Мощни магнити биха могли да откриват високочестотни гравитационни вълни

Свръхпроводящите магнити, използвани в експерименти за откриване на тъмна материя, биха могли да функционират като високопрецизни детектори на гравитационни вълни, като по този начин установят изцяло нова честотна лента за наблюдение на тези космически вълни според ново изследване, публикувано в Physical Review Letters.

Тази концепция разширява първоначалната архитектура на Веберовия прът от 60-те години на миналия век, в която Джоузеф Вебер предлага откриване на гравитационни вълни с помощта на масивни метални цилиндри, които биха реагирали чрез механичен резонанс.

Въпреки че устройството на Вебер работи добре при определени резонансни честоти, то показва намалена чувствителност извън тези ограничени честотни диапазони.

Това ново проучване разширява тази концепция, демонстрирайки, че постояннотоковите магнити могат да функционират като магнитни Веберови пръти, потенциално откривайки гравитационни вълни в преди това трудния честотен диапазон от килохерц до мегахерц.

"Това, което осъзнахме, бе, че макар концепцията за Веберовия прът да работи много добре, ако честотата на гравитационните вълни е много близка до резонансния режим на самия прът, тя не работи толкова добре извън резонанса", обяснява пред Phys.org съавторът д-р Себастиан Елис (Sebastian Ellis) от Женевския университет за изследването. "Може да си го представите като инструмент, който свири добре в тоналност, но звучи ужасно извън тоналност."

Новият магнитен подход се справя с това фундаментално ограничение, използвайки огромната магнитна енергия, съхранявана в свръхпроводящите магнити, която далеч надвишава електрическата енергия, налична в традиционните системи за отчитане с Веберов прът.

Как магнитните полета взаимодействат с гравитационните вълни

Механизмът за откриване разчита на интелигентно двуетапно взаимодействие между гравитационни вълни и магнитни полета.

Гравитационна вълна, преминаваща през свръхпроводящ магнит, индуцира микроскопични вибрации в цялата структура, аналогични на едва доловимото движение на огледалата на LIGO.

"Докато гравитационна вълна преминава над и през магнита, тя причинява вибрация на цялата структура, тъй като ефектът на вълната е подобен на този на механична сила, действаща върху обекта", обяснява Елис.

"Тази вибрация води до деформации на структурата, съдържаща проводника, през който протича токът, което генерира магнитно поле."

Тези деформации създават осцилиращ компонент на магнитното поле, който изследователите могат да открият с помощта на изключително чувствителни квантови сензори, наречени SQUID (Superconducting Quantum Interferometric Devices - свръхпроводящи квантови интерферометрични устройства).

Приемната верига (която действа като магнитна антена), поставена близо до края на магнита, може да улови тези минимални промени в магнитното поле, превеждайки гравитационните вълнови сигнали директно в електромагнитни показания.

Подходът предлага няколко ключови предимства пред традиционните методи.

За разлика от конвенционалните Веберови пръти, които изискват сложно преобразуване на механичен в електромагнитен сигнал, магнитните Веберови прътии произвеждат естествено електромагнитни сигнали. Това премахва значителен източник на смущения и усложнения, като същевременно осигурява широколентова чувствителност в широк честотен спектър.

Използване на експерименти с тъмна материя за търсене на гравитационни вълни

Симулация на лъчево проследяване на фотони (жълти линии), излъчвани от цилиндричния рефлектор BREAD и фокусирани от параболичната повърхност. Дясно: ADMX-EFR и мащабният експеримент BREAD ще бъдат провеждани едновременно в бивш магнит за ЯМР. Кредит: CERN

Изследването специално акцентира върху мощните магнити, които се конструират за експерименти за търсене на аксионна тъмна материя, включително DMRadio и ADMX-EFR (Axion Dark Matter eXperiment—Extended Frequency Range).

Тези експерименти включват огромни свръхпроводящи магнити, които биха могли едновременно да търсят както тъмна материя, така и гравитационни вълни.

"Основното предимство на магнитите, които ще бъдат използвани за експерименти с тъмна материя, търсещи тъмни частици тип аксиони, е огромната им магнитна енергия. Те имат много мощни магнитни полета и са също много големи", отбелязва Елис.

"Както посочихме в нашата статия, именно (електро)магнитната енергия доминира чувствителността извън резонанса на Веберова щанга, независимо дали е магнитна или традиционна."

Изследователите изчисляват, че чувствителността на тези използвани за ЯМР магнити ще бъде малко по-ниска от пиковата производителност на LIGO, но устройството на Вебер ще работи в много по-широк честотен диапазон, от няколко килохерца до около 10 мегахерца.

Важно е да се отбележи, че това би го направило по-чувствителен от LIGO при честоти над няколко килохерца, отваряйки изцяло нов прозорец за откриване на гравитационни вълни.

Нови космически прозорци

Този честотен диапазон представлява до голяма степен неизследвана територия за астрономията на гравитационните вълни.

Изследването произтича от осъзнаването, че съществуващите и планирани аксионни експерименти притежават точно подходящата инфраструктура за откриване на гравитационни вълни.

"Нашата идея възникна, когато осъзнахме, че планираните и съществуващи експерименти, насочени към кандидат за тъмна материя, известен като аксион, имат много големи, мощни магнити, които биха могли да се използват едновременно за търсене на гравитационни вълни", посочва Елис.

"Надявахме се, че възможността да търсим два сигнала, а не един, ще засили научните аргументи за провеждането на тези експерименти."

Превръщането на тази концепция в работещи детектори ще изисква преодоляване на значителни технически препятствия, особено при изолирането на инструментите от вибрациите на околната среда, които биха могли да имитират сигнали на гравитационни вълни.

"Това изискване е много подобно на това, пред което са изправени LIGO и традиционните Веберови пръти, като например 2-тонния прът AURIGA. Фактът, че те успяха ефективно да изолират устройствата си, ни прави оптимисти."

Екипът сега разширява сътрудничеството си и изучава специфични гравитационни вълнови сигнали, които биха могли да бъдат засечени с оперативни магнитни Веберови пръти. Те също така изследват усъвършенствани техники за квантово наблюдение отвъд SQUID-ите, които биха могли допълнително да подобрят чувствителността.

Справка: Valerie Domcke et al, Magnets are Weber Bar Gravitational Wave Detectors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/966v-r5fm

Източник: Powerful magnets could unlock detection of high-frequency gravitational waves,Tejasri Gururaj, Phys.org

Още по темата

05/03/2025

Космос

Животът на тъмната материя е поне 10 до 100 милиона пъти възрастта на Вселената

27/02/2025

Физика

Детектор за тъмна материя случайно може да е регистрирал първата находка на тъмна енергия

06/01/2025

Космос

Загадъчното потискане на растежа на космическите структури не се дължи на динамична тъмна енергия

11/08/2023

Физика

Помни ли пространство-времето? Изследване на гравитационната памет