Настольный детектор гравитационных волн уловил странные новые сигналы

100 лет назад Альберт Эйнштейн впервые предположил, что на просторах Вселенной существует так называемая рябь – рябь пространства-времени или гравитационные волны. Сам физик, правда, сомневался что их когда-нибудь удастся обнаружить. Однако в 1960-х годах ученые стали всерьез работать над поиском гравитационных волн, так как помимо медленного расширения Вселенной, в пространстве-времени должны происходить более быстрые динамические процессы. И они не ошиблись – 14 апреля 2015 года с помощью детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO ученым уловить ту самую рябь пространства-времени. Источником волн, которые удалось зафиксировать, стало столкновение двух черных дыр, слившихся в одну 1,3 млрд лет тому назад. Волны уловили обе обсерватории, принимавшие участие в исследовании. Они оснащены суперчувствительными детекторами, самыми точными из когда-либо созданных. Теперь же новый детектор гравитационных волн зарегистрировал два таинственных сигнала за первые 153 дня своей работы. Вот только неясно, что именно представляют собой эти сигналы, так как могут быть вызваны целым рядом явлений. Одно из таких явлений – именно то, для чего предназначен детектор – высокочастотные гравитационные волны, которые никогда раньше не регистрировались.

Рябь пространства-времени

Новое открытие, результаты которого опубликованы в научном журнале Physical Review Letters, как пишут его авторы, показало, что «новый детектор чувствителен и дает точные результаты, но теперь мы должны точно определить, что они означают», – сказал физик Майкл Тобар из Университета Западной Австралии.

Этой работой мы впервые продемонстрировали, что подобные новейшие устройства могут использоваться в качестве высокочувствительных детекторов гравитационных волн.

Напомним, что новаторское обнаружение гравитационных волн состоялось всего шесть лет назад. С тех пор детекторы LIGO и Virgo показали, что Вселенная наполнена ранее скрытыми гравитационными волнами, возникающими в результате столкновений между черными дырами и нейтронными звездами. Эти детекторы огромны, а высокочастотные гравитационные волны гораздо сложнее обнаружить, но их определенно стоит исследовать.

Обнаружить гравитационные волны удалось с помощью детекторов LIGO и VIRGO

Длина волны гравитационных волн пропорциональна размеру Вселенной; те, что возникают позже, больше, поэтому более короткие высокочастотные волны могли бы раскрыть информацию о Большом взрыве и Вселенной в начале времен.

Подробнее о том, как ученые обнаружили гравитационные волны читайте в материале моего коллеги Артема Сутягина

Источники высокочастотных гравитационных волн в более недавнем прошлом могли включать гипотетические объекты, такие как бозонные звезды и первичные черные дыры. Эти волны могут даже создаваться облаками темной материи. Поэтому астрономы были бы глубоко заинтересованы в обнаружении этих сигналов.

Настольный детектор гравитационных волн

Новаторский детектор, предназначенный для отслеживания высокочастотных гравитационных волн, был создан исследователями из Центра передового опыта ARC по физике частиц темной материи (CDM) и Университета Западной Австралии.

За первые 153 дня его работы были обнаружены два события, которые в принципе могли быть высокочастотными гравитационными волнами, которые ранее не регистрировались учеными. Такие высокочастотные гравитационные волны могли быть созданы первичной черной дырой или облаком частиц темной материи.

Настольный детектор гравитационных волн. Фото: Университет Западной Австралии

Как и первоначально предположил Альберт Эйнштейн, движение астрономических объектов может вызвать волны искривления пространства-времени, которые будут распространяться по Вселенной, почти как волны, которую образуются, когда кидаешь камешки в пруд. Исследователи полагают, что низкочастотные гравитационные волны вызываются двумя черными дырами, вращающимися и сливающимися друг с другом, или звездой, исчезающей в черной дыре.

С тех пор началась новая эра исследований гравитационных волн, но нынешнее поколение активных детекторов обладает высокой чувствительностью только к низкочастотным сигналам; обнаружение высокочастотных гравитационных волн остается неизученным и чрезвычайно сложным направлением в астрономии.

Несмотря на то, что наибольшее внимание уделяется низкочастотным гравитационным волнам, существует значительное количество теоретических предложений для высокочастотных источников гравитационных волн, а также, например, первичных черных дыр. Как пишет портал Scitechdaily, детектор, разработанный исследовательской группой для улавливания высокочастотных гравитационных волн, построен на основе кварцевого резонатора объемных акустических волн (BAW).

Как устроен новый детектор высокочастотных гравитационных волн

В основе этого устройства лежит диск из кварцевого кристалла, который может вибрировать на высоких частотах из-за акустических волн, проходящих через его толщину. Эти волны затем индуцируют электрический заряд по всему устройству, который можно обнаружить, разместив проводящие пластины на внешних поверхностях кварцевого диска.

Затем устройство BAW было подключено к сверхпроводящему квантовому интерференционному устройству под названием SQUID, которое действует как чрезвычайно чувствительный усилитель для сигнала низкого напряжения от кварцевого BAW. Эта сборка была помещена в несколько радиационных экранов для защиты от рассеянных электромагнитных полей и охлаждена до низкой температуры, чтобы с помощью усилителя SQUID можно было регистрировать акустические колебания кварцевого кристалла с низкой энергией в виде больших напряжений.

Гравитационные волны позволяют по-иному взглянуть на нашу Вселенную

Весь детектор, помимо прочего, помещен в вакуумную камеру, защищенную от излучения, чтобы предотвратить как можно больше помех. С помощью этой установки команда провела два прогона наблюдений и сделала обнаружение во время каждого прогона – первый 12 мая 2019 года, а второй 27 ноября 2019 года. Команда, в которую входили доктор Максим Горячев, профессор Майкл Тобар, Уильям Кэмпбелл, Ик Сионг Хенг, Серж Галлиу и профессор Евгений Иванов, теперь будет работать над определением природы сигнала, потенциально подтверждающего обнаружение высокочастотных гравитационных волн.

Высокочастотные гравитационные волны и другие открытия

Авторы нового исследования отмечают, что высокочастотные гравитационные волны – одни из возможных обнаруженных кандидатов, но другими объяснениями может быть как присутствие заряженных частиц или накопление механического напряжения, так и метеоритное событие или внутренний атомный процесс. Более того, авторам научной работы впервые удалось продемонстрировать, что подобные устройства могут быть использованы в качестве высокочувствительных детекторов гравитационных волн.

Столкновение черных дыр порождает гравитационные волны

В мире в настоящий момент проводится всего два эксперимента, которые занимаются поиском высокочастотных гравитационных волн на этих частотах, и у нас есть планы расширить охват до еще более высоких частот, где раньше не проводилось никаких других экспериментов и исследований, – сообщают физики.

Интересно, что следующее поколение эксперимента будет включать в себя создание клона детектора и детектора мюонов, чувствительного к этим космическим частицам.