До недавнего времени гравитационные волны могли быть плодом воображения Эйнштейна. Насколько было известно ученым, до того, как они были обнаружены, эти пульсации в пространстве-времени существовали только в общей теории относительности физиков.
Теперь у исследователей есть не один, а два способа обнаружения волн. И они ищут больше. Исследование гравитационных волн процветает, говорит астрофизик Каран Джани из Университета Вандербильта в Нэшвилле. «Это просто замечательно. Ни одна область фундаментальной физики, которую я могу вспомнить, не добилась такого быстрого прогресса».
Гравитационные волны существуют так же, как свет имеет спектр или различные длины волн. Различные длины волн указывают на разные типы космического происхождения и требуют разных типов детекторов.
Гравитационные волны с длинами волн в несколько тысяч километров — подобные тем, которые были обнаружены LIGO в США и его партнерами Virgo в Италии и KAGRA в Японии — возникают в основном в результате слияния пар черных дыр, примерно в 10 раз превышающих массу Солнца, или от столкновения плотных космических самородков, называемых нейтронными звездами ( SN: 11.02.16 ). Эти детекторы также могут обнаруживать волны от определенных типов сверхновых — взрывающихся звезд — и от быстро вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами ( SN: 5/6/19 ).
Напротив, считается, что огромная рябь, охватывающая световые годы, создается парами огромных черных дыр, масса которых в миллиарды раз превышает массу Солнца. В июне ученые сообщили о первых убедительных доказательствах существования этих типов волн , превратив всю галактику в детектор и наблюдая, как волны изменяют время регулярных вспышек пульсаров, разбросанных по всему Млечному Пути ( SN: 28.06.23 ).
Имея в руках эквиваленты как небольшой ряби, так и крупных цунами, физики теперь надеются погрузиться в огромный космический океан гравитационных волн всех видов размеров. Эта рябь может раскрыть новые подробности тайной жизни экзотических объектов, таких как черные дыры и неизвестные аспекты космоса.
«В нашем понимании спектра гравитационных волн все еще существует много пробелов», — говорит физик Джейсон Хоган из Стэнфордского университета. Но имеет смысл охватить все основы, говорит он. — Кто знает, что еще мы можем найти?
Стремление уловить весь набор гравитационных волн Вселенной может привести обсерватории в глубокий космос или на Луну, в атомный мир и в другие места.
Вот примеры некоторых из передовых ученых, которые изучают новые типы волн.
Отправиться в глубокий космос
Космическая антенна лазерного интерферометра , или LISA, на первый взгляд кажется неправдоподобной. Три космических корабля, расположенных в треугольнике со стороной 2,5 миллиона километров, будут излучать лазеры друг на друга, вращаясь по орбите вокруг Солнца. Но миссия Европейского космического агентства, запланированная на середину 2030-х годов , не является простой фантазией ( SN: 20.06.17 ). Это лучшая надежда многих ученых на проникновение в новые области гравитационных волн.
«LISA — это потрясающий эксперимент», — говорит физик-теоретик Диего Блас Теминьо из Автономного университета Барселоны и Института физики высоких энергий.
Когда гравитационная волна проходит мимо, LISA будет обнаруживать растяжение и сжатие сторон треугольника, основываясь на том, как лазерные лучи интерферируют друг с другом в углах треугольника. Эксперимент по проверке концепции с единственным космическим кораблем LISA Pathfinder, проведённым в 2015 году, продемонстрировал осуществимость метода ( SN: 7/6/16 ).
Обычно, чтобы поймать более длинные волны гравитационных волн, вам нужен детектор большего размера. LISA позволит ученым видеть волны длиной в миллионы километров. Это означает, что LISA сможет обнаружить вращающиеся вокруг черные дыры, которые будут огромными, но умеренными — в миллионы раз больше массы Солнца, а не в миллиарды.
