких детекторов и поиска сигналов, которые в противном случае оставались бы скрытыми как минимум ещё десятилетие».
Предложенный подход использует две «оптические полости» — резонаторы, в которых лазерный свет отражается между точно расположенными зеркалами — под прямым углом друг к другу.
«Существенным моментом нашего подхода является то, что гравитационные волны в среднем диапазоне не деформируют жёсткий элемент резонатора, а вместо этого изменяют фазу света по мере его распространения между зеркалами», — пишут авторы исследования.
«Длина резонатора, определяемая элементом-разделителем, остаётся постоянной, в то время как оптический путь в пространстве изменяется под воздействием проходящей волны».
«Мы показываем, что современные оптические резонаторы обладают достаточной чувствительностью, чтобы их можно было легко использовать для поиска гравитационных волн в среднем диапазоне», — утверждают авторы.
Гравитационные волны возникают в результате космологических событий, в которых массивные объекты, такие как звёзды или чёрные дыры, движутся вокруг друг друга или сталкиваются, испуская рябь, которая растягивает и сжимает ткань пространства-времени.
«Поскольку астрофизические и космологические источники гравитационных волн имеют богатый спектр, охватывающий многие десятилетия по частоте — от ∼ 10−18 Гц до ∼ 1 ГГц — для работы в определённых частотных диапазонах использовались или были предложены различные методы и технологии», — объясняют авторы.
Однако, по словам исследователей, гравитационные волны среднего диапазона с частотами от 0,001 до 1 Гц «практически не изучены».
Профессор Ксавье Кальмет из Университета Сассекса в Великобритании добавляет: «Этот детектор позволяет нам проверять астрофизические модели двойных систем в нашей галактике, исследовать слияния массивных чёрных дыр и даже искать стохастические фоны ранней Вселенной».
В настоящее время разрабатывается несколько новых технологий для наблюдения за гравитационными волнами среднего диапазона, таких как космические лазерные интерферометры LISA (Laser Interferometer Space Antenna), Taiji и TianQin, атомные интерферометры и оптические атомные часы на спутниках.
Однако до запуска этих программ остаётся ещё более десяти лет. Предложенный исследователями детектор с оптической полостью, хотя и менее чувствителен, может быть использован немедленно и с меньшими затратами для исследования среднего диапазона.
«С помощью этого метода у нас есть инструменты, позволяющие начать исследование этих сигналов с Земли, открывая путь для будущих космических миссий», — говорит Кальмет.
Исследование опубликовано в журнале Classical and Quantum Gravity.