V-kosmose.com

Ученые разрабатывают другой тип детектора гравитационных волн

Физики Джейсон Хоган и Марк Касевич разрабатывают методику измерения гравитационных волн меньшего масштаба. Источник: L.A. Cicero

Спрятанная глубоко в подвале в Стэнфорде, стоит труба высотой 10 метров, которая завернута в металлическую клетку и обмотана проводами. Барьер отделяет её от главной комнаты, за которой труба простирается на три этажа до аппарата с ультрахолодными атомами, готовыми выстрелить вверх. Специальные плиты, снабженные лазерами для стрельбы по атомам и анализа их реакции на такие силы, как гравитация, заполняют остальную часть лаборатории.

Труба представляет собой атомный интерферометр - специально созданное устройство, предназначенное для изучения волновой природы атомов. Согласно квантовой механике, атомы существуют одновременно как частицы и волны. Стэнфордский инструмент представляет собой модель амбициозного нового инструмента, в десять раз превышающего его размеры, который можно было бы использовать для обнаружения гравитационных волн - незначительных пульсаций в пространстве-времени, создаваемых энергией, рассеивающейся движущимися астрономическими объектами. Инструмент также мог бы пролить свет на другую тайну Вселенной: темную материю.

Стэнфордские физики-экспериментаторы Джейсон Хоган и Марк Касевич никогда не предполагали, что их устройство будет реализовано таким образом. Когда Хоган начал свою аспирантуру в лаборатории Касевича, он сосредоточился на проверке влияния гравитации на атомы. Но разговоры с физиком-теоретиком Савасом Димопулосом, профессором физики, и его аспирантами заставили Хогана задуматься об использовании его инструмента в качестве высокочувствительного детектора.

«Мы просто говорили о физике, как это часто делают физики», - говорит Касевич, профессор физики и прикладной физики в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук. Одна мысль шла за другой, и группа остановилась на смелом плане создания атомного интерферометра, способного обнаруживать гравитационные волны, которые никто раньше не видел.

Новый метод обнаружения

В 2015 году Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория (LIGO) обнаружила короткий сигнал от столкновения двух сверхмассивных черных дыр, расположенных на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли. С тех пор LIGO обнаруживает все больше гравитационных волн, проходящих через Землю, предоставляя астрономам новый материал для изучения Вселенной.

Гравитационные волны - это пульсации в пространстве-времени, очень похожие на океанические волны, за исключением того, что они искажают пространство, а не воду. Теоретически, любая ускоряющаяся масса, будь то махающая рука или вращающаяся планета, производит гравитационные волны. Эти движения, однако, происходят на уровнях намного ниже нашей способности обнаруживать их. Только гравитационные волны от огромных астрономических явлений вызывают достаточно большие сдвиги в пространстве-времени, чтобы они могли быть распознаны датчиками на Земле.

Так же, как разные частоты составляют электромагнитный спектр, гравитационные волны также различаются. LIGO и другие современные детекторы гравитационных волн обнаруживают очень узкий диапазон: высокочастотные волны, такие как волны, возникающие в момент столкновения двух черных дыр. Но другие части спектра гравитационных волн остаются неисследованными. И точно так же, как астрономы могут узнавать что-то новое о звезде, изучая ее ультрафиолетовое излучение в сравнении с ее видимым светом, анализ данных с других частот гравитационных волн может помочь раскрыть тайны космоса, которые в настоящее время недоступны, в том числе о ранней Вселенной.

Во время обучения в аспирантуре Хоган он и его коллеги создали атомный интерферометр 10-метровой высоты, чтобы проверить некоторые из их идей. Однако для повышения чувствительности устройства, необходимого для обнаружения пространственно-временных колебаний, меньше ширины протона, им был необходим большой детектор. И так родился экспериментальный интерферометрический датчик атомного градиометра с матрицей 100 метров, или MAGIS-100.

С помощью гранта в размере 9,8 млн. долларов от Фонда Гордона и Бетти Мур ученые планируют построить этот инструмент в Фермилабе, Национальной лаборатории Министерства энергетики в Иллинойсе, новом доме MAGIS-100.

Концептуально MAGIS-100 будет работать аналогично LIGO. В обоих экспериментах используется свет для измерения расстояния между двумя испытательными массами - очень похоже на измерение дальности с помощью радиолокатора. Но в то время как у LIGO есть зеркала, MAGIS-100 использует атомы.

«Атом оказывается удивительной испытательной массой для этих целей», - сказал Хоган. «У нас есть очень мощные методы для манипулирования им и обеспечения его нечувствительности ко всем фоновым источникам шума».

Зеркала LIGO висят на стеклянных нитях, что означает, что землетрясение может вызвать срабатывание датчиков. MAGIS-100, с другой стороны, принимает меры для предотвращения воздействия таких внешних источников постороннего шума.

После охлаждения до доли градуса выше абсолютного нуля, атомы падают вертикально в шахту, как капли воды из крана. Холодная температура переводит атомы в состояние покоя, поэтому они остаются неподвижными при падении, а поскольку вал представляет собой вакуум, атомы падают без риска отклонения от курса. Вертикальная ориентация вала также гарантирует, что сотрясение Земли не повлияет на измерения.

Затем лазеры воздействуют на атомаы, и команда может измерить, как долго они находятся в возбужденном состоянии. Хоган и Касевич надеются использовать стронций в качестве тестовой массы - тот же элемент, который используется в атомных часах - чтобы определить, есть ли какие-либо временные задержки, когда свет возбуждает атомы. Задержка предполагает, что гравитационная волна прошла.

Кроме того, ученые MAGIS-100 могут использовать атомные данные для проверки прогнозов, сделанных моделями темной материи. Согласно некоторым моделям, присутствие темной материи может привести к изменениям уровней атомной энергии. Сверхчувствительная лазерная технология позволяет искать эти варианты.

Источник: https://phys.org/news/2019-09-kind-gravitational-detector.html