частотный диапазон

Где-то в глубинах Млечного Пути время от времени вспыхивают радиоимпульсы — редкие, размеренные, словно удары далёкого метронома. Эти долгопериодические радиотранзиенты открыли совсем недавно, и они сразу поставили астрономов в тупик.

Луч фонарика пробивается сквозь туман. Чем гуще туман, тем сильнее рассеивается свет и тем позже он достигает глаза. Похожий принцип работает с быстрыми радиовсплесками — загадочными сверхмощными импульсами из далёких галактик.

На заключительном этапе эволюции массивной звезды её ядро стремительно сжимается за доли секунды, порождая вспышку сверхновой — взрыв, отмечающий гибель светила. Этот катаклизм возмущает само пространство-время, испуская гравитационные волны — рябь, которая распространяется сквозь Вселенную, подобно кругам на воде от брошенного камня.

В тёмной комнате едва слышен шёпот. Чтобы разобрать слова, нужно подойти вплотную — или расставить много чувствительных микрофонов. Примерно так рассуждают авторы новой работы: они размещают квантовые «уши» прямо внутри резонатора, где высокочастотная гравитационная волна превращается в электромагнитное эхо.

Можно отправить к чёрной дыре короткий радиоимпульс и ждать отражённого эха. Казалось бы, чем короче сигнал, тем лучше он прощупает мельчайшие детали пространства у самого горизонта — той области, откуда даже свет не возвращается. Но природа ставит ловушку: сверхкороткая волна почти насквозь пролетает гравитационный барьер и уходит внутрь дыры.

Самый первый миг существования Вселенной подобен натянутой струне, по которой внезапно ударили. Она завибрировала, и эти колебания застыли в крупномасштабной структуре — галактиках и пустотах. Но физики подозревают, что были и другие вибрации — быстрые, локальные, почти как барабанная дробь на фоне медленной мелодии.

Колокол звенит не от удара, а от мимолётной дрожи пространства. Гравитационная волна — рябь в ткани пространства-времени, подобная кругам на пруду, — проходя сквозь массивный магнит, вызывает его микроскопическую деформацию. Эту деформацию можно преобразовать в электрический сигнал.

Бросьте камень в воду: у самой точки падения волны хаотичны — это ближнее поле. Дальше они расходятся ровными кругами — дальнее поле. Этот же принцип, знакомый по ряби на пруду, управляет антеннами для терагерцевой связи — фундамента будущего сверхбыстрого интернета.

Активное шумоподавление рождает «антизвук» — волну в противофазе, чтобы погасить нежелательный шум. Но стандартные системы слепы: они не знают, откуда приходит звук. В помещениях, где звук мечется эхом, это подобно боксу с завязанными глазами — глушишь вслепую, часто невпопад.

Быстрые радиовсплески — миллисекундные радиоимпульсы, приходящие из далёких галактик, — долго оставались загадкой. Их колоссальная энергия, сжатая в мгновения, говорила о катаклизмах на нейтронных звёздах, возможно, пульсарах или магнетарах.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

Ранняя Вселенная напоминала переполненный зал, где тяжёлые частицы сталкивались и распадались в оглушительном темпе. Среди них могли быть скалярные лептокварки — частицы, которые одновременно цепляются за кварк (кирпичик материи) и лептон (например, электрон).

Маяк посылает сигнал сквозь бурю из собственных зеркал — примерно так ведут себя быстрые радиовсплески, когда пытаются покинуть окрестности магнетара. Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в квадриллион раз сильнее земного.

Астрономы слушают космос подобно старому радиоприёмнику: они не ищут конкретную станцию, а вращают ручку, чтобы уловить любой необычный шум.

Басовая струна, которую дёрнули в момент Большого взрыва, не просто гудит на одной ноте — по ней бегут волны, и время от времени от неё отрываются крошечные колечки-петли. Эти петли, словно камертоны, начинают звенеть на собственной частоте, создавая очень высокий звук. В масштабах Вселенной «звук» — это рябь на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами.

Камень падает в пруд, и по воде разбегаются круги. Если на пути кругов встретится торчащая коряга, часть ряби отразится, а часть обогнёт препятствие. Похоже ведут себя и гравитационные волны — рябь самого пространства-времени, — когда проходят мимо скоплений галактик или чёрных дыр.

