Вчені досліджують, чи можна використовувати гравітаційні хвилі для космічного зв’язку

Коли у 2015 році астрономи виявили перші давно передбачувані гравітаційні хвилі, це відкрило зовсім нове вікно у Всесвіт. До цього астрономія залежала від спостережень світла на всіх його довжинах хвиль. Ми також використовуємо світло для спілкування, переважно радіохвилі. Чи можемо ми використовувати гравітаційні хвилі для спілкування?

Ідея інтригуюча, хоча наразі виходить за межі наших можливостей. З усім тим, досліджувати гіпотетику є цінність, оскільки майбутнє може настати раніше, ніж ми іноді думаємо. Нове дослідження вивчає цю ідею та те, як її можна застосувати в майбутньому. Він називається «Гравітаційна комунікація: основи, найновіші технології та бачення майбутнього» і доступний на сайті для підготовки до друку arxiv.org.

Автори: Хоутіанфу Ван і Озгур Б. Акан. Ван і Акан працюють у групі «Інтернет усього» інженерного факультету Кембриджського університету, Великобританія.

«Гравітаційні хвилі можуть підтримувати постійну якість сигналу на величезних відстанях, що робить їх придатними для місій за межами Сонячної системи». Хоутяньфу Ван і Озгур Б. Акан.

«Відкриття гравітаційних хвиль відкрило нове спостережне вікно для астрономії та фізики, пропонуючи унікальний підхід до дослідження глибин Всесвіту та екстремальних астрофізичних явищ. Крім свого впливу на астрономічні дослідження, гравітаційні хвилі також привернули широку увагу як новий комунікаційної парадигми», – пояснюють автори.

Традиційний електромагнітний зв’язок має певні недоліки та обмеження. Сигнали стають слабшими з відстанню, що обмежує діапазон. Атмосферні впливи можуть заважати радіозв’язку, розсіювати та спотворювати його. Існують також обмеження прямої видимості, сонячна погода та космічна активність також можуть заважати. Гравітаційно-хвильовий зв’язок (GWC) є перспективним у тому, що він може подолати ці проблеми.

GWC надійний в екстремальних умовах і втрачає мінімальну енергію на надзвичайно великих відстанях. Він також усуває проблеми електромагнітного зв’язку (EMC), такі як дифузія, спотворення та відображення. Існує також інтригуюча можливість використання природно створених GW, що означає зменшення енергії, необхідної для їх створення.

«Гравітаційний зв’язок, також відомий як зв’язок за допомогою гравітаційних хвиль, обіцяє подолати обмеження традиційного електромагнітного зв’язку, забезпечуючи надійну передачу в екстремальних середовищах і на великі відстані», – зазначають автори.

Щоб розвинути технологію, дослідникам потрібно створити штучні гравітаційні хвилі (GW) у лабораторії. Це одна з головних цілей дослідження GW. ГВ надзвичайно слабкі, і лише величезні маси, що швидко рухаються, можуть їх створити. Навіть ті GW, які ми виявили, що походять від злиття надмасивних чорних дір (SMBH), які можуть мати мільярди сонячних мас, створюють лише незначні ефекти, для виявлення яких потрібні неймовірно чутливі інструменти, такі як LIGO. Необхідним першим кроком є ​​створення GW, достатньо сильних для виявлення.

«Генерація гравітаційних хвиль є ключовою для розвитку гравітаційного зв’язку, але вона залишається однією з головних проблем сучасного технологічного розвитку», – пишуть автори. «Дослідники досліджували різні інноваційні методи досягнення цього, включаючи механічний резонанс і обертальні пристрої, надпровідні матеріали та зіткнення променів частинок, а також методи, що включають потужні лазери та електромагнітні поля».

За GWC є багато теоретичної роботи, але менше практичної роботи. У документі вказується, у якому напрямку повинні бути спрямовані дослідження, щоб подолати розрив між ними. Очевидно, що неможливо відтворити в лабораторії таку дивовижну подію, як злиття чорної діри. Але дивно, що дослідники розглядали цю проблему ще в 1960 році, задовго до того, як ми взагалі виявили GW.