Отправиться на луну
В рамках программы НАСА «Артемида », направленной на возвращение на Луну, ученые ищут вдохновения у соседа Земли ( SN: 16.11.22 ). Предлагаемый эксперимент под названием «Лунная антенна лазерного интерферометра» или LILA позволит разместить на Луне детектор гравитационных волн.
Если бы не человеческая деятельность и другие земные потрясения, гравитационные волны было бы легче обнаружить на Луне. «Это почти как духовное спокойствие», — говорит Яни. «Если вы хотите послушать звуки Вселенной, то в Солнечной системе нет лучшего места, чем наша Луна».
Как и LISA, LILA будет иметь три станции, излучающие лазеры, расположенные в треугольнике, хотя длина сторон этой станции будет около 10 километров. Он мог улавливать волны длиной в десятки или сотни тысяч километров. Это позволило бы заполнить пробел между длинами волн, измеряемыми космической системой LISA и наземной системой LIGO.
Поскольку орбитальные объекты, такие как черные дыры, ускоряются по мере приближения к слиянию, со временем они излучают гравитационные волны с все более и более короткими длинами волн. Это означает, что LILA сможет наблюдать, как черные дыры сближаются друг с другом в течение нескольких недель до их слияния, давая ученым предупреждение о том, что столкновение вот-вот произойдет. Затем, как только длины волн станут достаточно короткими, земные обсерватории, такие как LIGO, уловят сигнал и уловят момент столкновения.
Другой вариант на Луне будет использовать лунную лазерную локацию — метод, с помощью которого ученые измеряют расстояние от Земли до Луны с помощью лазеров благодаря отражателям, размещенным на поверхности Луны во время предыдущих высадок на Луну.
Этот метод может обнаруживать волны , сотрясающие Землю и Луну, с длинами волн между теми, которые наблюдаются методами измерения времени пульсаров и LISA, сообщили Блас Теминьо и его коллега в Physical Review D в 2022 году. Но этот метод потребует улучшенных отражателей на Луне — еще один повод вернуться.
Станьте атомарным
LISA, LIGO и другие лазерные обсерватории измеряют растяжение и сжатие гравитационных волн, отслеживая, как лазерные лучи интерферируют после прохождения длинных плеч их детекторов. Но предлагаемая технология идет другим путем.
Вместо того, чтобы искать небольшие изменения в длине плеч детектора при прохождении гравитационных волн, этот новый метод следит за расстоянием между двумя облаками атомов. Квантовые свойства атомов означают, что они действуют как волны, которые могут интерферировать сами с собой. Если гравитационная волна проходит, она меняет расстояние между атомными облаками. Ученые могут выявить это изменение расстояния на основе квантовой интерференции.
По словам Хогана, этот метод может выявить гравитационные волны с длинами волн между теми, которые обнаруживаются LIGO и LISA. Он участвует в создании прототипа детектора под названием MAGIS-100 в лаборатории Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс.
Атомные интерферометры никогда не использовались для измерения гравитационных волн, хотя они могут определять гравитацию Земли и проверять фундаментальные законы физики ( SN: 28.02.22 ; SN: 28.10.20 ). Идея «абсолютно футуристическая», говорит Блас Теминьо.
Вернуться назад во времени
Другая попытка направлена на определение гравитационных волн с самых ранних моментов существования Вселенной. Такие волны могли возникнуть во время инфляции, через несколько мгновений после Большого взрыва, когда Вселенная увеличилась в размерах. Эти волны будут иметь большую длину волны, чем когда-либо прежде — до 10 21 километра или 1 секстиллиона километров.
Но в 2014 году поиски начались с фальстарта, когда ученые, участвовавшие в эксперименте BICEP2, объявили об обнаружении гравитационных волн, запечатленных в виде вихревых узоров в самом старом источнике света во Вселенной — космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Позже иск был отменен ( SN: 30.01.15 ).
