Китай начал строить гравитационную антенну на атомных лазерах

Китайские ученые опубликовали план находящейся в процессе сооружения крупной подземной гравитационно-волновой обсерватории ZAIGA. Она будет существенно отличаться от существующих сегодня LIGO, Virgo и KAGRA. Оценочная стоимость проекта составляет около двух миллиардов юаней (примерно 264 миллиона евро). Если исследователям удастся полностью получить финансирование, то установка может начать работу уже в 2025 году. Подробности приводятся на сайте arXiv.org.

Открытие гравитационных волн в 2015 году парой американских гравитационно-волновых антенн LIGO привело к всплеску интереса к данному направлению исследований. В Европе активизировалось обновление антенны Virgo, в Японии вышел на финальный этап строительства проект KAGRA, начались обсуждения о постройке копии LIGO в Индии, успехом закончились испытания европейского тестового спутника LISA Pathfinder, появилось сразу несколько новых проектов космических гравитационных антенн.

Тем не менее, все работающие на данный момент установки, а также большинство предложенных, спроектированы по принципиально одинаковой схеме — это лазерные интерферометры, плечи которых образуют угол в 90 градусов. Эта схема наиболее проста для реализации, но также обладает недостатками. В частности, она не позволяет полноценно исследовать возможные поляризации гравитационных волн. По этому параметру возмущения пространства-времени намного сложнее электромагнитных волн, а детальное исследование этого аспекта может помочь продвинуться в теоретическом понимании гравитации, указав на отклонения от общей теории относительности (ОТО).

Физики из нескольких институтов Китайской академии наук опубликовали детали проекта принципиально иной гравитационной антенны ZAIGA (Zhaoshan long-baseline Atom Interferometer Gravitation Antenna — Чжаошаньская атомно-интерферометрическая антенна с длинной базой). По словам авторов, данная обсерватория, для которой уже выбрано место строительства и начато бурение тоннелей, будет представлять собой атомный интерферометр в виде равностороннего треугольника с длиной стороны в километр. Установка будет находиться на средней глубине в 200 метров под горой Чжаошань (благодаря чему и получила свое название), расположенной в 80 километрах от города Ухань в провинции Хунань. Особенности конструкции позволят не только продвинуть точность исследований гравитационных волн, но и обеспечат возможность проведения других экспериментов, в том числе по проверке выполнения принципа эквивалентности, измерению гравитационного красного смещения, гравимагнитным эффектам (в частности, увлечению систем отсчета вращающимися телами) и некоторым другим явлениям.

Основным отличием от существующих экспериментов является использование атомного интерферометра, а не лазерного. Принцип этого устройства схож с оптическим аналогом, но вместо когерентного состояния частиц света (лазера) используется когерентное состояние атомов (конденсат Бозе — Эйнштейна). В остальном схемы похожи: также предполагается разделение когерентного пучка частиц, движение частей в плечах установки и сведение вместе для изучения небольших различий в пройденном пути на основе изменения интерференционной картины. Так как атомы обладают массой, то они движутся гораздо медленнее света, что позволяет им дольше накапливать эффект от воздействия гравитационной волны, в результате делая прибор на их основе более чувствительным.

Другим важным отличием от существующих обсерваторий станет диапазон рабочих частот: в то время как LIGO и подобные установки чувствительные к волнам с частотами около сотен герц, ZAIGA будет детектировать возмущения с частотами от 0,1 до 10 герц. Такие сигналы ожидаются при слиянии существенно более крупных черных дыр промежуточных масс, которые создают гравитационное поле как сотня или миллион Солнц. Черные дыры данного типа регистрировать труднее всего, но их изучение позволит узнать, как набрали массу сверхмассивные черные дыры. На данный счет астрофизиками предложено несколько гипотез, но ни одна из них пока не получила исчерпывающих доказательств.

Помимо гравитационных волн, ZAIGA подходит для других связанных с гравитацией задач. В частности, на концах 200-метрового вертикального тоннеля, соединяющего подземную часть с поверхностью, будут расположены атомные фонтаны, то есть вакуумные трубы, в которых можно исследовать свободное падение отдельных атомов. Такие установки подходят для проверки слабого принципа эквивалентности — одной из основ ОТО, — согласно которому траектории свободно падающих тел не зависят от их массы и внутреннего строения. Расположенные на разной высоте атомные часы также позволят исследовать другие эффекты ОТО, такие как зависимость темпа хода часов от величины гравитационного потенциала.

ZAIGA — не единственный проект треугольного интерферометра, такой же формой должен обладать проектируемый Телескоп Эйнштейна и космическая обсерватория LISA. Также существуют другие проекты гравитационных антенн на основе атомных лазеров, в частности, MIGA (Matter-wave laser Interferometric Gravitation Antenna — гравитационная антенна на основе интерферометрии лазеров из волн материи). Новый сеанс наблюдений на лазерных интерферометрах LIGO и Virgo начался 1 апреля. Японская установка KAGRA должна присоединиться к ним в ближайшее время.