Неочакван пробив в космологията: Гравитационните вълни може да се крият в светлината, излъчвана от атомите

Учените от Стокхолмския университет, Nordita и Университета в Тюбинген предложиха принципно нов метод за откриване на гравитационни вълни — чрез регистриране на промяната в цвета на излъчваната от атомите светлина (фотоните). Днес за тази цел се използват километрови интерферометри. Новите детектори, ако теорията бъде потвърдена, ще позволят създаването на компактни устройства за откриване на нов клас гравитационни вълни, които досега бяха недостъпни за наблюдение.

Съвременните интерферометри на гравитационните обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA, поради относително малките си размери с рамена около три километра, регистрират гравитационни вълни от сливането на сравнително малки черни дупки и неутронни звезди. С други думи — високочестотни гравитационни вълни.

За регистриране на гравитационни вълни от сливането на свръхмасивни черни дупки с период до няколко години — нискочестотни вълни — са необходими детектори с разстояние между огледалата от стотици и хиляди километри, което е възможно само в космоса. Такива проекти съществуват и ще бъдат реализирани през втората половина на 30-те години. Но междувременно швейцарски учени представиха теория, която ще позволи създаването на компактни детектори за наблюдение на такива мащабни събития, чието изграждане ще бъде значително по-лесно, по-евтино и по-бързо.

Идеята се състои в това, че вълните при преминаването си модулират квантовото електромагнитно поле, което, от своя страна, е свързано със спонтанното излъчване на фотони от атомите. Атомите поглъщат квантите енергия, възбуждат се и след определено време излъчват фотони, връщайки се в стабилните си състояния. Модулацията на квантовото електромагнитно поле при преминаването на гравитационните вълни леко измества честотата на излъчваните фотони, като промените (изразени в цвета на излъчването) зависят от посоката на движение на излъчваните фотони.

Досега това не е било забелязвано, тъй като гравитационните вълни не влияят върху честотата (интензивността) на спонтанно излъчваните фотони — техният принос не се изразява в количествени промени, яркостта на светенето не се променя. Въпреки това спектралните характеристики на светлината се променят в зависимост от интензивността и посоката на движение на гравитационните вълни, което вече е теоретично обосновано. Това дава надежда за регистриране на изключително нискочестотни гравитационни вълни в милиметров мащаб, а не в мащаб от десетки хиляди километри.

Детекторите, базирани на новия принцип за регистриране на гравитационните вълни, ще се опират на съвременните технологии на атомните часовници с ултрастудени атоми. Тези атомни часовници са изключително стабилни и могат да следят продължителни събития с продължителност до няколко години, което ще позволи регистрирането на сливания на свръхмасивни черни дупки.

Това ще бъде чудесна алтернатива на гигантските космически лазерни интерферометри, която може да бъде реализирана много по-бързо, отколкото в класическия вариант на LIGO и други обсерватории.

Учените казват, че за практическата реализация на идеята е необходим подробен анализ на шума, като първите оценки изглеждат многообещаващи.