Волчок крутится с огромной скоростью и вместо ровного жужжания издаёт тихое гудение — потому что он чуть-чуть помят. Примерно так работают нейтронные звёзды: шары размером с город, сжатые до такой плотности, что чайная ложка их вещества весит как гора.

Сверхчуткий микрофон пытается уловить шёпот далёкой галактики. Но сам микрофон дрожит от тепла — его атомы пляшут, как попкорн на сковородке. Физики называют этот пляс тепловым шумом, и он часто заглушает слабые сигналы. В детекторах гравитационных волн — приборах, ловящих дрожание самого пространства, — ситуация похожая.

Детекторы гравитационных волн — это микрофоны, слушающие дрожь пространства. Но их собственный шум заглушает слабые сигналы. Чтобы услышать больше, физики добавляют в прибор специальный «сжатый» свет: он уменьшает квантовые помехи, как шумоподавление в наушниках.

Камертон, начав звучать, заставляет вибрировать соседние струны. Примерно так же ведёт себя облако сверхлёгких частиц (их ещё называют аксионами) вокруг быстро вращающейся чёрной дыры. Дыра, словно мотор, раскручивает частицы, и те начинают излучать гравитационные волны — дрожь самого пространства.

В центре Млечного Пути вращается перемычка из звёзд — вытянутое скопление, напоминающее вращающуюся лопасть. Её гравитация создаёт вокруг ритмичное поле, подобное волнам от катера, расходящимся по воде.

Первичные чёрные дыры ведут себя подобно закипающим чайникам: в процессе испарения они испускают «свист» — гравитационные волны, рябь самого пространства-времени.

Радиотелескоп ловит сигнал из Крабовидной туманности — и на экране вместо ровной линии появляются светлые и тёмные полосы, как на шкуре зебры. Это излучение пульсара — быстро вращающейся нейтронной звезды, которая осталась после взрыва сверхновой.

Обычная расчёска разделяет волосы на ровные пряди. Лазерная «расчёска» делает то же самое со светом: она испускает не один цвет, а тысячи цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые шаги частоты. Такой инструмент уже помог измерить время с точностью до миллиардных долей секунды и заглянуть внутрь атомов.

Плазма — это газ, разогретый так сильно, что электроны отрываются от атомов. В ней бегут волны, похожие на звук в воздухе, но управляет ими магнитное поле. Если магнитное поле становится неоднородным, а периодическим — как забор с чередующимися досками, — волны ведут себя иначе. Некоторые частоты просто исчезают: волна не может распространяться, отражается назад.

Гитарная струна, задетая пальцем, дрожит — и воздух вокруг неё передаёт дрожь в ухо. Пространство-время дрожит иначе: когда в нём проходит гравитационная волна, оно слегка растягивается и сжимается. Заметить такую дрожь на частотах от 10 килогерц до 100 мегагерц — задача, для которой строят детекторы нового типа. В основе — сверхпроводящая радиочастотная полость.

Гравитационные волны — это рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: они распространяются со скоростью света, незаметно растягивая и сжимая всё на своём пути.

Два чёрных гиганта кружатся и сталкиваются — по Вселенной расходится дрожь пространства. Эту дрожь ловят детекторы гравитационных волн. Но в сигнале может скрываться не только масса и расстояние: если законы физики чуть-чуть разные в разных направлениях, волна исказится.

Представьте мембрану, натянутую, как кожа на барабане. Она улавливает сразу два сигнала: гравитационные волны — дрожь самого пространства-времени — и неуловимые частицы тёмной материи. Мембрана помещена между зеркалами, и свет давит на неё, словно палец на струну, удерживая в постоянном натяжении.

Стальная пластина с решёткой 8×8 ячеек гасит упругие волны сразу в двух частотных коридорах. Это не случайная удача, а итог расчёта по новой схеме: сначала грубый шаблон под низкую частоту, затем тонкая доводка внутри свободных пикселей под высокую. Фононный материал — искусственная структура, которая управляет распространением упругих волн, как светофор управляет потоком машин.