Мощные магниты могут открыть новую эру в обнаружении высокочастотных гравитационных волн

Концепция магнитного «веберовского бруска»: гравитационные волны деформируют магнит, создавая колебания магнитного поля, которые фиксируются петлёй и SQUID-устройством. Автор: Себастьян Эллис

Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает использовать сверхпроводящие магниты из экспериментов по поиску тёмной материи в качестве высокоточных детекторов гравитационных волн. Это может открыть совершенно новый частотный диапазон для наблюдения за космическими колебаниями пространства-времени.

Концепция развивает идею «веберовских брусков» 1960-х годов, когда Джозеф Вебер предложил детектировать гравитационные волны с помощью массивных металлических цилиндров, реагирующих на волны через механический резонанс.

«Мы поняли, что концепция Веберовского бруска хорошо работает, если частота гравитационной волны близка к резонансной частоте самого бруска, но вне резонанса её эффективность резко падает», — объяснил Phys.org соавтор исследования доктор Себастьян Эллис из Женевского университета.

Новый магнитный подход преодолевает это ограничение, используя огромную магнитную энергию сверхпроводящих магнитов, которая значительно превосходит электрическую энергию в традиционных системах считывания «веберовских брусков».

Как магнитные поля взаимодействуют с гравитационными волнами

Механизм обнаружения основан на двухэтапном взаимодействии гравитационных волн с магнитными полями. Проходя через сверхпроводящий магнит, гравитационная волна вызывает микроскопические вибрации всей структуры, аналогичные едва заметным движениям зеркал LIGO.

Эти деформации создают колеблющуюся компоненту магнитного поля, которую можно зафиксировать с помощью сверхчувствительных квантовых сенсоров — SQUID (Сверхпроводящих Квантовых Интерференционных Устройств).

Использование экспериментов по поиску тёмной материи

Исследователи отмечают, что мощные магниты, создаваемые для экспериментов по поиску аксионной тёмной материи (таких как DMRadio и ADMX-EFR), могут одновременно использоваться для обнаружения гравитационных волн.

«Главное преимущество магнитов для экспериментов с аксионной тёмной материей — их колоссальная магнитная энергия. У них очень сильные магнитные поля, и они также очень большие», — пояснил Эллис.

Хотя чувствительность таких магнитов будет несколько ниже пиковой производительности LIGO, они смогут работать в гораздо более широком частотном диапазоне — от нескольких килогерц до примерно 10 мегагерц, что открывает новое «окно» для гравитационно-волновой астрономии.

Технические вызовы и перспективы

Реализация концепции потребует решения серьёзных технических проблем, включая изоляцию приборов от внешних вибраций. Однако учёные оптимистичны, ссылаясь на успешный опыт LIGO и традиционных «веберовских брусков».

Команда уже расширяет сотрудничество и изучает конкретные сигналы гравитационных волн, которые можно обнаружить с помощью магнитных «веберовских брусков». Также исследуются передовые методы квантового зондирования, которые могут повысить чувствительность детекторов.

Дополнительная информация: Valerie Domcke et al, Magnets are Weber Bar Gravitational Wave Detectors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/966v-r5fm