Альберт Эйнштейн предсказал существование двух явлений в нашей Вселенной, которые с тех пор были доказаны: гравитационные волны и вынужденное излучение. Новое исследование показало, что эти эффекты иногда могут объединяться в редкие и экзотические «гравитационные лазеры» — возможно, это позволит найти новый способ обнаружения одной из самых неуловимых субстанций во Вселенной.
Вы каждый день сталкиваетесь со стимулированным излучением в виде лазеров, например, со сканером штрих-кодов в вашем супермаркете или оптоволоконными кабелями, передающими информацию по всему городу. В теле лазера атомы испускают излучение с нужной длиной волны, чтобы возбудить соседние атомы, заставляя их испускать излучение с той же длиной волны. Излучение каскадирует, пока не превращается в когерентный луч — выход лазера. Астрономы нашли и природные источники лазеров, особенно в гигантских холодных молекулярных облаках (там лучи называют мазерами, потому что они испускают микроволновое излучение).
В статье, опубликованной в январе в базе данных препринтов arXiv, Цзин Лю, физик из Университета Китайской академии наук в Пекине, предполагает, что сама гравитация может быть направлена в луч космического лазера — но только если верна определенная модель темной материи (загадочного, невидимого вещества, составляющего примерно 85 % материи во Вселенной).
Эта модель темной материи основана на аксионах — гипотетических сверхлегких частицах, которыми наполнена Вселенная. Эти частицы настолько легки, что обладают значительными квантовыми свойствами, то есть их длины волн довольно велики. Они действуют не строго как частицы, а скорее как странная комбинация волн и частиц.
Эта волнообразная природа позволяет аксионам быть захваченными черными дырами. Но из-за большой длины волны они не «помещаются» в горизонт событий черной дыры; вместо того чтобы падать в черную дыру, аксионы существуют вокруг нее, подобно тому, как электроны существуют рядом с ядром атома. Эти «атомы черных дыр» могут усеивать Вселенную, теоретизировали физики на протяжении десятилетий.
Между тем, сами черные дыры склонны излучать гравитационные волны, которые представляют собой рябь в ткани пространства-времени. Астрономы уже обнаружили гравитационные волны, испускаемые сливающимися черными дырами, но сложные взаимодействия между одиночными черными дырами и их окружением также могут приводить к испусканию волн.
Если длина волн гравитационных волн будет подходящей (а если черная дыра излучает достаточно гравитационных волн, то некоторые из них обязательно будут подходящими), то они могут возбудить аксионы вокруг нее. Тогда аксионы, окружающие черную дыру, начнут двигаться согласованно, что приведет к испусканию еще большего количества гравитационных волн.
Эти новые гравитационные волны будут вызывать еще больше возбуждений, пока все это не станет каскадом, как лазер, излучающий плотно сфокусированные гравитационные волны в одном направлении. Лю, назвавший теоретическое явление «гравитационным лазером», отметил, что это будет новый вид сигнала гравитационных волн, совершенно не похожий на те, которые мы когда-либо видели или изучали раньше.
Несмотря на свою мощность, такие гравитационные лазеры будут очень редкими. Во-первых, для запуска каскада возбуждения должны быть созданы оптимальные условия. Во-вторых, большинство лазеров будут направлены в сторону от Земли, поскольку они выстреливают из черных дыр в случайных направлениях, и мы не сможем их увидеть. Но гравитационно-волновые обсерватории нового поколения, возможно, смогут обнаружить гравитационные лазеры. Если мы их увидим, это станет веским доказательством существования темной материи в виде аксионов — и того, что наша Вселенная достаточно удивительна, чтобы допустить существование гравитационных лазеров.
Нет комментариев