278
Когда в 2015 году астрономы обнаружили первые давно предполагаемые гравитационные волны, это открыло совершенно новое окно во Вселенную. До этого астрономия зависела от наблюдений света на всех его длинах волн. Мы также используем свет для общения, преимущественно радиоволны. Можем ли мы использовать гравитационные волны для общения?
Идея интригующая, хотя сейчас выходит за пределы наших возможностей. Со всем тем, исследовать гипотетику есть ценность, поскольку будущее может наступить раньше, чем мы иногда думаем. Новое исследование изучает эту идею и то, как ее можно применить в будущем. Он называется "Гравитационная коммуникация: основы, новейшие технологии и видение будущего" и доступен на сайте для подготовки к печати arxiv.org.
Авторы: Хоутианфу Ван и Озгур Б. Акон. Ван и Акан работают в группе "Интернет всего" инженерного факультета Кембриджского университета, Великобритания.
«Гравитационные волны могут поддерживать постоянное качество сигнала на огромных расстояниях, что делает их пригодными для миссий вне Солнечной системы». Хоутяньфу Ван и Озгур Б. Акон.
«Открытие гравитационных волн открыло новое окно для астрономии и физики, предлагая уникальный подход к исследованию глубин Вселенной и экстремальных астрофизических явлений. Помимо своего влияния на астрономические исследования, гравитационные волны также привлекли широкое внимание как новой коммуникационной парадигмы», – объясняют авторы.
Традиционная электромагнитная связь имеет некоторые недостатки и ограничения. Сигналы становятся слабее расстояния, ограничивающего диапазон. Атмосферные воздействия могут мешать радиосвязи, рассеивать и уродовать ее. Существуют также ограничения прямой видимости, солнечная погода и космическая активность могут мешать. Гравитационно-волновая связь (ГВК) перспективно в том, что он может преодолеть эти проблемы.
GWC надежен в экстремальных условиях и теряет минимальную энергию на чрезвычайно больших расстояниях. Он также устраняет проблемы электромагнитной связи (EMC), такие как диффузия, искажение и отражение. Существует также интригующая возможность использования естественно созданных GW, что означает уменьшение энергии, необходимой для их создания.
"Гравитационная связь, также известная как связь с помощью гравитационных волн, обещает преодолеть ограничение традиционной электромагнитной связи, обеспечивая надежную передачу в экстремальных средах и на большие расстояния", - отмечают авторы.
Чтобы развить технологию, исследователям необходимо создать искусственные гравитационные волны (GW) в лаборатории. Это одна из главных целей исследования GW. ГВ чрезвычайно слабы, и лишь огромные быстро движущиеся массы могут их создать. Даже те GW, которые мы обнаружили, что произошли от слияния сверхмассивных черных дыр (SMBH), которые могут иметь миллиарды солнечных масс, создают лишь незначительные эффекты, для обнаружения которых требуются невероятно чувствительные инструменты, такие как LIGO. Необходимым первым шагом является создание GW, достаточно сильных для обнаружения.
"Генерация гравитационных волн является ключевой для развития гравитационной связи, но она остается одной из главных проблем современного технологического развития", - пишут авторы. Исследователи исследовали различные инновационные методы достижения этого, включая механический резонанс и вращательные устройства, сверхпроводящие материалы и столкновение лучей частиц, а также методы, включающие мощные лазеры и электромагнитные поля.
По GWC есть много теоретической работы, но меньше практической работы. В документе указывается, в каком направлении должно быть направлено исследование, чтобы преодолеть разрыв между ними. Очевидно, что невозможно воспроизвести в лаборатории такое удивительное событие, как слияние черной дыры. Но удивительно, что исследователи рассматривали эту проблему еще в 1960 году, задолго до того, как мы вообще обнаружили GW.
