Физики придумали способ найти в триста раз больше слияний черных дыр

Ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с рядом зарубежных коллег предложили новый способ обнаружения гравитационных волн особо низкой частоты. С его помощью, полагают исследователи, можно будет обнаружить в триста раз больше слияний черных дыр средних и малых масс.

Так художник представил себе сливающиеся черные дыры и
вырабатываемые ими гравитационные волны
© Michael Koppitz / aei

Начиная с 2016 года крупный лазерный интерферометр LIGO обнаружил более десятка гравитационных волн от слияний черных дыр и нейтронных звезд. Устроен LIGO следующим образом: из центральной точки выкопаны два туннеля (плеча), каждый длиной четыре километра. В обоих туннелях создан искусственный вакуум (удален весь воздух), а на их концах подвешены на тонких стеклянных нитях специальные огромные полупрозрачные зеркала. В центральной точке физики поставили светоделитель. На него с определенной периодичностью подается лазерный импульс. Светоделитель расщепляет его и отправляет одновременно два луча-копии по обоим туннелям. Лучи попадают в зеркала, отражаются и возвращаются обратно к светоделителю.

Вернувшиеся лучи в обычных условиях должны накладываться друг на друга и взаимно подавляться. Если же через интерферометр пройдет гравитационная волна, то реальная длина одного из его плеч изменится. Это не увидеть, приложив к нему линейку, потому что линейку от волны тоже «сожмет» (гравиволна сжимает само пространство-время вместе со всем, что в нем находится). Но, поскольку второе плечо при этом растянет, отраженный от второго зеркала луч вернется к светоделителю не одновременно с первым. В итоге гашения наложением не будет — часть света просочится через светоделитель обратно и сработает установленный за ним фотодетектор.

Авторы новой работы предлагают существенно модифицировать работу подобных интерферометров, определяющих прохождения гравиволн. В их схеме сам интерферометр остается практически неизменным, однако лазерный луч, входящий в него, теперь состоит из поляризованных фотонов. Причем его луч содержит фотоны, «закрученные» как по часовой, так и против часовой стрелки. В остальном интерферометр работает точно так же, однако за счет того, что гравитационная волна меняет поляризацию фотонов в более близком к источнику такой волны плече интерферометра, его чувствительность значительно возрастает.

Согласно расчетам, для слияния черных дыр массой от 100 до 1000 солнечных чувствительность системы повысится примерно в 300 раз. Учитывая, что наиболее сложным является как раз обнаружение гравиволн от таких не очень массивных черных дыр, новая схема повысит чувствительность детекторов типа LIGO настолько, что они будут обнаруживать не несколько гравиволн в год, а в десятки и сотни раз больше.

Обнаружение гравиволн крайне важно для астрономии и астрофизики. Черные дыры и нейтронные звезды очень мало излучают, поэтому наблюдать их слияние в электромагнитных волнах сложно. Зато гравиволны при таких слияниях образуются всегда и могут дать ученым немало ценной информации как о самих черных дырах, так и о процессе их слияния.

Статья опубликована в Light: Science & Applications
Источник: chrdk.ru