Физики предложили искать гравитационные волны с помощью радиотелескопов
Радиотелескопы, предназначенные для исследований реликтового излучения, могут стать инструментом для обнаружения высокочастотных гравитационных волн. Эти волны несут информацию о процессах, происходивших в ранней Вселенной и их нельзя зарегистрировать с помощью LIGO и похожих интерферометров. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Гравитационные волны — возмущения гравитационного поля, распространяющиеся подобно ряби на воде. Они могут преодолевать огромные расстояния, не взаимодействуя с веществом, поэтому они служат ценным источником информации о различных событиях, в результате которых родились. Это могут быть слияния нейтронных звезд и черных дыр, последние стадии коллапса звездных ядер. Впервые гравитационные волны были зарегистрированы детектором LIGO в 2015 году, и причиной их рождения стало как раз слияние двух черных дыр.
LIGO, а также другие детекторы гравитационных волн, такие как Virgo и KAGRA, — это лазерные интерферометры. Принцип их действия основан на интерференции света из разных плеч интерферометра. Прибор настроен таким образом, чтобы в результате интерференции получался ноль. Если появляется ненулевой сигнал, значит, гравитационная волна растянула или сжала одно из плеч интерферометра.
LIGO, Virgo и KAGRA наиболее чувствительны к гравитационным волнам в диапазоне частот примерно от 10 герц до 10 килогерц — огромная часть спектра гравитационных волн остается для них невидимой. Это значит, что мы не можем получить информацию о некоторых процессах, например, тех, что происходили вскоре после Большого взрыва.
Валери Домке (Valerie Domcke) из ЦЕРНа и Камило Гарсия-Сели (Camilo Garcia-Cely) из ускорительного центра DESY предложили регистрировать гравитационные волны с помощью радиотелескопов. В основе их метода лежит эффект Герценштейна. Он заключается в том, что при прохождении через сильное магнитное поле гравитационные волны превращаются в фотоны, и наоборот. Ученые уже искали этот эффект в сверхпроводниках. Авторы работы показали, что его можно увидеть и в космических масштабах.
Превращения гравитационных волн в фотоны приводят к искажениям в реликтовом излучении. Его еще называют фоновым, потому что это тепловое излучение равномерно заполняет Вселенную. По данным об искажениях можно обнаружить высокочастотные гравитационные волны (с частотой порядка от одного мегагерца до одного гигагерца).
Источники этих волн были активны до реионизации, в период Темных веков или даже раньше. То есть, около 13,3 миллиардов лет назад. Волны от таких источников нельзя зарегистрировать с помощью интерферометров. Исследователи использовали радионаблюдения реликтового излучения, чтобы вычислить, гравитационные волны какой амплитуды можно зарегистрировать новым способом. Они взяли данные двух радиотелескопов: EDGES и ARCADE2.
Амплитуда гравитационных волн — безразмерная величина, равная отношению растяжений и сжатий пробных масс относительно друг друга. Полученные значения отличаются в зависимости от предполагаемой магнитной индукции космического магнитного поля. Для слабых полей (порядка 10-18 гаусса) смещения гравитационного поля, которые можно заметить с помощью радиотелескопа, составили 10-12 и 10-14 (для EDGES и ARCADE2 соответственно). Это значит, что чувствительность метода ниже, чем при детектировании интерферометрами. Но если принять, что индукция магнитных полей в космосе выше (порядка 10-12 гаусса), эти значения составляют уже 10-21 и 10-24.
Наблюдения за высокочастотными гравитационными волнами могут дать ученым возможность изучить явления, происходившие в очень молодой, горячей Вселенной.
О том, почему так сложно построить детектор, способный засечь колебания пространства, вызванные гравитационными волнами, можно прочитать в материале «Тоньше протона».
Екатерина Назарова
Новый эксперимент в восемь раз превосходит по точности предыдущие измерения
Американские физики уточнили величину сверхтонкого расщепления уровня 2S атома водорода с помощью радиочастотного метода Рамзея. Вычисленная в результате этого комбинация расщеплений 1S и 2S уровней оказалась в хорошем согласии с теоретическими оценками, выполненными в рамках квантовой электродинамики. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Простейший атом, состоящий лишь из протона и электрона — атом водорода — наилучшим образом подходит для точных проверок теории электромагнитного взаимодействия. Для этого физики измеряют интервалы между энергетическими уровнями или иные свойства атома, а затем пытаются воспроизвести их с помощью вычислений. На заре квантовой физики для предсказания спектра атома водорода было достаточно нерелятивистской квантовой механики. Затем ученые научились различать более тонкие эффекты: релятивизм, спин-орбитальное взаимодействие и, наконец, влияние квантовых флуктуаций, известное как лэмбовский сдвиг. Дальнейшее уточнение потребовало учета взаимодействия электронных оболочек со спином ядра (сверхтонкая структура), а также поправок на конечный размер ядра. Последнее, с одной стороны, позволило определить размер протона спектроскопическими методами, но, с другой, стало препятствием к точным тестам квантовой электродинамики, поскольку радиус протона сам по себе стал объектом большой дискуссии. Подробнее об этой проблеме мы рассказывали в материале «Щель в доспехах». Обойти ее могло бы измерение определенных комбинаций частот, в которых вклады от размера ядра уничтожаются. Пример такой комбинации — разность между восьмикратным значением сверхтонкого расщепления уровня 2S1/2 и однократным уровня 1S1/2 атома водорода. Вычислению этой величины посвящена работа Райана Буллиса (Ryan Bullis) и его коллег из университета Колорадо. При измерении указанной комбинации главным источником ошибок остается неопределенность сверхтонкой структуры уровня 2S. Фактически, измерение этого расщепления и было основной задачей физиков. Для этого они использовали метод Рамзея, выполненный в радичастотном диапазоне. Суть эксперимента заключалась в пропускании пучка атомов водорода, предварительно возбужденных двухфотонным поглощением в состояние 2S1/2 (F=0), через сложную катушку, создающую переменное поле с частотой, близкой к 177 мегагерцам. Такое радиочастотное поле стимулирует переходы в сверхтонкий подуровень с F=1 — физики считали атомы в таком состоянии на выходе из катушки с помощью каналового электронного умножителя. Чтобы оставшиеся на F=0 подуровне атомы не влияли на сигнал, авторы переводили их на 2P уровень с помощью дополнительного переменного электрического поля с частотой 910 мегагерц, создаваемого конденсатором. В ходе эксперимента физики слегка меняли частоту колебания магнитного поля и следили за поведением сигнала — количества атомов на F=1 подуровне. Нужный интервал проявил себя в виде резонанса на определенной частоте. После поправок на систематические эффекты значение этой частоты оказалось равным 177 556 838,87(85) герца. Этому значению соответствует величина комбинации, равная 48 959,2(6,8) герца, что хорошо согласуется с теорией — 48 954,1(2,3) герца. Новое значение оказалось в восемь раз точнее, чем предыдущий эксперимент, проведенный оптическими методами, и в 60 раз точнее, чем прошлое измерение с помощью радиочастотных полей. В перспективе авторы планируют еще больше увеличить точность измерения, сделав катушку больше. Не так давно мы рассказывали про измерение сверхтонкого расщепления 2S уровня в мюонии — связанной системе антимюона и электрона.