Учёные предложили неожиданный способ регистрации гравитационных волн — такой простой, что даже не верится

Учёные из Стокгольмского университета, Nordita и Университета Тюбингена предложили принципиально новый способ обнаружения гравитационных волн — по регистрации изменения цвета излучаемого атомами света (фотонов). Сегодня для этого используются километровые интерферометры. Новые детекторы, если теория будет подтверждена, позволят создавать компактные приборы для обнаружения нового класса гравитационных волн, пока недоступного для наблюдения.

Современные интерферометры гравитационных обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA ввиду своих относительно малых размеров с плечами в районе трёх километров регистрируют гравитационные волны от слияния сравнительно небольших чёрных дыр и нейтронных звёзд. Иначе говоря — высокочастотные гравитационные волны.

Для регистрации гравитационных волн от слияния сверхмассивных чёрных дыр с периодом до нескольких лет — низкочастотных — требуются детекторы с разнесением зеркал на сотни и тысячи километров, что возможно только в космосе. Такие проекты есть, и они будут реализовываться во второй половине 30-х годов. Швейцарские учёные разработали теорию, которая обещает создать компактные детекторы для наблюдения за столь большими событиями, создание которых будет намного проще, дешевле и быстрее.

Идея заключается в том, что волны при своём прохождении модулируют квантовое электромагнитное поле, которое, в свою очередь, связано со спонтанным излучением фотонов атомами. Атомы поглощают кванты энергии, возбуждаются и спустя определённое время испускают фотоны, возвращаясь в стабильные состояния. Модуляция квантового электромагнитного поля прохождением гравитационных волн слегка сдвинет частоту испускаемых фотонов, причём изменения (выраженные в цвете излучения) будут зависеть от направления движения испускаемых фотонов.

До сих пор этого не замечали, поскольку гравитационные волны не влияют на частоту (интенсивность) спонтанно испускаемых фотонов — их вклад не выражен в количественных изменениях, яркость свечения не меняется. Однако спектральные характеристики света будут меняться в зависимости от интенсивности и направления движения гравитационных волн, что теоретически уже обосновано. И это даёт надежду регистрировать чрезвычайно низкочастотные гравитационные волны на масштабе миллиметров, а не десятков тысяч километров.

Основанные на новом принципе регистрации гравитационных волн детекторы будут опираться на современные технологии атомных часов на сверххолодных атомах. Такие атомные часы чрезвычайно стабильны и могут следить за длительными событиями продолжительностью до нескольких лет, что позволит регистрировать слияния сверхмассивных чёрных дыр. Это будет прекрасная альтернатива гигантским космическим лазерным интерферометрам, реализовать которую можно гораздо быстрее, чем в классическом варианте LIGO и других обсерваторий.

Учёные говорят, что для практической реализации идеи требуется детальный анализ шумов, и первые оценки выглядят многообещающими.