В повечето случаи откриването на ефектите на гравитацията не е толкова трудно. Skydivers се втурват към земята в момента, в който излязат от самолет и благодарение на космическите телескопи можете да видите как светлината се изкривява в зашеметяващи пръстени от масивни групи галактики. Но се оказа особено трудно да се открият гравитационни вълни, пулсации в пространството и времето, предизвикани от мощно космическо събитие.
Свързано съдържание
- Тези космически лакомства включват галактическо усмихнато лице и междузвездна роза
- Не, не сме открили гравитационни вълни (все пак)
Повечето опити досега са търсили начина, по който се очаква пулсациите в пространството и времето да влияят на светлината и материята. Сега учените в САЩ и Израел смятат, че бихме могли да намерим вълните по-бързо и по-евтино, ако потърсим ефектите им върху времето, а не за пространството.
Търсенето на гравитационни вълни е от 1916 г., когато Алберт Айнщайн прогнозира, че те трябва да съществуват като част от неговата обща теория на относителността. Той направи случая, че пространството-времето е като тъкан и това, което усещаме като гравитация, е кривина в тази тъкан, причинена от масивни предмети. Като топка за боулинг, окачена в одеяло, например нашата масивна планета Земя извива пространство-време около нея.
Теорията също така предполага, че когато много масивни предмети като черни дупки се сливат, гравитационният взрив ще изпрати вълнички, разпространяващи се навън през пространството-време. Откриването им не само ще продължи да утвърждава теорията на Айнщайн, но и ще отвори нов прозорец на Вселената, защото учените могат да използват гравитационни вълни, за да изследват иначе невидимите събития в Космоса. Но доказателството за гравитационните вълни е неуловимо, в голяма степен, защото вълните стават по-слаби, колкото по-далеч пътуват, и много източници на гравитационни вълни са открити на ръба на Вселената на милиарди светлинни години.
Миналата година експеримент, наречен BICEP2, твърди, че е открил слабите сигнали, свързани с тип първична гравитационна вълна, произведена от внезапно избухване в ранна Вселена. Твърдението обаче беше преждевременно, тъй като по-късните анализи намаляха увереността, че екипът на BICEP2 видя нещо повече от въртеливия прах в Млечния път.
Планираната обсерватория на eLISA на Европейската космическа агенция, която трябва да бъде пусната през 2034 г., е предназначена да открие различен вид вълна: гравитационни вълни с ниска честота или нискочестотни вълни, генерирани от сливането на свръхмасивни двойки от черни дупки. Учените откриха свръхмасивни черни дупки в центровете на много големи галактики, включително нашата собствена. Предполага се, че коалесценцията на две такива галактики излъчва гравитационни вълни, които могат да се разпространяват по вселената. За да ги открие, eLISA ще използва лазери за измерване на малки промени в разстоянието на флота на космически кораби, което трябва да се случи, когато гравитационна вълна минава покрай тях.
В нов документ Ави Льоб от Харвард-Смитсонианския център за астрофизика и Дани Маоз от Университета в Тел Авив посочват, че скорошният напредък във времето може да позволи на атомните часовници да открият гравитационни вълни по-бързо и по-евтино от eLISA. Те очертават предложение за масив от атомни часовници, разположени в различни точки около слънцето, които биха могли да открият явление, наречено дилатация на времето, когато гравитационните ефекти могат да доведат до забавяне на времето.
Подобно на eLISA, планът им също изисква космически кораби да летят във формация и да комуникират с помощта на лазери. Но вместо да предават информация за промените в разстоянието, лазерите ще следят дребни разминавания във времето между синхронизираните атомни часовници, инсталирани на борда на космическия кораб.
Прогнозираните времеви промени са малки: „Говорим за една част от милион трилиона с точност във времето“, казва Льоб. "За да откриете такъв вид промяна, ви е необходим часовник, който нито ще спечели, нито загуби само една десета от секундата, дори ако е трябвало да работи за 4, 5 милиарда години или цялата епоха на Земята."
Доскоро този вид точност надхвърляше способността на атомните часовници, които използват елемента цезий, които са основа за сегашния международен стандарт за запазване на времето. Но в началото на 2014 г. физиците в Националния институт за стандарти и технологии (NIST) разкриха експериментален атомен часовник с „оптична решетка“, който постави нови световни рекорди както по точност, така и по отношение на стабилността. Тези часовници работят на оптични честоти и така осигуряват по-голяма точност от атомните часовници на цезий, които разчитат на микровълните, за да запазят времето си.
На теория оптичните атомни часовници могат да осигурят точността, необходима за откриване на малките часови промени, предвидени от гравитационните вълни. Льоб и Маоз твърдят, че техният дизайн би бил по-опростен и би могъл да бъде постигнат за по-малко разходи, тъй като ще изисква по-малко мощни лазери от eLISA. Атомните часовници с по-ниска точност вече се използват на GPS сателити, така че Лоб смята, че трябва да е възможно да се изпрати новото поколение атомни часовници и в космоса.
Два космически кораба, разположени на правилното разстояние, могат да усетят както върха, така и нивото на преминаваща гравитационна вълна. (Loeb et al., Arxiv.org) Най-добрата настройка би била двойка атомни часовници, инсталирани на космически кораби близнаци, които споделят орбитата на Земята около слънцето. Основен космически кораб също ще бъде в орбита, за да координира сигналите, идващи от часовниците. Съдът, носещ часовника, трябва да бъде разделен с около 93 милиона мили - приблизително разстоянието между Земята и Слънцето или една астрономическа единица (AU).
„Това е хубаво съвпадение, защото една АС се равнява приблизително на половин дължина на вълната за [нискочестотна] гравитационна вълна, подобно на вида, който учените смятат, че сливането на свръхмасивни черни дупки излъчва“, казва Льоб. С други думи, това би било точно правилното разстояние да усетите както върха, така и коритото на гравитационна вълна, преминаваща през Слънчевата система, така че атомните часовници, разположени в тези две точки, ще изпитат най-големите ефекти на дилатация във времето.
Засега подобна мисия не е в нито едно работно бюро на космическата агенция или предложение за бюджет. Но Льоб се надява идеята да предизвика по-внимателно проучване на алтернативите на eLISA. Проектът eLISA „се възползва от десетилетия дискусии, така че трябва да позволим този алтернативен дизайн да бъде проучен поне няколко месеца, преди да бъде отхвърлен.“
Льоб добавя, че има множество практически приложения от по-прецизни атомни часовници в космоса, като по-добра точност на GPS и подобрена комуникация. Той смята, че първите часовници с оптична решетка биха могли да бъдат пуснати от бизнеса за търговски цели, а не от правителствени агенции. „Ако това се случи, всяка наука, която извлечем от нея, би била страничен продукт“, казва той.
Джун Йе, физик от Университета в Колорадо и сътрудник от NIST, казва, че предложението на Лоб и Маоз „отваря нов интелектуален фронт“ относно използването на оптични атомни часовници за тестване на фундаментална физика, включително търсене на гравитационни вълни. „Аз съм оптимист за по-нататъшно подобряване на оптичните часовници и евентуалното им използване в такива приложения“, казва Йе.
