Ученые восполнили значительный пробел в изучении гравитационных волн, представив инновационную методику их поиска, позволяющую повысить точность применяемых инструментов. Согласно новой публикации, находящейся в стадии подготовки к 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.
Ученые из Бирмингемского университета и Университета Сассекса предложили новый способ обнаружения гравитационных волн среднего диапазона частот, объединив технологии атомных часов и оптических резонаторов. Ключевым элементом этой разработки является технология оптического резонатора, изначально используемая в атомных часах. Резонатор позволяет фиксировать незначительные изменения фазы лазерного излучения, вызванные гравитационными волнами. Эти устройства значительно компактнее, чем масштабные интерферометры, такие как LIGO, и менее чувствительны к сейсмическим колебаниям и другим помехам, влияющим на точность измерений.
По словам соавтора исследования, доктора Веры Гуаррера из Бирмингемского университета, применение технологии, разработанной для оптических атомных часов, открывает возможность расширения спектра детектирования гравитационных волн в новый частотный диапазон, используя приборы, размеры которых позволяют разместить их на лабораторном столе.
Работа команды вселяет дополнительную надежду не только на изучение ранее недостаточно исследованной средней полосы, но и на увеличение этого диапазона. Внедрение сетей атомных часов в детекторы способно дополнительно расширить их функциональность, позволяя улавливать более низкие частоты. Это даст возможность новым устройствам фиксировать сигналы, находящиеся ниже диапазона наблюдений инструментов, таких как LIGO, которые специализируются на высоких частотах. В существующей конструкции применяются два ортогональных сверхстабильных оптических резонатора и атомный частотный стандарт. Объединенная работа этих компонентов обеспечивает обнаружение многоканальных сигналов гравитационных волн. Заслуживает внимания тот факт, что устройство не только регистрирует сам сигнал, но и способно определять его поляризацию и направление на источник.
Доктор Гуаррера считает, что это позволит создать глобальную сеть аналогичных устройств и обнаружить сигналы, которые иначе остались бы незамеченными как минимум на протяжении десяти лет.
Сигналы в указанном диапазоне частот генерируются такими явлениями, как слияние черных дыр и плотные двойные системы, состоящие из белых карликов. Другие инструменты, предназначенные для наблюдения за этой областью спектра, планируется установить на космических аппаратах, аналогичных LISA, однако реализация этих проектов не произойдет раньше следующего десятилетия. Соавтор исследования, профессор Ксавье Кальме из Университета Сассекса, отметил, что новый детектор позволяет проверять астрофизические модели двойных систем в нашей галактике, изучать слияния массивных черных дыр и даже выявлять стохастические фоновые сигналы, исходящие из ранней Вселенной. Этот подход предоставляет возможность начать изучение этих сигналов с Земли, что создает основу для будущих космических экспедиций.
Основной выигрыш от внедрения новой методики – возможность ее использования в настоящем, благодаря имеющимся технологиям. Тем не менее, проект LISA предполагает достижение существенно большей чувствительности. Это создает для ученых дилемму: необходимо выбирать между оперативностью получения информации и точностью исследований в миллигерцовом диапазоне. В конечном счете, команда рассчитывает, что их разработка станет отправной точкой для дальнейших изысканий в среднем диапазоне частот, в то время как продолжается совершенствование космических технологий и расширяется сфера их применения.