Физики предложили искать гравитационные волны с помощью радиотелескопов

Радиотелескопы, предназначенные для исследований реликтового излучения, могут стать инструментом для обнаружения высокочастотных гравитационных волн. Эти волны несут информацию о процессах, происходивших в ранней Вселенной и их нельзя зарегистрировать с помощью LIGO и похожих интерферометров. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Гравитационные волны — возмущения гравитационного поля, распространяющиеся подобно ряби на воде. Они могут преодолевать огромные расстояния, не взаимодействуя с веществом, поэтому они служат ценным источником информации о различных событиях, в результате которых родились. Это могут быть слияния нейтронных звезд и черных дыр, последние стадии коллапса звездных ядер. Впервые гравитационные волны были зарегистрированы детектором LIGO в 2015 году, и причиной их рождения стало как раз слияние двух черных дыр.

LIGO, а также другие детекторы гравитационных волн, такие как Virgo и KAGRA, — это лазерные интерферометры. Принцип их действия основан на интерференции света из разных плеч интерферометра. Прибор настроен таким образом, чтобы в результате интерференции получался ноль. Если появляется ненулевой сигнал, значит, гравитационная волна растянула или сжала одно из плеч интерферометра.

LIGO, Virgo и KAGRA наиболее чувствительны к гравитационным волнам в диапазоне частот примерно от 10 герц до 10 килогерц — огромная часть спектра гравитационных волн остается для них невидимой. Это значит, что мы не можем получить информацию о некоторых процессах, например, тех, что происходили вскоре после Большого взрыва.

Валери Домке (Valerie Domcke) из ЦЕРНа и Камило Гарсия-Сели (Camilo Garcia-Cely) из ускорительного центра DESY предложили регистрировать гравитационные волны с помощью радиотелескопов. В основе их метода лежит эффект Герценштейна. Он заключается в том, что при прохождении через сильное магнитное поле гравитационные волны превращаются в фотоны, и наоборот. Ученые уже искали этот эффект в сверхпроводниках. Авторы работы показали, что его можно увидеть и в космических масштабах.

Превращения гравитационных волн в фотоны приводят к искажениям в реликтовом излучении. Его еще называют фоновым, потому что это тепловое излучение равномерно заполняет Вселенную. По данным об искажениях можно обнаружить высокочастотные гравитационные волны (с частотой порядка от одного мегагерца до одного гигагерца).

Источники этих волн были активны до реионизации, в период Темных веков или даже раньше. То есть, около 13,3 миллиардов лет назад. Волны от таких источников нельзя зарегистрировать с помощью интерферометров. Исследователи использовали радионаблюдения реликтового излучения, чтобы вычислить, гравитационные волны какой амплитуды можно зарегистрировать новым способом. Они взяли данные двух радиотелескопов: EDGES и ARCADE2.

Амплитуда гравитационных волн — безразмерная величина, равная отношению растяжений и сжатий пробных масс относительно друг друга. Полученные значения отличаются в зависимости от предполагаемой магнитной индукции космического магнитного поля. Для слабых полей (порядка 10^-18 гаусса) смещения гравитационного поля, которые можно заметить с помощью радиотелескопа, составили 10^-12 и 10^-14 (для EDGES и ARCADE2 соответственно). Это значит, что чувствительность метода ниже, чем при детектировании интерферометрами. Но если принять, что индукция магнитных полей в космосе выше (порядка 10-¹² гаусса), эти значения составляют уже 10^-21 и 10^-24.

Наблюдения за высокочастотными гравитационными волнами могут дать ученым возможность изучить явления, происходившие в очень молодой, горячей Вселенной.

О том, почему так сложно построить детектор, способный засечь колебания пространства, вызванные гравитационными волнами, можно прочитать в материале «Тоньше протона».

Екатерина Назарова

Let's block ads! (Why?)