Астрономия

Открытие гравитационных волн в сентябре 2015 года позволило напрямую изучать самые экстремальные явления во Вселенной. Но можно ли использовать эту «рябь» пространства-времени в качестве средства связи? Чтобы ответить на этот вопрос, авторы нового исследования обозначили основные теоретические и технические проблемы.

Когда сверхмассивные черные дыры или нейтронные звезды сливаются друг с другом, искажения в пространстве-времени порождают гравитационные волны, которые распространяются по Вселенной со скоростью света. Зарегистрировать их удалось с помощью детекторов LIGO и Virgo, тем самым подтвердив одно из ключевых предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна.

Физики поднимали вопрос о возможном использовании гравитационных волн для коммуникации, в том числе для общения с внеземными цивилизациями, начиная с 1960-х годов, то есть задолго до их непосредственного открытия.

Дело в том, что гравитационная связь — не просто научная фантастика. Речь идет о создании новой технологии передачи данных, основанной не на электромагнитных а на гравитационных волнах, генерируемых в лабораторных условиях: в случае успеха гравитационно-волновая связь может стать ключевым инструментом для изучения дальнего космоса, обеспечив стабильную межзвездную связь с космическими аппаратами.

Традиционные методы связи, основанные на электромагнитных волнах, имеют ряд ограничений: с расстоянием сигналы ослабевают и искажаются атмосферными явлениями, а солнечная активность создает помехи. Гравитационные волны, напротив, обладают уникальными свойствами: они взаимодействуют с материей значительно слабее, чем электромагнитные сигналы, практически не теряют энергию (распространяясь на огромные расстояния), устойчивы к помехам и не подвержены влиянию атмосферы или космической пыли.

Вот почему авторы нового исследования, опубликованного на сервере препринтов Корнеллского университета, Хоу Тянь фу Ван (Houtianfu Wang) и Озгур Акан (Ozgur B. Akan) из Кембриджского университета (Великобритания) детально рассмотрели основы, современное состояние и будущее гравитационной-волновой коммуникации.

Чтобы использовать «рябь» пространства-времени в качестве средства связи, придется решить две ключевые задачи: генерацию гравитационных волн в лабораторных условиях и их обнаружение. Решение первой требует разработки новых материалов и методов, в частности сверхпроводящих устройств и мощных лазеров, однако даже с их помощью создать волны достаточной амплитуды и частоты для последующей регистрации и распространения по Вселенной невозможно.

Впрочем, то же верно и в отношении второй, так же далекой от реализации задачи. Дело в том, что современные детекторы, такие как LIGO и Virgo, предназначены для обнаружения гравитационных волн от астрофизических событий (то есть ориентированы на астрофизические сигналы низкочастотного диапазона — герцы-килогерцы), а значит использовать их для приема искусственных сигналов нельзя.

Хотя создание такой технологии сегодня невозможно, в будущем ситуация может измениться: не так давно и сами гравитационные волны считались чисто теоретическим следствием уравнений Эйнштейна.

Работа интересна и с научной точки зрения, поскольку изложенные в ней предложения по созданию новых технологий могут помочь в разработке сверхпроводников и пригодиться в экспериментах с высокочастотными детекторами. Ученые надеются, что их обзор вдохновит коллег на дальнейшие исследования.