Новый метод обнаружения гравитационных волн открывает миллигерцовый диапазон

Гравитационные волны от слияния черных дыр. 3D-иллюстрация. Автор: Peter Jurik/Alamy

Ученые представили новый подход к обнаружению гравитационных волн в миллигерцовом диапазоне частот, что открывает доступ к астрофизическим и космологическим явлениям, которые невозможно зафиксировать с помощью современных инструментов.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная Эйнштейном — ранее наблюдались на высоких частотах наземными интерферометрами, такими как LIGO и Virgo, и на сверхнизких частотах с помощью пульсарных тайминговых массивов. Однако средний диапазон оставался научным «слепым пятном».

Разработанная исследователями из Университетов Бирмингема и Сассекса, новая концепция детектора использует передовые технологии оптических резонаторов и атомных часов для регистрации гравитационных волн в неуловимом миллигерцовом диапазоне частот (10⁻⁵–1 Гц).

Публикуя свое предложение в журнале Classical and Quantum Gravity, ученые описывают детектор, который использует достижения в технологии оптических резонаторов, изначально разработанных для оптических атомных часов, для измерения крошечных фазовых сдвигов в лазерном свете, вызванных проходящими гравитационными волнами. В отличие от крупномасштабных интерферометров, эти детекторы компактны и относительно невосприимчивы к сейсмическим шумам и шумам Ньютона.

«Используя технологию, созревшую в контексте оптических атомных часов, мы можем расширить возможности обнаружения гравитационных волн в совершенно новый частотный диапазон с приборами, которые помещаются на лабораторном столе. Это открывает захватывающую возможность создания глобальной сети таких детекторов и поиска сигналов, которые в противном случае оставались бы скрытыми как минимум еще десятилетие», — прокомментировала соавтор работы доктор Вера Гуаррера из Университета Бирмингема.

Ожидается, что миллигерцовый частотный диапазон — иногда называемый «средней полосой» — содержит сигналы от различных астрофизических и космологических источников, включая компактные двойные системы белых карликов и слияния черных дыр. Амбициозные космические миссии, такие как LISA, также нацелены на этот частотный диапазон, но их запуск запланирован на 2030-е годы. Предлагаемые детекторы на оптических резонаторах могли бы начать исследовать эту территорию уже сейчас.

«Этот детектор позволяет нам проверять астрофизические модели двойных систем в нашей галактике, исследовать слияния массивных черных дыр и даже искать стохастические фоны из ранней Вселенной. С этим методом у нас есть инструменты, чтобы начать исследовать эти сигналы с Земли, прокладывая путь для будущих космических миссий», — отметил соавтор профессор Ксавье Кальме из Университета Сассекса.

Хотя будущие космические миссии, такие как LISA, предложат превосходную чувствительность, их эксплуатация начнется более чем через десятилетие. Предлагаемые детекторы на оптических резонаторах предоставляют немедленное, экономически эффективное средство для исследования миллигерцового диапазона.

Исследование также предполагает, что интеграция этих детекторов с существующими сетями часов может расширить обнаружение гравитационных волн до еще более низких частот, дополняя высокочастотные обсерватории, такие как LIGO.

Каждый блок состоит из двух ортогональных сверхустойчивых оптических резонаторов и атомной частотной ссылки, что позволяет осуществлять многоканальное обнаружение сигналов гравитационных волн. Такая конфигурация не только повышает чувствительность, но и позволяет идентифицировать поляризацию волн и направление на источник.

Больше информации: Giovanni Barontini et al, Detecting milli-Hz gravitational waves with optical resonators, Classical and Quantum Gravity (2025). DOI: 10.1088/1361-6382/ae09ec

Источник: University of Birmingham