Ученые ликвидировали масштабный пробел в исследованиях гравитационных волн, разработав новую методику их обнаружения, которая расширяет пределы точности существующих инструментов.
Как сообщается в новой статье, готовящейся к публикации в журнале Classical and Quantum Gravity, этот подход позволяет впервые наблюдать определенные астрофизические и космологические явления за счет работы в диапазоне миллигерц, так называемой «средней полосе». Данный частотный диапазон долгое время оставался недоступным, поскольку он находится в промежутке между высокочастотными сигналами, которые регистрируют наземные интерферометры, и низкочастотными наблюдениями с помощью пульсарных тайминговых массивов.
Исследователи из Бирмингемского университета и Университета Сассекса разработали метод, сочетающий технологии атомных часов и оптических резонаторов, для детектирования этих неуловимых гравитационных волн средней частоты. В основе нового метода лежит технология оптического резонатора, заимствованная из своей первоначальной области применения – атомных часов. Резонатор работает путем измерения малых фазовых сдвигов, которые возникают, когда лазерный свет проходит через гравитационные волны. Эти устройства имеют гораздо меньшие размеры по сравнению с крупными интерферометрами, такими как LIGO, и не так подвержены воздействию сейсмического и прочих видов шума, искажающих данные.
Как отметила соавтор исследования доктора Вера Гуаррера из Бирмингемского университета, использование технологии, отработанной в контексте оптических атомных часов, позволяет расширить охват детектирования гравитационных волн в совершенно новый частотный диапазон с приборами, которые помещаются на лабораторном столе.
Работа команды дает дополнительную надежду не только на исследование долгое время игнорировавшейся средней полосы, но и на расширение этого диапазона. Интеграция сетей атомных часов в детекторы может дополнительно повысить их возможности по улавливанию более низких частот. Это позволит новым устройствам улавливать сигналы ниже диапазона наблюдений таких инструментов, как LIGO, которые ориентированы исключительно на высокие частоты. В текущей конструкции используются два ортогональных сверхустойчивых оптических резонатора и атомный частотный эталон. Совместная работа этих устройств обеспечивает обнаружение многоканальных сигналов гравитационных волн. Примечательно, что устройство не только детектирует сам сигнал, но также может определять его поляризацию и направление на источник.
По словам доктора Гуарреры, это открывает захватывающую возможность создания глобальной сети подобных детекторов и поиска сигналов, которые в противном случае оставались бы скрытыми как минимум еще десятилетие.
Сигналы в этом диапазоне возникают от таких событий, как слияния черных дыр и компактные двойные системы из белых карликов. Другие технологии, нацеленные на наблюдение этой полосы, планируется разместить на космических платформах, подобных LISA, однако эти проекты будут запущены не ранее следующего десятилетия. Соавтор работы профессор Ксавье Кальме из Университета Сассекса пояснил, что новый детектор позволяет проверять астрофизические модели двойных систем в нашей галактике, исследовать слияния массивных черных дыр и даже искать стохастические фоновые сигналы от ранней Вселенной. Этот метод предоставляет инструменты для начала изучения этих сигналов с Земли, прокладывая путь для будущих космических миссий.
Главное преимущество нового процесса заключается в том, что его можно применять уже сейчас, используя доступные технологии. Впрочем, проект LISA предложит значительно более высокую чувствительность. Это ставит исследователей перед выбором между своевременностью получения данных и точностью их исследований в миллигерцовом диапазоне. В фундаментальном смысле команда надеется, что их инновация послужит основой для будущих исследований средней полосы, в то время как более совершенные космические технологии и приложения продолжают развиваться.