От переводчика:
Эта статья – своего рода анонс возможного. Профессор Дэвид Блэр кратко представляет научную работу, прокладывающую путь к тому, чтобы повысить чувствительность детекторов гравитационных волн в 40 и более раз. На практике этот анонс означает, что вскоре, вероятно, мы увидим совсем другие научно-популярные передачи о космосе. И это, конечно, только вишенка на торте. Детекторы на порядок чувствительнее – это новые знания о физике космоса. Перспектива завораживает, поэтому не перевести этот текст и не поделиться им я не мог.
В 2017 году астрономы впервые стали свидетелями рождения чёрной дыры. Детекторы гравитационных волн уловили рябь пространства-времени, вызванную столкновением двух нейтронных звёзд, которые образовали чёрную дыру, а затем другие телескопы наблюдали результат – взрыв.
Но реальные подробности того, как образовалась чёрная дыра, подробности о движении материи за мгновения до того, как она была скрыта внутри горизонта событий, остались незамеченными. Так произошло потому, что выброшенные в эти последние мгновения гравитационные волны обладали частотой столь высокой, что сегодняшние детекторы их не улавливают. Если бы вы могли видеть, как обычная материя превращается в чёрную дыру, то это было бы нечто, похожее на Большой Взрыв, но в обратном направлении. Учёные – разработчики детекторов гравитационных волн усердно работали, чтобы выяснить, как повысить чувствительность детекторов и получить возможность наблюдать превращение обычной материи в чёрную дыру.
Сегодня наша команда публикует статью, в которой рассказывается, как добиться повышения чувствительности детекторов. Предложенное решение может сделать детекторы в 40 раз чувствительнее в отношении высокочастотных волн, которые нам нужны, позволяя астрономам слушать материю, когда она формируется в чёрных дырах. Речь идёт о создании новых необычных пакетов энергии (или «квантов»), которые представляют собой смесь двух типов квантовых колебаний. Чтобы добиться необходимой чувствительности, устройства на базе этой технологии можно соединить с существующими детекторами гравитационных волн.
Квантовые проблемы
Детекторы гравитации, подобные Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory в США, используют лазеры, чтобы измерить невероятно малые изменения расстояния между двумя зеркалами. Эффекты квантовой механики, то есть физики отдельных частиц или квантов энергии, играют важную роль в том, как работают такие детекторы, поскольку лазеры измеряют изменения в тысячу раз меньшие, чем размер одного протона.
Художественное представление фотонов, взаимодействующих с устройством на миллиметровом фононном кристалле, который поместили в выходной каскад детектора гравитационных волн
При этом задействованы два вида разных квантовых пакетов энергии, предсказанных Альбертом Эйнштейном. В 1905 году Эйнштейн предсказал, что свет в пространстве проходит в виде пакетов энергии, которые мы называем фотонами; два года спустя учёный предсказал, что тепловая и звуковая энергии проходят сквозь пространство другими пакетами энергии – фононами. Тогда как фотоны широко используются в современных технологиях, фононы в этом смысле гораздо хитроумнее. Отдельные фононы обычно утопают в огромном количестве случайных фононов – теплом их собственного окружения. В детекторах гравитационных волн фононы снижают чувствительность зеркал детектора, когда отскакивают внутри них.
Пять лет назад физики поняли, что решить проблему недостаточной чувствительности на высоких частотах можно с помощью устройств, которые комбинируют фононы и фотоны. Учёные показали, что устройства, где энергия переносится в квантовых пакетах, обладающих свойствами фононов и фотонов, могут также обладать весьма замечательными особенностями.
Эти устройства предполагают радикальное изменение привычной концепции, которая называется «резонансное усиление». Резонансное усиление происходит, когда на детской площадке вы слегка толкаете качели: если толкать их в нужный момент, небольшие толчки приведут к большим колебаниям. Новое устройство, называемое WLC, должно усиливать все частоты одинаково. Это похоже на качели, толкать которые можно в любой момент, добиваясь при этом больших колебаний. Однако никто ещё не придумал, как сделать из двух этих устройств одно, потому что фононы внутри такого устройства будут перегружены случайными вибрациями, происходящими из-за нагрева.
Художник нарисовал небольшое устройство, которое могло бы повысить чувствительность детектора гравитационных волн на высоких частотах
Квантовые решения
В нашей работе, опубликованной в Communications Physics, мы показываем, как два разных проекта, над которыми учёные работают сегодня, могут повысить чувствительность детекторов.
- Институт Нильса Бора в Копенгагене разрабатывает устройства, называемые фононными кристаллами, в которых тепловые колебания контролируются кристаллической структурой, вырезанной в тонкой мембране.
- Австралийский центр передового опыта инженерных квантовых систем также продемонстрировал альтернативную систему, где фононы удерживаются внутри ультрачистой [ultrapure] кварцевой линзы.
В статье показано, что обе эти системы удовлетворяют требованиям, выполнение которых необходимо, чтобы создать «отрицательную дисперсию», которая распространяет световые частоты по принципу, обратному радужному паттерну, такая дисперсия, в свою очередь, необходима для WLC. Добавленные к задней части существующих детекторов гравитационных волн, обе системы в 40 или более раз могли бы улучшить чувствительность на частотах в несколько килогерц, а это необходимо, чтобы услышать, как рождается чёрная дыра.
Что дальше?
Наше исследование не решает проблему улучшения гравитационных детекторов мгновенно. Превращение представленных устройств в практичные инструменты сопряжено с огромными экспериментальными проблемами. Но исследование прокладывает путь к сорокакратному повышению чувствительности детекторов, необходимых, чтобы наблюдать рождение чёрных дыр.
Астрофизики предсказали сложные формы гравитационных волн, которые создаются конвульсиями нейтронных звёзд, когда эти гиганты образуют чёрные дыры. Эти гравитационные волны могли бы позволить нам слушать ядерную физику погибающей нейтронной звезды. Например, было показано, что эти волны могут ясно показать, остаются ли нейтроны в звезде нейтронами или же они распадаются на море кварков – мельчайших субатомных частиц. Если бы мы могли увидеть, как нейтроны превращаются в кварки, а затем исчезают в сингулярности чёрной дыры, наблюдаемый процесс оказался бы точной противоположностью Большого Взрыва, когда из сингулярности возникали частицы, которые создали нашу Вселенную.
