Предсказания Эйнштейна означают, что редкие «гравитационные лазеры» могут существовать по всей Вселенной

Новое исследование, объединяющее два знаменитых предсказания Альберта Эйнштейна, предполагает, что рябь в пространстве-времени может объединяться в «гравитационные лазеры», выстреливающие из черных дыр в случайных направлениях по всему космосу.

Среди своих многочисленных теоретических открытий Альберт Эйнштейн предсказал существование двух явлений в нашей Вселенной, которые с тех пор были доказаны: гравитационные волны и вынужденное излучение радиации. Новое исследование показало, что эти эффекты иногда могут объединяться в редкие и экзотические «гравитационные лазеры», что, возможно, приведет к новому способу обнаружения одного из самых неуловимых веществ во Вселенной.

Каждый день люди испытывают стимулированное излучение в виде лазеров, таких как сканер штрих-кода в местном супермаркете или оптоволоконные кабели, передающие информацию по всему городу. Внутри корпуса лазера атомы испускают излучение именно той длины волны, которая возбуждает близлежащие атомы, заставляя их испускать излучение той же длины волны. Излучение каскадируется, пока не превратится в когерентный луч — выходной сигнал лазера. Астрономы также нашли естественные источники лазеров, особенно в гигантских холодных молекулярных облаках (где лучи называются мазерами, потому что они испускают микроволновое излучение).

В статье, опубликованной в базе данных препринтов arXiv, Цзин Лю, физик из Университета Китайской академии наук в Пекине, предполагает, что сама гравитация может быть направлена в космический лазерный луч — но только если определенная модель темной материи (таинственное невидимое вещество, составляющее примерно 85% материи во Вселенной) – это правда.  

Эта модель темной материи основана на аксионах — гипотетических сверхлегких частицах, наводняющих Вселенную. Эти частицы настолько легки, что обладают значительными квантовыми свойствами, а это означает, что их длины волн довольно велики. Они действуют не строго как частицы, а скорее как странная комбинация волн и частиц.

Эта волновая природа позволяет аксионам захватываться черными дырами. Но из-за своих больших длин волн они не «вписываются» в горизонт событий черной дыры; вместо того, чтобы падать в черную дыру, вокруг нее существуют аксионы, подобно тому, как электроны существуют вблизи ядра атома. Эти «атомы черной дыры» могут усеять Вселенную, предполагают физики на протяжении десятилетий.

Между тем, сами черные дыры имеют тенденцию 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 привести к излучению волн.

Если длины гравитационных волн подходящие (а если черная дыра излучает достаточное количество гравитационных волн, то некоторые из них обязательно будут подходящими), тогда они могут возбудить аксионы вокруг себя. Тогда аксионы, окружающие черную дыру, начнут скоординировано двигаться, вызывая выброс еще большего количества гравитационных волн.

Эти новые гравитационные волны вызовут еще большее возбуждение, пока все это не заработает каскадом, как лазер, испуская плотно сфокусированные гравитационные волны в одном направлении. Лю, назвавший теоретическое явление «гравитационным лазером», отметил, что это будет новый вид гравитационно-волнового сигнала, совершенно непохожий ни на один из тех, что мы когда-либо видели или изучали раньше.

Несмотря на свою мощь, эти гравитационные лазеры будут очень редки. Во-первых, условия должны быть подходящими для запуска каскада возбуждения. Во-вторых, большинство лазеров будут направлены в сторону от Земли, поскольку они вылетают из черных дыр в случайных направлениях, поэтому мы не сможем их увидеть. Но обсерватории гравитационных волн следующего поколения, возможно, смогут обнаружить гравитационные лазеры. Если мы их увидим, это будет убедительным доказательством того, что темная материя существует в форме аксионов — и что наша Вселенная достаточно устрашающа, чтобы допускать существование гравитационных лазеров.