Квантов трик за откриване на гравитационни вълни

Ваня Милева Последна промяна на 20 август 2026 в 00:00 59 0

Графика на концепцията за двуфотонно гравитационно откриване на вълни.

Кредит Paul Stankus / NASA
Графика на концепцията за двуфотонно гравитационно откриване на вълни.

Откакто бе засечен първия сигнал през 2015 г. гравитационно-вълновата астрономия претърпя много подобрения.

Въпреки това изграждането на детекторите, необходими за точните измервания на гравитационните вълни остава инженерно предизвикателство. Нов грант от Института за напреднали концепции (NIAC) на НАСА финансира концепция от екип, ръководен от Пол Станкус (Paul Stankus) от Националната лаборатория Брукхейвън, която потенциално би могла да реши някои от тези инженерни проблеми - с помощта на квантова механика.

Съвременните детектори на гравитационни вълни попадат в една от двете категории. Наземните детектори, като обсерваторията LIGO, която за първи път засече вълна през 2015 г., могат да уловят гравитационни вълни с относително висока честота в диапазона 10-10 000 Hz, причинени от сблъсъци на черни дупки със звездна маса и неутронни звезди.

Пулсарният тайминг масив (PTA) - детекторна мрежа с размерите на галактика, която наблюдава десетки ултрастабилни милисекундни пулсари по небето, за да измерва малки промени във времената на пристигане на техните радиоимпулси. Чрез проследяване на тези космически метрономи, астрономите използват PTA, за да откриват нискочестотни (на ниво на нанохерц) гравитационни вълни от сливащи се свръхмасивни черни дупки.

В областта е на път да се появи и нов участник, който ще покрие част от празнината между тези две крайности - LISA е космически интерферометър, който ще открива милихерцови вълни от сливания на свръхмасивни черни дупки.

Но все още остава доста голяма празнина между LISA и PTA - някъде от порядъка на микрохерци. На теория, космически интерферометри като LISA могат да достигнат това ниво на чувствителност. На практика обаче те са инженерен кошмар. Интерферометрите обикновено изискват физическа или оптична връзка - в случай на космически интерферометър, която приема формата на лазерен лъч. Този лъч обаче трябва да се отразява от прецизно плаващи огледала, разположени на милиони километри едно от друго. Поддържането на безупречна, непрекъсната физическа лазерна връзка на тези разстояния е почти невъзможно.

Предложението на Станкус е вместо да се измерва разстоянието между космическите кораби и да се наблюдават всякакви вариации в това разстояние, екипът предлага да се наблюдава астрометричната сигнатура на самите гравитационни вълни - с други думи, те искат да наблюдават как звездите се поклащат почти незабележимо въз основа на гравитационната вълна, преминаваща през нашата Слънчева система.

Когато гравитационна вълна се приближи, тя за момент изкривява пространство-времето, карайки всички фонови звезди в небето да изглежда сякаш се клатушкат в малък, координиран танц. За да измерят това клатушкане, все пак е необходим интерферометър, като LISA, но Станкус и екипът му предлагат да се използва квантов феномен, известен като ефектът на Ханбъри-Браун-Туис (HBT). Тези ефекти обикновено могат да се припишат на дуалността вълна-корпускулярна част на лъча, а резултатите от даден експеримент зависят от това дали лъчът е съставен от фермиони или бозони. Устройствата, които използват ефекта, обикновено се наричат ​​интензитетни гравитационни вълнии и първоначално са били използвани в астрономията, въпреки че се използват широко и в областта на квантовата оптика, а екипът наскоро е свел ефекта HBT до на практика в това, което те наричат "интерферометър с две фотонни амплитуди".

За да се настрои тази квантова машина, първо трябва да се изстрелят два космически кораба със среден размер в орбити за свободно падане - с ключова характеристика, че не е необходимо да бъдат свързани с лазери, те могат да летят напълно независимо. И двата космически кораба наблюдават набор от звезди едновременно и запазват много точни времеви отпечатъци на всичко, засечено от техните ултрабързи еднофотонни детектори. Тези времеви отпечатъци и брой фотони след това се изпращат обратно на Земята, където суперкомпютрите сравняват времената им на пристигане. Според правилата на квантовата механика, фотоните, пристигащи в двата отделни космически кораба, ще покажат микроскопски корелации, известни като "квантово групиране".

Суперкомпютрите би трябвало да могат да изчисляват фазовата интерференция на звездната светлина, без светлината (т.е. двата отделни фотона) реално да се докосват. Ако фазата се отмести, видимата позиция на звездата се колебае. И ако няколко от тях го правят по правилния начин, това е показателно за гравитационна вълна.

Както при много предложения на NIAC, това звучи като научна фантастика, с участието на квантова механика и детектори за единични фотони. Но екипът вече е създал настолна версия в лабораторията, която работи, според статия от 2023 г. През следващите 9 месеца от финансирането им от NIAC, целта им е да докажат, че концепцията е мащабируема за спътници, носещи се в космоса. Ако успеят да я реализират, тяхната технология може да е в основата на изцяло нов начин за изследване на някои от най-тъмните тайни във Вселената.

Източник: A Quantum Trick for Spotting Gravitational Waves,  Universe Today

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Космос

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !