Учёные предлагают применять атомы в качестве детекторов гравитационных волн

Каждый раз, когда где-то во Вселенной сталкиваются две чёрные дыры, они вызывают волны в самой ткани пространства-времени. Мы называем их гравитационными волнами. LIGO (Лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн) обнаруживает их с помощью 4-километрового туннеля, по которому путешествуют лазерные лучи. Детектор настолько чувствителен, что способен измерить изменение расстояния, на которое смещается лазерный луч, — величину в тысячу раз меньше размера протона.

Исследователи из Стокгольмского университета, Nordita и Тюбингенского университета полагают, что может существовать более простой и компактный метод обнаружения гравитационных волн. Их новое теоретическое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, предполагает, что эти волны оставляют «следы» в свете, излучаемом атомами, и что облако атомов размером всего в несколько миллиметров может однажды послужить детектором гравитационных волн.

Когда атом возбуждается под воздействием тепла, света или лазера, он не остаётся в этом состоянии надолго. Он быстро возвращается в состояние с более низкой энергией, испуская фотон света с точной, характерной частотой. Этот процесс, называемый спонтанным излучением, обычно абсолютно стабилен и предсказуем, и его изучают уже на протяжении десятилетий. Но никто до конца не задумывался о том, что происходит, когда через атом в момент излучения проходит гравитационная волна.

Гравитационные волны не просто растягивают пространство — они равным образом возмущают так называемое квантовое электромагнитное поле ввода. Это невидимое поле, пронизывающее всё пространство, через которое распространяется свет. Каждый раз, испуская фотон, атом взаимодействует с этим полем. Проходящая гравитационная волна слегка модулирует поле ввода, что, в свою очередь, изменяет частоту фотонов, испускаемых атомом.

Именно эту модуляцию команда обнаружила в своей работе. Поскольку сдвиг частоты зависит от направления излучения, он несёт информацию о том, откуда пришла волна и какова её поляризация, что значительно упрощает отделение реального сигнала от фонового шума. Эта тонкость до сих пор оставалась незамеченной именно потому, что общая интенсивность излучения остаётся постоянной.

Исследователи указывают на атомные часы как на наиболее многообещающую экспериментальную платформу. Эти сверхточные приборы уже используют узкие оптические переходы в холодных атомах, обеспечивая длительное время взаимодействия и невероятную стабильность. В таких условиях даже ничтожно малые сдвиги частоты, вызванные гравитационной волной, могут однажды стать измеримыми.

Конечно, это пока только теория, и реальные эксперименты столкнутся с серьёзными трудностями, не в последнюю очередь связанными с необходимостью выделить сигнал на фоне какофонии других источников шума. Но первые оценки обнадёживают, а перспективы выглядят заманчиво.