Когда астрономы обнаружили первые давно предсказанные гравитационные волны в 2015 году, он открыл совершенно новое окно во вселенную. До этого астрономия зависела от наблюдений за светом на всех его длинах волн.
Мы также используем свет для общения, в основном радиоволн. Можем ли мы использовать гравитационные волны для общения?
Идея интригует, хотя и за пределами наших возможностей прямо сейчас. Тем не менее, есть ценность в изучении гипотетической, поскольку будущее имеет способ прибытия раньше, чем мы иногда думаем.
Новое исследование исследует идею и то, как ее можно применить в будущем. Он называется «Гравитационная общение: основы, современное и будущее видение», и он доступен на сайте предварительного пресс Arxiv.org. Авторы — Houtianfu Wang и Ozgur B. Akan. Ван и Акан оба находятся в группе Интернета всего, факультет инженерии, Кембриджский университет, Великобритания.
«Гравитационные волны могут поддерживать постоянное качество сигнала на огромных расстояниях, что делает их подходящими для миссий за пределами солнечной системы».
Houtianfu Wang и Ozgur B. Akan.
«Открытие гравитационных волн открыло новое наблюдение за астрономией и физикой, предлагая уникальный подход к изучению глубины вселенной и экстремальных астрофизических явлений. Помимо его влияния на астрономические исследования, гравитационные волны также привлекли широкое внимание как новую парадигму связи », — объясняют авторы.
Традиционная электромагнитная связь имеет определенные недостатки и ограничения. Сигналы становятся слабее с расстоянием, что ограничивает диапазон. Атмосферные эффекты могут влиять на радиосвязь и распространять и искажать их. Существуют также ограничения на просмотр, и солнечная погода и космическая активность также могут мешать.
Что многообещающе в связи с гравитационной волной (GWC), так это то, что оно может преодолеть эти проблемы. GWC устойчив в экстремальных средах и теряет минимальную энергию на чрезвычайно больших расстояниях. Это также преодолевает проблемы, которые преследуют электромагнитную связь (EMC), такие как диффузия, искажение и отражение. Существует также интригующая возможность использования естественного создания GWS, что означает снижение энергии, необходимой для их создания.
«Гравитационная связь, также известная как гравитационная волновая связь, обещает преодолеть ограничения традиционной электромагнитной связи, обеспечивая надежную передачу в крайних условиях и огромных расстояниях», — отмечают авторы.
Чтобы продвинуть технологию, исследователи должны создавать искусственные гравитационные волны (GWS) в лаборатории. Это одна из основных целей исследований GW. GW чрезвычайно слабы, и только огромные массы быстро движутся их. Даже GWS, которые мы обнаружили, исходящие от слияния супермассивных черных отверстий (SMBHS), которые могут иметь миллиарды солнечных масс, обеспечивают только мелкие эффекты, которые требуют невероятно чувствительных инструментов, таких как LIGO для обнаружения.
Генерация GW, достаточно сильных для обнаружения, является необходимым первым шагом.
«Генерация гравитационных волн имеет ключевое значение для развития гравитационного общения, но она остается одной из главных проблем в современном технологическом развитии», — пишут авторы. «Исследователи исследовали различные инновационные методы для достижения этого, включая механические резонансные и вращательные устройства, сверхпроводящие материалы и столкновения пучка частиц, а также методы, включающие мощные лазеры и электромагнитные поля».
За GWC есть много теоретической работы, но менее практичной работы. В статье указывается, какое направление должно потребоваться, чтобы преодолеть разрыв между ними.
Очевидно, что нет никакого способа воссоздать столь же потрясающее событие, как слияние черной дыры в лаборатории. Но удивительно, что исследователи рассматривали проблему еще в 1960 году, задолго до того, как мы обнаружили GWS.
Одна из первых попыток включала вращающиеся массы. Тем не менее, скорость вращения, необходимая для создания GWS, была невозможно достичь, отчасти потому, что материалы не были достаточно сильными. Другие попытки и предложения включали пьезоэлектрические кристаллы, суперфлюиды, балки частиц и даже мощные лазеры. Проблема с этими попытками заключается в том, что, хотя физики понимают теорию, стоящую за ними, у них еще нет правильных материалов. Ученые думают, что некоторые попытки приносили GWS, 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 невынарозимыми из -за их низких амплитуд и несоответствия с чувствительностью детектора тока », — объясняют авторы.
Необходимы более продвинутые технологии обнаружения или какой -то метод для выравниваемого генерируемых GW с существующими возможностями обнаружения. Существующие технологии направлены на обнаружение GW от астрофизических событий. Авторы объясняют, что «исследования должны сосредоточиться на разработке детекторов, способных работать на более широких частотах и диапазонах амплитуды».
В то время как GW избегают некоторых проблем, с которыми сталкивается EM Communications, они не без проблем. Поскольку они могут пройти огромные расстояния, GWC сталкивается с проблемами с ослаблением, фазовым искажением и поляризацией сдвигается от взаимодействия с такими вещами, как плотное вещество, космические структуры, магнитные поля и межзвездное вещество. Они могут не только ухудшить качество сигнала, но и усложнить декодирование.
Существуют также уникальные источники шума, в том числе тепловой гравитационный шум, фоновое излучение и перекрывающиеся сигналы GW. «Разработка комплексных моделей каналов имеет важное значение для обеспечения надежного и эффективного обнаружения в этих средах», — пишут авторы.
Чтобы когда -либо использовать GW, мы также должны выяснить, как их модулировать. Сигнальная модуляция имеет решающее значение для связи. Посмотрите на любое автомобильное радио, и вы видите «Am» и «FM». Am означает «амплитудная модуляция», а FM означает «частотная модуляция». Как мы могли модулировать GWS и превратить их в значимую информацию?
«Недавние исследования изучали различные методы, включая астрофизические явления, основанные на явлениях, модуляция амплитуды (AM), индуцированную темной материей частотную модуляцию (FM), сверхпроводящие материалы и теоретические подходы, основанные на основе несетричности»,-пишут авторы. Каждый из них имеет обещание, а также задыхается от препятствий.
Например, мы можем предположить об использовании темной материи для модуляции сигналов GW, но мы даже не знаем, что такое темная материя. «Частотная модуляция, связанная с 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 недоступен, но он дает настолько многообещающим, что ученые не хотят отказаться от этого. В связи с глубоким космосом общение ЭМ погружается в огромные расстояния и вмешательство от космических явлений. GWC предлагает решения для этих препятствий.
Лучший метод общения на большие расстояния имеет решающее значение для изучения глубокого пространства, и GWC — именно то, что нам нужно. «Гравитационные волны могут поддерживать постоянное качество сигнала на огромных расстояниях, что делает их подходящими для миссий за пределами солнечной системы», — пишут авторы.
Практическая гравитационная волновая связь далеко далеко. Тем не менее, то, что когда -то было только теоретическим, постепенно переходит в практическую.
«Гравитационная связь, как направление пограничного исследования со значительным потенциалом, постепенно переходит от теоретического исследования к практическому применению», — пишут Ван и Акан в своем выводе. Это будет зависеть от тяжелой работы и будущих прорывов.
Пара исследователей знает, что для продвижения этой идеи необходима много тяжелой работы. Их статья глубоко подробно и всеобъемлющая, и они надеются, что это будет катализатором для этой работы.
«Несмотря на то, что полностью практическая система гравитационной волны остается невозможной, мы стремимся использовать этот опрос, чтобы подчеркнуть его потенциал и стимулировать дальнейшие исследования и инновации, особенно для сценариев космической коммуникации», — заключают они.
