Гравитационные волны представляют собой рябь пространства времени, возникающую при столкновении черных дыр. Сегодня для их обнаружения используют гигантские установки, такие, как обсерватория LIGO с 4-километровыми интерферометрами.
Команда физиков из Стокгольмского университета, Северного института теоретической физики и Тюбингенского университета предложили иной подход. Когда возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, они испускают фотоны строго определенной частоты — это явление называется спонтанным излучением. Процесс идет через взаимодействие с квантовым электромагнитным полем.
Гравитационные волны модулируют это квантовое поле, что в свою очередь влияет на спонтанное излучение. Эта модуляция может сдвигать частоты испущенных фотонов по сравнению с тем, что было бы без волны.
Согласно предложенной учеными теории, излучение атомов зависит от направления. Общая скорость испускания фотонов остается одинаковой — именно поэтому эффект до сих пор ускользал от внимания исследователей. Однако частота фотонов начинается меняться в зависимости от того, куда они летят. Эта направленная спектральная картина несет в себе информацию о направлении прихода гравитационной волны и ее поляризации, что позволяет отличать сигнал от шума.
Низкочастотные гравитационные волны — главная цель будущих космических обсерваторий. Но авторы предлагают неожиданную альтернативу: использовать холодные атомы. Узкие оптические переходы, применяемые в атомных часах, обеспечивают длительное время взаимодействия, что делает системы холодных атомов перспективным испытательным стендом.
Авторы теории сравнили такие атомы с музыкальным плеером, которые играет ровную ноту. Но гравитационная волна меняет ее звучание в зависимости от того, с какой стороны находится слушатель. Для подтверждении гипотезы физикам осталось научиться улавливать эту разницу.
По словам Навдипа Арьи из Стокгольмского университета, результаты работы могут открыть путь к компактным детекторам гравитационных волн, где нужный ансамбль атомов имеет миллиметровый масштаб. Выводы команды опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.
Ранее Наука Mail рассказывала о наблюдении за столкновением черной дыры и нейтронной звезды.
