Гравитационные волны являются одним из самых загадочных и захватывающих явлений современной физики и астрономии. Впервые подтвержденные в 2015 году, они открыли уникальный способ наблюдения за космосом — через деформации пространства-времени, вызванные катаклизмами во Вселенной. На сегодняшний день детекторы вроде LIGO значительно расширили наше понимание этих космических сигналов, однако обнаруживаются в основном волны с частотами ниже нескольких килогерц. В то же время, диапазон высокочастотных гравитационных волн, охватывающий килогерцы и мегагерцы, остается практически неизведанным из-за технологических ограничений традиционных детекторов. Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, предлагает инновационный метод, который может изменить эту ситуацию — использование мощных сверхпроводящих магнитов, изначально предназначенных для экспериментов в поисках темной материи, для регистрации высокочастотных гравитационных волн.
Концепция основана на расширении классической идеи Баров Вебера, разработанной в 1960-х годах Джозефом Вебером. Тогда предполагалось, что массивные металлические цилиндры будут реагировать на проходящую гравитационную волну через механические колебания, которые затем можно зарегистрировать. Однако этот метод показал высокую чувствительность только в узких резонансных частотных диапазонах, что ограничивало его универсальность и эффективность. Современные ученые пересмотрели этот подход и предложили использовать постоянные магниты, которые будут выполнять роль магнитных Баров Вебера, способных воспринимать гравитационные волны в гораздо более широком частотном диапазоне — от нескольких килогерц до десятков мегагерц. Превосходство данного метода заключается в использовании сильнейших магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими магнитами, таких как те, что применяются в экспериментах DMRadio и ADMX-EFR.
Эти установки обладают огромными магнитными энергиями, которые значительно превышают энергию, доступную в традиционных механических конвертах. Технология обнаружения основана на двойном взаимодействии гравитационной волны с магнитным полем. Проходя через сверхпроводящий магнит, гравитационная волна вызывает микроскопические вибрации всей структуры, схожие с движением зеркал в детекторах LIGO. Эти колебания приводят к деформациям проводников, по которым течёт ток, тем самым генерируя изменяющееся магнитное поле. Излучение таких изменений регистрируется с помощью сверхчувствительных квантовых датчиков, известных как SQUID (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства).
Установка магнитной антенны – приемного контура – поблизости от конца магнита позволяет улавливать эти крошечные колебания магнитного поля и переводить их в электромагнитные сигналы. Такая схема устраняет многие промежуточные этапы преобразования сигнала, свойственные механическим Баррам Вебера, что значительно снижает уровень шума и повышает чувствительность. Одним из ключевых преимуществ этой методики становится возможность работы в широком диапазоне частот, что делает ее идеальной для обнаружения гравитационных волн в диапазоне килогерц-мегагерц, ранее недоступном для современных установок. По словам докторов Себастьяна Эллиса и Валери Домкэ из ЦЕРН и Университета Женевы, а также Николаса Родда из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, применение мощных магнитов открывает совершенно новый путь в астрономию гравитационных волн. Они отмечают, что хотя чувствительность новых магнитных Баров Вебера несколько уступает максимальной из известных в LIGO, их способность охватывать гораздо более широкий спектр открывает новые окна для исследования космоса.
При этом потенциал таких детекторов не ограничивается исключительно гравитационными волнами. Мощные сверхпроводящие магниты, предназначенные для поиска аксионов — гипотетических частиц темной материи, — могут использоваться одновременно для двух ключевых задач, увеличивая эффективность и экономическую целесообразность дорогостоящих научных проектов. Такой подход позволяет проводить параллельные наблюдения за двумя фундаментальными явлениями — гравитационными волнами и темной материей. Одной из основных технических проблем, стоящих на пути к созданию рабочих магнитных детекторов гравитационных волн, остается необходимость надежной изоляции приборов от окружающих вибраций, которые способны имитировать сигналы космического происхождения. Опыт, накопленный в проектах LIGO и традиционных механических Баров Вебера, таких как AURIGA, вселяет оптимизм: успешно реализованные методы гашения вибраций и шумов обеспечивают высокую точность измерений даже в сложных условиях.
Кроме того, дальнейшие исследования сконцентрированы на увеличении чувствительности детекторов с помощью новых квантовых технологий сверхчувствительного измерения — помимо SQUID, ученые изучают альтернативные квантовые датчики, способные еще более точно регистрировать мельчайшие изменения в магнитных полях, вызванные гравитационными волнами. Раскрытие высокочастотного диапазона гравитационных волн имеет огромное значение для астрономии и фундаментальной физики. Эти волны могут нести информацию о загадочных космологических процессах, недоступных для классических наблюдений, включая фазовые переходы в ранней Вселенной, особенности черных дыр и нейтронных звезд, а также потенциальные следы квантовой гравитации. Новая концепция магнитных Баров Вебера обещает значительно расширить инструментарий ученых, позволяя не только исследовать фундаментальную природу космоса, но и задавая новые ориентиры в разработке технологий будущего. В конечном итоге, интеграция методов обнаружения гравитационных волн с исследованиями темной материи посредством мощных сверхпроводящих магнитов становится образцом междисциплинарного подхода, сочетающего физику элементарных частиц, космологию, квантовые технологии и инженерное дело.
Такой синтез не только повысит шансы на прорыв в понимании Вселенной, но и укрепит глобальное научное сотрудничество, необходимое для решения самых сложных загадок современной науки. Развивая и совершенствуя подобные детекторы, ученые открывают пространство для десятков новых открытий, которые однажды могут полностью изменить наше видение не только космоса, но и фундаментальных законов природы. С ростом мощности и чувствительности магнитных детекторов гравитационных волн, а также улучшением методов шумоподавления и квантового измерения, мы приближаемся к эпохе, когда точные наблюдения космических процессов на незнакомых частотах станут реальностью. Новые космические окна, открываемые с помощью таких технологий, обещают разнообразить и углубить наше представление о структуре и истории Вселенной, став важным этапом в развитии современной астрофизики и фундаментальной науки.