Проект под названием CMB-Stage 4 продолжит поиск с планами создания нескольких новых телескопов, которые будут исследовать самый старый свет во Вселенной в поисках признаков волн – на этот раз, будем надеяться, без каких-либо ошибок.
Идите к неизвестному
Что касается большинства типов гравитационных волн, на которые обратили внимание ученые, они немного знают, чего ожидать. Известные объекты, такие как черные дыры или нейтронные звезды, могут создавать такие волны.
Но для гравитационных волн с самыми короткими длинами волн, возможно, длиной всего несколько сантиметров, «история другая», говорит физик-теоретик Валери Домке из ЦЕРН под Женевой. «У нас нет известного источника… который на самом деле дал бы нам [эти] гравитационные волны достаточно большой амплитуды, чтобы мы могли их реально обнаружить».
Тем не менее, физики хотят проверить, существуют ли крошечные волны. Эта рябь могла быть вызвана жестокими событиями на ранних этапах истории Вселенной, такими как фазовые переходы, при которых космос переходит из одного состояния в другое, подобно тому, как вода конденсируется из пара в жидкость. Другая возможность — это крошечные первичные черные дыры, слишком маленькие, чтобы их можно было сформировать стандартными способами, которые могли родиться в ранней Вселенной. Физика в этих режимах настолько плохо изучена, что «даже если искать [гравитационные волны] и не найти их, это нам что-то скажет», — говорит Домке.
Эти гравитационные волны настолько загадочны, что методы их обнаружения также находятся в воздухе. Но длины волн достаточно малы, чтобы их можно было увидеть с помощью высокоточных лабораторных экспериментов, а не огромных детекторов.
Ученые, возможно, даже смогут перепрофилировать данные экспериментов, проведенных с другими целями. Когда гравитационные волны сталкиваются с электромагнитными полями, рябь может вести себя аналогично гипотетическим субатомным частицам, называемым аксионами ( SN: 17.03.22 ). Итак, эксперименты по поиску этих частиц может также выявить мини-гравитационные волны.
Гамма гравитационных волн
Гравитационные волны имеют спектр более коротких и длинных волн. Каждый диапазон длин волн генерируется разными источниками. Пульсары и взрывающиеся звезды или сверхновые генерируют коротковолновую рябь. Другие волны производятся парами нейтронных звезд или парами черных дыр звездной массы, масса которых менее чем в 100 раз превышает массу Солнца. Еще более длинные волны генерируются парами сверхмассивных черных дыр.
Различные длины волн можно обнаружить с помощью различных типов детекторов, включая наземные детекторы, такие как LIGO, космические детекторы, такие как LISA, и измерения вспышек от мертвых звезд, называемых пульсарами. Особенно длинные волны можно обнаружить, изучая свет, испускаемый вскоре после Большого взрыва, — космический микроволновый фон. Другие типы детекторов (не показаны) могут заполнить пробелы.
Новый взгляд
Ловить гравитационные волны — это все равно, что грести против течения: идти тяжело, но ради живописных видов оно того стоит. «Гравитационные волны действительно очень сложно обнаружить», — говорит Хоган. Потребовались десятилетия работы, прежде чем LIGO обнаружила свои первые волны, и то же самое можно сказать и о методе синхронизации пульсаров. Но астрономы сразу же начали пожинать плоды. «Это совершенно новый взгляд на Вселенную», — говорит Хоган.
Гравитационные волны уже помогли подтвердить общую теорию относительности Эйнштейна , открыть новый класс черных дыр средних масс и разоблачить фейерверк , который происходит при столкновении двух сверхплотных объектов, называемых нейтронными звездами ( SN: 11.02.16; SN: 9). /2/20; СН: 16.10.17 ).
И это еще первые дни для обнаружения гравитационных волн. Ученые могут только догадываться, что обнаружат будущие детекторы. «Есть еще много интересного», — говорит Хоган. «Это наверняка будет интересно».
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
