В большинстве случаев обнаружить влияние гравитации не так сложно. Парашютисты устремляются к земле в тот момент, когда они выходят из самолета, и благодаря космическим телескопам вы можете видеть, как свет превращается в ошеломляющие кольца огромными группами галактик. Но оказалось особенно трудно обнаружить гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, вызванную мощным космическим событием.
Связанный контент
- Эти Космические Удовольствия включают Галактическое Лицо Смайлика и Межзвездную Розу
- Нет, мы еще не обнаружили гравитационные волны (пока)
Большинство попыток до сих пор искали, как колебания пространства-времени должны влиять на свет и вещество. Теперь ученые в США и Израиле думают, что мы могли бы найти волны быстрее и дешевле, если бы мы искали их влияние во времени, а не в пространстве.
Охота за гравитационными волнами началась с 1916 года, когда Альберт Эйнштейн предсказал, что они должны существовать как часть его общей теории относительности. Он доказал, что пространство-время похоже на ткань, а гравитация - это искривление в этой ткани, вызванное массивными объектами. Например, как шар для боулинга, подвешенный в одеяле, наша огромная планета Земля изгибается вокруг него в пространстве-времени.
Теория также предполагает, что, когда сливаются очень массивные объекты, такие как черные дыры, гравитационный взрыв будет распространяться по всему пространству-времени. Их обнаружение не только продолжит подтверждать теорию Эйнштейна, но и откроет новое окно во вселенную, потому что ученые могут использовать гравитационные волны для исследования невидимых в космосе событий в космосе. Но доказательство гравитационных волн было неуловимым, в значительной степени потому, что волны становятся слабее, чем дальше, и многие источники гравитационных волн находятся на краю Вселенной, на расстоянии миллиардов световых лет.
В прошлом году эксперимент под названием BICEP2 утверждал, что обнаружил слабые сигналы, связанные с типом первичной гравитационной волны, вызванной внезапным всплеском роста в ранней Вселенной. Однако претензия была преждевременной, поскольку последующие анализы снизили уверенность в том, что команда BICEP2 увидела что-то большее, чем просто пыль в Млечном Пути.
Запланированная Европейским космическим агентством обсерватория eLISA, которая должна быть запущена в 2034 году, предназначена для обнаружения волн другого типа: миллигерцовых или низкочастотных гравитационных волн, возникающих в результате слияния пар сверхмассивных черных дыр. Ученые обнаружили сверхмассивные черные дыры в центрах многих крупных галактик, включая нашу собственную. Предполагается, что слияние двух таких галактик испустит гравитационные волны, которые могут распространяться по всей вселенной. Чтобы найти их, eLISA будет использовать лазеры для измерения крошечных изменений в пространстве космического корабля, которые должны произойти, когда мимо проходит гравитационная волна.
В новой статье Ави Леб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Дэни Маоз из Тель-Авивского университета отмечают, что недавние достижения в области хронометрирования могут позволить атомным часам обнаруживать гравитационные волны быстрее и дешевле, чем eLISA. Они обрисовывают в общих чертах предложение о наборе атомных часов, расположенных в разных точках вокруг Солнца, которые могут обнаружить явление, называемое замедлением времени, когда гравитационные эффекты могут вызвать замедление времени.
Как и eLISA, их план также требует, чтобы космический корабль летал в строю и общался с помощью лазеров. Но вместо того, чтобы передавать информацию об изменениях расстояния, лазеры будут отслеживать мелкие несоответствия во времени между синхронизированными атомными часами, установленными на космическом корабле.
Прогнозируемые временные изменения крошечные: «Мы говорим об одной части из миллиона триллионов в точности синхронизации», - говорит Леб. «Чтобы обнаружить такие изменения, вам нужны часы, которые не будут ни набирать, ни терять только одну десятую секунды, даже если они будут работать в течение 4, 5 миллиардов лет или всего возраста Земли».
До недавнего времени такого рода точность была за пределами возможностей атомных часов, которые используют элемент цезий, которые являются основой для современного международного стандарта хронометража. Но в начале 2014 года физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) представили экспериментальные атомные часы с «оптической решеткой», которые установили новые мировые рекорды как по точности, так и по стабильности. Эти часы работают на оптических частотах и, таким образом, обеспечивают большую точность, чем атомные часы цезия, которые зависят от микроволн для сохранения времени.
Теоретически, оптические атомные часы могут обеспечить точность, необходимую для обнаружения крошечных временных сдвигов, предсказанных гравитационными волнами. Леб и Маоз утверждают, что их дизайн будет проще и может быть достигнут при меньших затратах, поскольку для него потребуются менее мощные лазеры, чем eLISA. Атомные часы с более низкой точностью уже используются на спутниках GPS, поэтому Леб считает, что должна быть возможность отправить новое поколение атомных часов также в космос.
Два космических корабля, расположенных на правильном расстоянии друг от друга, могли ощущать как пик, так и впадину проходящей гравитационной волны. (Леб и др., Arxiv.org) Лучшая установка - пара атомных часов, установленных на двух космических кораблях, которые разделяют орбиту Земли вокруг Солнца. Главный космический корабль также будет на орбите, чтобы координировать сигналы, поступающие от часов. Часовой аппарат должен быть разделен примерно на 93 миллиона миль - примерно на расстояние между Землей и Солнцем или одной астрономической единицей (AU).
«Это хорошее совпадение, потому что один AU примерно равен половине длины волны для [низкочастотной] гравитационной волны, как думают ученые, сливающиеся сверхмассивные черные дыры», - говорит Леб. Другими словами, это было бы точно правильным расстоянием, чтобы воспринимать как пик, так и впадину гравитационной волны, проходящей через солнечную систему, поэтому атомные часы, расположенные в этих двух точках, будут испытывать наибольшие эффекты замедления времени.
На данный момент такой миссии нет ни на одном рабочем месте космического агентства или на бюджете. Но Леб надеется, что эта идея приведет к более тщательному изучению альтернатив eLISA. Проект eLISA «извлек выгоду из десятилетий дискуссий, поэтому мы должны позволить изучить этот альтернативный дизайн, по крайней мере, в течение нескольких месяцев, прежде чем отклонить его».
Леб добавляет, что существует множество практических применений, связанных с использованием более точных атомных часов в космосе, таких как повышение точности GPS и улучшение связи. Он считает, что первые оптические часы с решеткой могут быть запущены предприятиями в коммерческих целях, а не государственными органами. «Если это произойдет, любая наука, которую мы получим, будет побочным продуктом», - говорит он.
Джун Е., физик из Университета Колорадо и сотрудник NIST, говорит, что предложение Лоэба и Маоса «открывает новый интеллектуальный фронт» по использованию оптических атомных часов для проверки фундаментальной физики, включая поиск гравитационных волн. «Я с оптимизмом смотрю на дальнейшее совершенствование оптических часов и их возможное использование в таких приложениях», - говорит Е.