Одна з перших спроб пов’язана з обертовими масами. Однак швидкість обертання, необхідну для створення GW, було неможливо досягти, частково тому, що матеріали були недостатньо міцними. Інші спроби та пропозиції стосувалися п’єзоелектричних кристалів, надплинних рідин, пучків частинок і навіть потужних лазерів. Проблема цих спроб полягає в тому, що хоча фізики розуміють теорію, що стоїть за ними, у них ще немає потрібних матеріалів. Вчені вважають, що деякі спроби викликали GW, але вони недостатньо сильні, щоб їх можна було виявити.

«Високочастотні гравітаційні хвилі, які часто генеруються меншими масами або масштабами, можливі для штучного виробництва в лабораторних умовах. Але вони залишаються невиявленими через низькі амплітуди та невідповідність поточній чутливості детектора», — пояснюють автори. Потрібні більш просунуті технології виявлення або якийсь метод узгодження створених GW з існуючими можливостями виявлення. Існуючі технології спрямовані на виявлення ГВ від астрофізичних подій.

Автори пояснюють, що «дослідження повинні зосередитися на розробці детекторів, здатних працювати в більш широкому діапазоні частот і амплітуд». Хоча GW уникають деяких проблем, з якими стикаються EM зв’язки, вони не без проблем. Оскільки вони можуть подорожувати на великі відстані, GWC стикається з проблемами затухання, фазових спотворень і поляризаційних зсувів від взаємодії з такими речами, як щільна матерія, космічні структури, магнітні поля та міжзоряна матерія. Це може не тільки погіршити якість сигналу, але й ускладнити декодування.

Існують також унікальні джерела шуму, які слід враховувати, включаючи термічний гравітаційний шум, фонове випромінювання та перекриваються GW сигнали.

«Розробка комплексних моделей каналів має важливе значення для забезпечення надійного та ефективного виявлення в цих середовищах», — пишуть автори.

Щоб коли-небудь використовувати GW, нам також потрібно з’ясувати, як їх модулювати. Модуляція сигналу має вирішальне значення для зв’язку. Подивіться на будь-яку автомобільну радіоприймач і побачите «AM» і «FM». AM означає «амплітудна модуляція», а FM означає «частотна модуляція». Як ми можемо модулювати GW і перетворювати їх на значущу інформацію?

«Нещодавні дослідження досліджували різноманітні методи, включаючи амплітудну модуляцію (AM), спричинену темною матерією частотну модуляцію (FM), маніпуляції з надпровідним матеріалом і теоретичні підходи, що не ґрунтуються на астрофізичних явищах», — пишуть автори.

Кожне з них є багатообіцяючим, а також забитим перешкодами. Наприклад, ми можемо теоретизувати про використання темної матерії для модуляції сигналів GW, але ми навіть не знаємо, що таке темна матерія.

«Частотна модуляція за участю надлегкої скалярної темної матерії (ULDM) залежить від невизначених припущень щодо властивостей і розподілу темної матерії», — пишуть автори, звертаючись до слона в кімнаті.

Може здатися, що GWC недосяжний, але він настільки багатообіцяючий, що вчені не бажають від нього відмовлятися. У далекому космосі зв’язок електромагнітним зв’язком ускладнюється величезними відстанями та перешкодами від космічних явищ. GWC пропонує вирішення цих перешкод.

Кращий спосіб спілкування на великих відстанях має вирішальне значення для дослідження далекого космосу, і GWC — це саме те, що нам потрібно. «Гравітаційні хвилі можуть підтримувати постійну якість сигналу на величезних відстанях, що робить їх придатними для місій за межами Сонячної системи», — пишуть автори. Практичний зв’язок за допомогою гравітаційних хвиль ще далекий. Проте те, що колись було тільки теоретичним, поступово переходить у практичне.

«Гравітаційна комунікація, як передовий напрямок досліджень із значним потенціалом, поступово переходить від теоретичних досліджень до практичного застосування», — пишуть Ван і Акан у своєму висновку. Це залежатиме від наполегливої ​​роботи та майбутніх проривів.

Пара дослідників знають, що для просування ідеї потрібно багато працювати. Їх документ дуже детальний і вичерпний, і вони сподіваються, що він стане каталізатором для цієї роботи.

«Хоча повністю практична система зв’язку за допомогою гравітаційних хвиль залишається нездійсненною, ми прагнемо використати це опитування, щоб підкреслити її потенціал і стимулювати подальші дослідження та інновації, особливо для сценаріїв космічного зв’язку», – підсумовують вони.