Астрофизики описали природу гипотетических гравитационных лазеров

Среди своих многочисленных теоретических открытий Альберт Эйнштейн предсказал существование в нашей вселенной двух явлений, которые позже были доказаны: гравитационных волн и вынужденного излучения. Новое исследование показало, что эти эффекты иногда могут объединяться в редкие и экзотические "гравитационные лазеры".

Внутри лазера атомы испускают излучение с нужной длиной волны, возбуждая соседние атомы, заставляя их испускать излучение той же длины волны. Излучение каскадируется до тех пор, пока не превратится в когерентный луч — выходной сигнал лазера. Астрономы уже обнаружили естественные источники лазеров в гигантских холодных молекулярных облаках.

В статье, опубликованной в январе в базе данных препринтов arXiv, Цзин Лю, физик из Университета Китайской академии наук в Пекине, предполагает, что при определенных обстоятельствах гравитация может становиться лазерным лучом — но только в том случае, если гипотетическая модель темной материи (таинственного, невидимого вещества, составляющего примерно 85% вещества во Вселенной) верна.

Эта модель темной материи основана на аксионах, которые являются гипотетическими сверхлегкими частицами, заполняющими Вселенную. Эти частицы настолько легки, что обладают значительными квантовыми свойствами, что означает, что их длины волн довольно велики. Они действуют не строго как частицы, а скорее как странная комбинация волн и частиц.

Эта волнообразная природа позволяет черным дырам захватывать аксионы. Но из-за их большой длины волны они не "вписываются" в горизонт событий черной дыры; вместо того, чтобы падать в черную дыру, аксионы существуют вокруг нее, подобно тому, как электроны существуют вблизи ядра атома. 

Между тем, черные дыры имеют тенденцию излучать гравитационные волны, которые представляют собой рябь в ткани пространства-времени.

Астрономы уже обнаружили гравитационные волны, испускаемые сливающимися черными дырами.

Если длины гравитационных волн имеют определенную характеристику (и если черная дыра излучает достаточное количество гравитационных волн, то некоторые из них обязательно будут иметь эту характеристику), то они могут возбуждать аксионы вокруг себя. Тогда аксионы, окружающие черную дыру, начнут двигаться скоординированным образом, вызывая выброс еще большего количества гравитационных волн.

Эти новые гравитационные волны будут вызывать еще большее возбуждение, пока все это не начнет каскадировать подобно лазеру, излучая строго сфокусированные гравитационные волны в одном направлении. Лю, назвавший теоретическое явление "гравитационным лазером", указал, что это будет новый вид сигнала гравитационной волны, совершенно не похожий ни на один из тех, которые мы когда-либо видели или изучали раньше. 

Несмотря на свою мощность, эти гравитационные лазеры были бы очень редкими. Во-первых, условия, подходящими для запуска каскада возбуждения, очень редки. 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 гравитационно-волновые обсерватории следующего поколения, возможно, смогут обнаружить такие гравитационные лазеры. Если мы их увидим, это будет убедительным доказательством того, что темная материя существует в форме аксионов — и что наша вселенная достаточно удивительна, чтобы допускать существование гравитационных лазеров.