Крошечное кристаллическое устройство услышало первые крики новорожденных черных дыр

Крошечное кристаллическое устройство услышало первые крики новорожденных черных дыр

Впервые ученые стали свидетелями рождения черной дыры в 2017 году. Тогда детекторы гравитационных волн уловили рябь в пространственно-временной канве. Рябь была вызвана столкновением двух нейтронных звезд, что дало вселенной новую черную дыру.

Но за кадром осталась самая важная часть образования дыры. Речь идет о непосредственном процессе образования, о движении материи за мгновение до того, как она была запечатана внутри горизонта событий черной дыры. Информация не могла быть получена просто потому, что гравитационные волны, испускаемые в эти последние моменты, были настолько высокочастотными, что детекторы, которые мы имеем сегодня, не имели возможности их идентифицировать.

Образование черной дыры чем-то похоже на то, как формировался мир в результате Большого взрыва. Только этот Большой взрыв происходит как бы в обратном направлении. Но чтобы узнать все подробности рождения дыры, ученые начали работу над улучшением детекторов гравитационных волн. И, кажется, они нашли решение. Теперь, как уверяют исследователи, наконец, получится усилить работу техники аж в сорок раз.

Речь идет о создании новых и довольно странных пока что для нашего понимания блоков энергии («квантов»). Этакую смесь двух типов квантовых колебаний. Основанные на этой технологии устройства могут быть внедрены в систему уже существующих детекторов, и этим самым усилится их чувствительность.

Квантовый вопрос

Детекторы гравитационных волн, вроде Лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO) в США, используют лазеры для измерения невероятно малых изменений расстояния между двумя зеркалами. Поскольку они измеряют изменения в тысячу раз меньшие размера отдельного протона, эффекты квантовой механики, то есть физики отдельных частиц или квантов энергии, играют важную роль в работе этих детекторов.

Важно знать, что в данном случае задействовано два разных типа квантовых пакета. Причем оба были предсказаны Эйнштейном еще в 1905 году. Именно тогда он утверждал, что свет приходит к нам в виде пакетов энергии — фотонов, а спустя два года он сказал, что тепловая и звуковая энергии приходят в виде пакета энергии — фононов.

Фотоны довольно широко используются в самых различных технологиях, а вот с фононы незаслуженно обижены вниманием. Более того, от них только проблемы, ведь в детекторах гравитационных волн фононы отскакивают внутри зеркал детектора и этим ухудшают чувствительность.

Ученые поняли, что решить проблему можно примирением фононов с фотонами. То есть стоит создать устройство, в котором энергия переносится в квантовых пакетах, которые разделяют свойства как фононов, так и фотонов. И эта техника будет обладать весьма замечательными свойствами.

Однако придется пересмотреть подход к такой области, как Резонансное усиление. Это работает как качели: если их толкать к нужное время, то все эти отдельные небольшие толчки будут создавать эффект больших качелей. Проблема в том, что никто до сих пор не понял, как все это сделать. Ведь фононы внутри устройства будут подавляться случайными колебаниями, вызванными теплом.

Решение проблемы

Институт Нильса Бора в Копенгагене разрабатывает устройства, называемые фононными кристаллами, в которых тепловые колебания контролируются кристаллической структурой, вырезанной в тонкой мембране. Австралийский центр передового опыта инженерных квантовых систем также продемонстрировал альтернативную систему, в которой фононы удерживаются внутри ультрачистой кварцевой линзы.

Обе системы, если их добавить к существующим детекторам гравитационных волн, улучшат чувствительность к частотам в несколько килогерц: вероятно, в сорок или более раз, необходимых для прослушивания рождения черной дыры.

Эти усовершенствования необходимы как никогда, поскольку астрофизики предсказали существование сложных форм гравитационных волн, создаваемых конвульсиями нейтронных звезд в процессе образования черных дыр. Эти гравитационные волны могут помочь нам «услышать» ядерную физику коллапсирующей нейтронной звезды.

Одно известно, что, если бы мы могли наблюдать, как нейтроны превращаются в кварки, а затем исчезают в сингулярности черной дыры, то мы увидели бы полную противоположность Большому взрыву, когда из сингулярности, наоборот, возникли частицы, которые и создали нашу Вселенную.

Популярные материалы