Одна из первых попыток связана с вращающимися массами. Однако скорость вращения, необходимую для создания GW, было невозможно достичь, отчасти потому, что материалы были недостаточно прочными. Другие попытки и предложения касались пьезоэлектрических кристаллов, сверхтекучих жидкостей, пучков частиц и даже мощных лазеров. Проблема этих попыток заключается в том, что хотя физики понимают стоящую за ними теорию, у них еще нет нужных материалов. Ученые полагают, что некоторые попытки вызвали GW, но они недостаточно сильны, чтобы их можно было обнаружить.
«Высокочастотные гравитационные волны, часто генерируемые меньшими массами или масштабами, возможны для искусственного производства в лабораторных условиях. Но они остаются невыявленными из-за низких амплитуд и несоответствия текущей чувствительности детектора», — объясняют авторы. Требуются более продвинутые технологии обнаружения или некий метод согласования созданных GW с существующими возможностями обнаружения. Имеющиеся технологии ориентированы на выявление ГВ от астрофизических событий.
Авторы объясняют, что "исследования должны сосредоточиться на разработке детекторов, способных работать в более широком диапазоне частот и амплитуд". Хотя GW избегают некоторых проблем, с которыми сталкиваются EM связи, они не без проблем. Поскольку они могут путешествовать на большие расстояния, GWC сталкивается с проблемами затухания, фазовых искажений и поляризационных оползней от взаимодействия с такими вещами как плотная материя, космические структуры, магнитные поля и межзвездная материя. Это может не только ухудшить качество сигнала, но и усложнить декодирование.
Существуют также уникальные источники шума, которые следует учитывать, включая термический гравитационный шум, фоновое излучение и GW сигналы.
"Разработка комплексных моделей каналов имеет важное значение для обеспечения надежного и эффективного обнаружения в этих средах", - пишут авторы.
Чтобы когда-нибудь использовать GW, нам также нужно выяснить, как их модулировать. Модуляция сигнала имеет решающее значение для связи. Посмотрите на любой автомобильный радиоприемник и увидите "AM" и "FM". AM означает "амплитудная модуляция", а FM означает "частотная модуляция". Как мы можем модулировать GW и преобразовывать их в значимую информацию?
«Недавние исследования исследовали различные методы, включая амплитудную модуляцию (AM), вызванную темной материей частотную модуляцию (FM), манипуляции со сверхпроводящим материалом и теоретические подходы, не основывающиеся на астрофизических явлениях», — пишут авторы.
Каждое из них многообещающее, а также забитое препятствиями. Например, мы можем теоретизировать использование темной материи для модуляции сигналов GW, но мы даже не знаем, что такое темная материя.
«Частотная модуляция с участием сверхлегкой скалярной темной материи (ULDM) зависит от неопределенных предположений о свойствах и распределении темной материи», — пишут авторы, обращаясь к слону в комнате.
Может показаться, что GWC недостижим, но он настолько многообещающий, что учёные не желают от него отказываться. В далеком космосе связь электромагнитной связью усугубляется огромными расстояниями и препятствиями от космических явлений. GWC предлагает решение этих препятствий.
Лучший способ общения на больших расстояниях имеет решающее значение для исследования далекого космоса, и GWC это именно то, что нам нужно. "Гравитационные волны могут поддерживать постоянное качество сигнала на огромных расстояниях, что делает их пригодными для миссий за пределами Солнечной системы", - пишут авторы. Практическая связь с помощью гравитационных волн еще далека. Однако то, что когда-то было только теоретическим, постепенно переходит в практическое.
«Гравитационная коммуникация как передовое направление исследований со значительным потенциалом постепенно переходит от теоретических исследований к практическому применению», — пишут Ван и Акан в своем заключении. Это будет зависеть от упорной работы и будущих прорывов.
Пара исследователей знают, что для продвижения идеи нужно много работать. Их документ очень подробный и исчерпывающий, и они надеются, что он станет катализатором этой работы.
«Хотя полностью практическая система связи с помощью гравитационных волн остается невыполнимой, мы стремимся использовать этот опрос, чтобы подчеркнуть ее потенциал и стимулировать дальнейшие исследования и инновации, особенно для сценариев космической связи», – заключают они.
