Как услышать столкновения черных дыр с помощью магнита? Физики нашли способ поймать самые неуловимые волны во Вселенной

За последние годы мы привыкли к новостям о гравитационных волнах. Благодаря обсерватории LIGO человечество впервые «услышало» эхо космических катаклизмов — слияний черных дыр и нейтронных звезд. Но то, что мы слышим сейчас — это лишь низкочастотный гул Вселенной. Огромный диапазон высокочастотных «звуков» космоса до сих пор оставался для нас полной тишиной. Новая прорывная идея физиков может все изменить, причем с помощью инструментов, созданных для решения совершенно другой загадки.

Почему Вселенная до сих пор «молчала» на высоких частотах?

Чтобы понять масштаб идеи, нужно сделать шаг назад, в 1960-е годы. Именно тогда физик Джозеф Вебер впервые попытался поймать гравитационную волну. Его устройство, «детектор Вебера», было, по сути, огромным алюминиевым цилиндром. Идея была проста: волна, проходя сквозь цилиндр, заставит его резонировать — как колокол, в который ударили. Если зафиксировать эту микроскопическую вибрацию, значит, волна поймана.

Проблема этого подхода — в самом слове «резонанс». Детектор Вебера был похож на идеально настроенную гитарную струну: он великолепно «звучал» на одной-единственной ноте, но был практически глух ко всем остальным частотам. LIGO и другие современные лазерные интерферометры решили эту проблему для низких частот, но в диапазоне от килогерц до мегагерц — там, где могут скрываться сигналы от экзотических объектов вроде первичных черных дыр или космических струн, — у нас до сих пор не было подходящего «слухового аппарата».

Магнит как ухо: новый принцип прослушки космоса

И вот здесь на сцену выходит элегантное и, честно говоря, гениальное предложение международной группы ученых. Что, если вместо механического резонанса использовать нечто куда более мощное — колоссальную энергию сверхпроводящих магнитов?

Принцип работы «магнитного детектора Вебера» на удивление изящен.

1. Представьте: едва заметная рябь пространства-времени, та самая гравитационная волна, доходит до гигантского магнита и заставляет всю его многотонную структуру едва заметно… задрожать. Это не резонанс в привычном смысле, а вынужденная вибрация всего тела.
2. Эта вибрация деформирует проводники, по которым течет ток, создавая то самое мощнейшее магнитное поле.
3. Любое изменение в геометрии проводника вызывает крошечные колебания в этом поле — своего рода магнитное «эхо» гравитационной волны.
4. Именно это эхо и улавливают специальные датчики — СКВИДы. Это сверхчувствительные устройства, способные зафиксировать флуктуации магнитного поля, которые слабее магнитного поля Земли в миллиарды раз.

В чем же ключевое преимущество? Такой детектор не настроен на одну «ноту». Он широкополосный. Он способен «слышать» весь оркестр высоких частот космоса, от нескольких килогерц до мегагерц, открывая окно в совершенно неизведанную область астрономии. Сигнал здесь сразу рождается электромагнитным, что избавляет от сложных преобразований и лишних помех, свойственных старым методам.

Сделка века: один прибор для двух величайших загадок физики

Но самое интересное в этой истории — откуда возьмутся эти гигантские магниты. Их не нужно строить с нуля. Оказывается, они уже создаются для охоты на другую «неуловимую частицу» — аксион, который считается одним из главных кандидатов на роль темной материи.

Эксперименты вроде DMRadio и ADMX-EFR как раз и основаны на огромных сверхпроводящих магнитах. Ученые поняли, что эти установки — идеальные кандидаты на роль гравитационно-волновых детекторов. Это блестящий пример научной синергии: дорогостоящее и сложное оборудование может одновременно работать на два фронта, удваивая свои шансы на великое открытие.

Как отмечают авторы, именно колоссальная магнитная энергия этих установок — а не механические свойства, как у старых детекторов — определяет их чувствительность. И хотя на пике своей работы LIGO все еще будет чувствительнее, в высокочастотном диапазоне (выше нескольких килогерц) магнитные детекторы его превзойдут.

Тише, идет запись: главные препятствия на пути к открытию

Конечно, путь от красивой идеи до работающего детектора не будет простым. Главный враг любого подобного эксперимента — это шум. Проезжающий мимо лаборатории грузовик, слабое землетрясение на другом конце планеты, даже вибрация от системы охлаждения — все это может создать сигнал, неотличимый от гравитационной волны.

Поэтому изоляция — это задача номер один. Установка должна быть защищена от малейших внешних колебаний. Звучит как невероятно сложная инженерная задача? Безусловно. Но, как с оптимизмом отмечают исследователи, создатели LIGO и старых детекторов вроде AURIGA уже сталкивались с подобными вызовами и успешно их решили. Их опыт вселяет уверенность.

Сейчас команда ученых работает над тем, чтобы просчитать, какие именно сигналы смогут поймать их будущие детекторы, и ищет способы сделать их еще чувствительнее, возможно, с помощью более совершенных квантовых датчиков.

Мы стоим на пороге новой эры в астрономии. Если этот метод окажется успешным, мы получим не просто новый инструмент, а совершенно новое чувство для восприятия Вселенной. Кто знает, какие тайны и какие «мелодии» космоса мы сможем услышать, когда наконец-то настроим наши приборы на правильную волну?