|
Гравитационные волны - ключ к космической коммуникации
|
|
|
|
Когда в 2015 году астрономы обнаружили первые давно предсказанные 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, в основном радиоволны. Можем ли мы использовать гравитационные волны для общения?
|
|
|
|
Идея интригующая, хотя и выходит за рамки наших возможностей на данный момент. Тем не менее, есть смысл исследовать гипотетические возможности, поскольку будущее может наступить раньше, чем мы иногда думаем.
|
|
|
|
В новом исследовании рассматривается идея и то, как ее можно применить в будущем. Оно называется "Гравитационная коммуникация: основы, современное состояние и видение будущего" и доступно на сервере препринтов arXiv. Авторами являются Хоутианфу Ванг и Озгур Б. Акан. Ванг и Акан оба работают в группе "Интернет всего", инженерный факультет Кембриджского университета, Великобритания.
|
|
|
|
"Открытие гравитационных волн открыло новые возможности для астрономии и физики, предложив уникальный подход к исследованию глубин Вселенной и экстремальных астрофизических явлений. Помимо своего влияния на астрономические исследования, гравитационные волны также привлекли широкое внимание как новая коммуникационная парадигма", - объясняют авторы.
|
|
|
|
|
|
|
Традиционная электромагнитная связь имеет определенные недостатки и ограничения. С увеличением расстояния сигналы становятся слабее, что ограничивает дальность действия. Атмосферные воздействия могут создавать помехи для радиосвязи, рассеивать и искажать ее. Существуют также ограничения в пределах прямой видимости, а также солнечная погода и космическая активность.
|
|
|
|
Что многообещающего в гравитационно-волновой связи (GWC), так это то, что она может решить эти проблемы. GWC надежна в экстремальных условиях и теряет минимум энергии на сверхдальних расстояниях. Она также устраняет проблемы, связанные с электромагнитной связью (EMC), такие как диффузия, искажение и отражение. Существует также интересная возможность использования естественных источников энергии, что означает сокращение затрат энергии, необходимой для их создания.
|
|
|
|
"Гравитационная связь, также известная как гравитационно-волновая связь, обещает преодолеть ограничения традиционной электромагнитной связи, обеспечивая надежную передачу данных в экстремальных условиях и на огромных расстояниях", - отмечают авторы.
|
|
|
|
Чтобы усовершенствовать технологию, исследователям необходимо создать искусственные гравитационные волны (ГВ) в лаборатории. Это одна из основных целей исследований ГВ. ГВ чрезвычайно слабы, и генерировать их могут только огромные массы, движущиеся с большой скоростью. Даже ГВ, которые мы обнаружили в результате слияния сверхмассивных черных дыр (SMBH), масса которых может достигать миллиардов солнечных масс, вызывают лишь незначительные эффекты, для обнаружения которых требуются невероятно чувствительные приборы, такие как LIGO.
|
|
|
|
Создание ГВ, достаточно мощных для обнаружения, является необходимым первым шагом.
|
|
|
|
"Генерация гравитационных волн имеет решающее значение для развития гравитационной коммуникации, но при этом остается одной из главных проблем современного технологического развития", - пишут авторы. - Исследователи изучили различные инновационные методы достижения этой цели, включая механические резонансные и вращательные устройства, сверхпроводящие материалы и столкновения пучков частиц, а также методы, использующие мощные лазеры и электромагнитные поля".
|
|
|
|
За GWC стоит много теоретической работы, но меньше практической. В статье указывается, в каком направлении следует проводить исследования, чтобы преодолеть разрыв между ними.
|
|
|
|
Очевидно, что в лабораторных условиях невозможно воссоздать такое потрясающее событие, как слияние черных дыр. Но, что удивительно, исследователи рассматривали эту проблему еще в 1960 году, задолго до того, как мы впервые обнаружили GWs.
|
|
|
|
В одной из первых попыток были задействованы вращающиеся массы. Однако скорости вращения, необходимой для создания GWS, достичь было невозможно, отчасти из-за того, что материалы были недостаточно прочными. В других попытках и предложениях использовались пьезокристаллы, сверхтекучие жидкости, пучки частиц и даже мощные лазеры. Проблема с этими попытками заключается в том, что, хотя физики понимают теорию, лежащую в их основе, у них пока нет подходящих материалов. Ученые считают, что в некоторых попытках были получены GW, но они недостаточно сильны, чтобы их можно было обнаружить.
