Новый детектор гравитационных волн улавливает возможный сигнал с самого начала

Два интригующих сигнала, обнаруженные в небольшом детекторе гравитационных волн, могут представлять всевозможные экзотические явления — от новой физики до взаимодействия темной материи с черными дырами и вибраций из начала Вселенной.

Но из-за новизны эксперимента исследователи осторожно заявляют об открытии любого рода. Такие объекты, как лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн (LIGO), используют гигантские лазерные детекторы для поиска огромной ряби в ткани пространства-времени, известной как гравитационные волны.

Они возникают в результате столкновений черных дыр и нейтронных звезд в далекой Вселенной, которые являются настолько мощными событиями, что сотрясают пространство-время и излучают выбросы с длинами волн, измеряемыми сотнями миль.

Задолго до того, как были построены эти огромные обсерватории, ученые подозревали, что гравитационные волны таких размеров существуют, потому что они знали, что черные дыры и нейтронные звезды иногда должны сталкиваться друг с другом, сказал Майкл Тобар, физик из Университета Западной Австралии в Перте.

Но нет никаких хорошо изученных источников гравитационных волн с более короткими длинами волн от нескольких футов до нескольких миль, добавил он. Тем не менее, «во Вселенной всегда есть вещи, которых мы не ожидаем», — сказал Тобар. В последние годы наблюдается толчок к созданию детекторов, которые могут искать эти меньшие гравитационные волны, в том числе один, построенный Тобаром и его коллегами.

Их устройство состоит из диска из кристаллического кварца диаметром 1 дюйм (3 сантиметра) с резонансной камерой, которая выдает электрический сигнал всякий раз, когда он колеблется на определенных частотах.

Тобар сравнил эту установку с колоколом или гонгом, который звонит с определенной частотой. «Если гравитационная волна ударит по нему, она возбудит его», — сказал он. Звон в кристалле воспринимается электрическими датчиками как электромагнитный сигнал. Исследователи поместили свой детектор за несколькими радиационными экранами, чтобы защитить его от фоновых электромагнитных полей, и охладили его до чрезвычайно низких температур, чтобы минимизировать тепловые колебания в устройстве.

Во время 153-дневного эксперимента кристалл звонил дважды, каждый раз в течение одной или двух секунд. Выводы команды опубликованы 12 августа в журнале Physical Review Letters. Ученые сейчас пытаются выяснить, что стало причиной этих результатов.

По словам Тобара, одним из возможных объяснений являются потоки заряженных частиц, называемых космическими лучами, из космоса. Он добавил, что ранее неизвестный тип тепловых флуктуаций в кристалле, которые должны были быть минимальными из-за сверхнизких температур, может быть другим.

Но есть также множество экзотических перспектив, таких как тип темной материи, известный как аксион, вращающийся вокруг черной дыры и испускающий гравитационные волны, писали исследователи в своей статье.

По словам Тобара, многие объяснения могут потребовать ранее неизвестной физики за пределами Стандартной модели, которая описывает почти все субатомные частицы и силы во Вселенной.

Вскоре после Большого взрыва космологи считают, что Вселенная пережила период, называемый инфляцией, во время которого она экспоненциально увеличивалась в размерах. По его словам, в конце этой эры Вселенная могла пройти фазовый переход, что-то вроде перехода воды из жидкого в газообразное состояние при кипении.

Если бы это произошло, переход мог бы вложить большое количество энергии в ткань пространства-времени, генерируя гравитационные волны, которые можно было бы увидеть в этом эксперименте, сказал Муиа. Он не думает, что есть достаточно доказательств, чтобы сказать, какими были события в кристалле, тем или иным образом, но он взволнован этим экспериментом и другими подобными экспериментами, которые появятся в ближайшем будущем.

Тобар согласился. «Было бы хорошо, если бы это были гравитационные волны, но кто знает», — сказал он. «Теперь, когда у исследователей есть эти возможности обнаружения, они могут создать больше датчиков, подобных этому», — добавил он.

Если несколько устройств видят один и тот же сигнал одновременно, это потенциально может указывать на что-то во Вселенной и помогает исключить внутренние процессы, такие как тепловые флуктуации внутри кристалла.