Слияние чёрных дыр на краю Вселенной — и крохотный атом на Земле это почувствовал. Физики говорят, что так и должно быть

Гравитационные волны обычно ищут по крошечным изменениям расстояний, когда само пространство чуть растягивается и сжимается. Авторы новой работы предложили другой путь: не ловить рябь напрямую, а смотреть, как проходящая волна меняет свет, который испускают атомы. Если подход подтвердят эксперименты, астрономия гравитационных волн может получить не только гигантские установки вроде LIGO, но и компактные детекторы размером в миллиметры.

Исследователи предполагают, что гравитационная волна способна слегка перенастраивать излучение атомов. Речь идет не о количестве света, а о его свойствах в зависимости от направления. По словам одного из авторов работы, постдока Стокгольмского университета Навдипа Арьи, результаты могут открыть путь к компактным сенсорам гравитационных волн, где ключевую роль играет атомный ансамбль миллиметрового масштаба.

В основе идеи лежит хорошо известный процесс спонтанного излучения. Когда атом получает возбуждение от тепла, света или лазера, атом быстро возвращается в состояние с более низкой энергией и испускает свет на строго определенных частотах. Обычно процесс идет предсказуемо, потому что зависит от взаимодействия атома с окружающим квантовым электромагнитным полем.

Авторы работы считают, что гравитационная волна модулирует именно квантовое поле, а через него уже влияет на спонтанное излучение. Первый автор исследования Ежи Пачос, аспирант Стокгольмского университета, пояснил: такая модуляция может сдвигать частоты испущенных фотонов по сравнению с ситуацией без волны. Для регистрации сигнала, по замыслу ученых, не нужно механически сдвигать атомы. Достаточно уловить, как меняются условия самого излучения.

Сдвиг частоты получается очень малым, но в нем, как считают исследователи, сохраняется отпечаток прошедшей гравитационной волны. Самая необычная часть работы связана с направлением испускания фотонов. Общая интенсивность света остается прежней, поэтому эффект раньше мог ускользать от внимания. Зато частотный сдвиг зависит от того, в каком направлении вылетает фотон.

Авторы полагают, что такой рисунок несет полезную информацию о самой волне. По структуре сигнала можно судить, откуда пришла волна и как именно она деформирует пространство-время, то есть определить поляризацию. Подход также теоретически упрощает отделение реального сигнала от фонового шума, а шум остается одной из главных проблем всей гравитационно-волновой астрономии.

Для наблюдения столь слабого эффекта исследователи предлагают использовать системы на базе атомных часов. Такие установки опираются на сверхточные оптические переходы и позволяют атомам испускать свет с очень высокой стабильностью на длинных промежутках времени. В среде с холодными атомами, где внешние возмущения сведены к минимуму, даже микроскопические сдвиги частоты могут стать заметными.

Если эксперимент подтвердит расчеты, метод может серьезно расширить набор инструментов для поиска гравитационных волн. Миллиметровые детекторы не заменят крупные обсерватории, но могут дополнить их и помочь в изучении низкочастотных волн, которые сегодня особенно трудно регистрировать. Авторы статьи пишут, что эффект в принципе можно измерить в современных экспериментах с холодными атомами и что спонтанное излучение может стать новым зондом для поиска низкочастотных гравитационных волн.

Пока речь идет только о теории. Практическая проверка потребует тщательного анализа шумов и других факторов, которые тоже влияют на частоты фотонов. Арья прямо говорит, что без такого анализа оценить реальную применимость идеи нельзя. Но сама работа уже показывает любопытный поворот: в будущем охотиться за рябью пространства-времени, возможно, будут не только многокилометровые установки, но и аккуратные атомные системы. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.