|
|
|
|
"Высокочастотные гравитационные волны, часто генерируемые объектами меньшей массы или масштаба, могут быть получены искусственным путем в лабораторных условиях. Но они остаются необнаруживаемыми из-за их низкой амплитуды и несоответствия чувствительности современных детекторов", - объясняют авторы.
|
|
|
|
Необходимы более совершенные технологии обнаружения или какой-либо метод согласования генерируемых GW с существующими возможностями обнаружения. Существующие технологии направлены на обнаружение GW в результате астрофизических событий. Авторы объясняют, что "исследования должны быть сосредоточены на разработке детекторов, способных работать в более широком диапазоне частот и амплитуд".
|
|
|
|
В то время как GWC избегают некоторых проблем, с которыми сталкиваются электромагнитные коммуникации, они не лишены проблем. Поскольку они могут перемещаться на огромные расстояния, GWC сталкивается с проблемами ослабления, фазовых искажений и сдвигов поляризации из-за взаимодействия с такими объектами, как плотная материя, космические структуры, магнитные поля и межзвездное вещество. Это может не только ухудшить качество сигнала, но и усложнить декодирование.
|
|
|
|
Также необходимо учитывать уникальные источники шума, включая тепловой гравитационный шум, фоновое излучение и перекрывающиеся сигналы GW. "Разработка комплексных моделей каналов необходима для обеспечения надежного и эффективного обнаружения в таких условиях", - пишут авторы.
|
|
|
|
Чтобы когда-либо использовать GWs, нам также необходимо выяснить, как их модулировать. Модуляция сигнала имеет решающее значение для связи. Посмотрите на любой автомобильный радиоприемник, и вы увидите "AM" и "FM". AM означает "Амплитудная модуляция", а FM - "Частотная модуляция". Как мы могли бы модулировать GW и превратить их в значимую информацию?
|
|
|
|
"В недавних исследованиях изучались различные методы, включая амплитудную модуляцию, основанную на астрофизических явлениях (AM), частотную модуляцию, вызванную темной материей (FM), манипулирование сверхпроводящими материалами и теоретические подходы, основанные на неметричности", - пишут авторы. Каждый из них многообещающ, но в то же время полон препятствий.
|
|
|
|
Например, мы можем теоретизировать об использовании темной материи для модуляции сигналов GW, но мы даже не знаем, что такое темная материя. "Частотная модуляция, связанная со сверхлегкой скалярной темной материей (ULDM), зависит от неопределенных предположений о свойствах и распределении темной материи", - пишут авторы, обращаясь к слону в комнате.
|
|
|
|
Может показаться, что GWC недосягаема, но она настолько многообещающа, что ученые не желают отказываться от нее. В области дальней космической связи электромагнитная связь затруднена из-за огромных расстояний и помех, создаваемых космическими явлениями. GWC предлагает решения этих проблем.
|
|
|
|
Лучший способ связи на больших расстояниях имеет решающее значение для исследования глубокого космоса, и GWC - это именно то, что нам нужно. "Гравитационные волны могут поддерживать стабильное качество сигнала на огромных расстояниях, что делает их пригодными для полетов за пределы Солнечной системы", - пишут авторы.
|
|
|
|
До практической гравитационно-волновой коммуникации еще далеко. Однако то, что когда-то было только теорией, постепенно переходит в практическую плоскость.
|
|
|
|
"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 напряженной работы и будущих открытий.
|
|
|
|
Пара исследователей знает, что для продвижения идеи требуется много напряженной работы. Их статья очень подробная и всесторонняя, и они надеются, что она послужит катализатором для этой работы.
|
|
|
|
"Хотя полностью практичная система гравитационно-волновой связи остается неосуществимой, мы намерены использовать это исследование, чтобы подчеркнуть ее потенциал и стимулировать дальнейшие исследования и инновации, особенно для сценариев космической связи", - заключают они.
|
|
|
|
Источник
|
