När astronomer upptäckte de första förutsagda gravitationsvågorna 2015, öppnades en helt ny väg in i universum. Innan dess berodde astronomin på observationer av ljus i alla dess våglängder. Vi använder också ljus för att kommunicera, främst radiovågor. Men kan vi använda gravitationsvågor för att kommunicera?
Idén är lockande, även om den ligger utanför våra nuvarande möjligheter. Det finns dock värde i att utforska det hypotetiska, eftersom framtiden har en förmåga att anlända snabbare än vi ibland tror. Ny forskning undersöker idén och hur den skulle kunna tillämpas i framtiden. Den heter ”Gravitational Communication: Fundamentals, State-of-the-Art and Future Vision” och är tillgänglig på arxiv.org.
Författarna är Houtianfu Wang och Ozgur B. Akan, båda från Internet of Everything Group, Department of Engineering, University of Cambridge, UK.
”Gravitationsvågor kan upprätthålla konsekvent signalstyrka över enorma avstånd, vilket gör dem lämpliga för uppdrag utanför solsystemet.”
Houtianfu Wang och Ozgur B. Akan.
”Upptäckten av gravitationsvågor har öppnat ett nytt observationsfönster för astronomi och fysik, och erbjuder ett unikt sätt att utforska universums djup och extrema astrofysikaliska fenomen. Förutom dess inverkan på astronomisk forskning har gravitationsvågor också väckt uppmärksamhet som ett nytt kommunikationsparadigm,” förklarar författarna.
Traditionella elektromagnetiska kommunikationsmetoder har definitiva nackdelar och begränsningar. Signaler blir svagare med avståndet, vilket begränsar räckvidden. Atmosfäriska effekter kan störa radiokommunikation och förvränga signalerna. Det finns också siktlinjebegränsningar, och solväder och rymdaktivitet kan också störa.
Vad som är lovande med gravitationsvågskommunikation (GWC) är att den skulle kunna övervinna dessa utmaningar. GWC är robust i extrema miljöer och förlorar minimal energi över extremt långa avstånd. Den övervinner även problem som plågar elektromagnetisk kommunikation (EMC), som diffusion, förvrängning och reflektion.
Det finns också den lockande möjligheten att utnyttja naturligt skapade gravitationsvågor, vilket skulle minska den energi som behövs för att skapa dem.
”Gravitationskommunikation, även känd som gravitationsvågskommunikation, lovar att övervinna begränsningarna hos traditionell elektromagnetisk kommunikation, vilket gör robust överföring möjlig över extrema miljöer och enorma avstånd,” poängterar författarna.
För att främja tekniken måste forskare skapa konstgjorda gravitationsvågor (GW) i labbet. Det är ett av de primära målen med GW-forskning. GW är extremt svaga, och endast enorma massor som rör sig snabbt kan generera dem.
Inte ens de GW som vi har upptäckt från sammanslagningar av supermassiva svarta hål (SMBH), som kan ha miljarder solmassor, producerar annat än minimalt påverkbara effekter som kräver extremt känsliga instrument som LIGO för att upptäckas.
Att generera GW som är starka nog att upptäckas är ett nödvändigt första steg.
”Genereringen av gravitationsvågor är avgörande för att främja gravitationskommunikation, men den förblir en av de främsta utmaningarna i dagens teknologiska utveckling,” skriver författarna.
”Forskare har utforskat olika innovativa metoder för att uppnå detta, inklusive mekanisk resonans och rotationsenheter, supraledande material, och partikelstrålkollisioner, liksom tekniker som involverar högpresterande lasrar och elektromagnetiska fält.”
Det finns gott om teoretiskt arbete bakom GWC men mindre praktiskt arbete. Artikeln pekar ut vilken riktning forskningen bör ta för att broa över luckan mellan de två.
Det är självklart inget sätt att återskapa en så imponerande händelse som ett sammansmältande svart hål i ett laboratorium. Men förvånansvärt nog har forskare övervägt problemet så långt tillbaka som 1960, långt innan vi någonsin upptäckt GW.
Ett av de första försöken involverade roterande massor. Dock var den rotationshastighet som krävdes för att skapa GW omöjlig att uppnå, delvis därför att materialen inte var starka nog. Andra försök och förslag involverade piezoelektriska kristaller, supervätskor, partikelstrålar och till och med högpresterande lasrar.
Problemet med dessa försök är att även om fysikerna förstår teorin bakom dem, har de inte de rätta materialen ännu. Vissa försök genererade GW, tror vetenskapsmän, men de är inte starka nog att vara detekterbara.
”Högfrekventa gravitationsvågor, ofta genererade av mindre massor eller skalor, är genomförbara för konstgjord produktion under laboratorieförhållanden. Men de förblir odetekterbara på grund av deras låga amplituder och bristen på överensstämmelse med nuvarande detektorernas känslighet,” förklarar författarna.
Mer avancerade detektionsteknologier eller någon metod för att justera genererade GW med befintliga detektionsförmågor behövs. Nuvarande tekniker är inriktade på att upptäcka GW från astrofysikaliska händelser.
Författarna förklarar att ”Forskningen bör fokusera på att utforma detektorer som kan fungera över bredare frekvens- och amplitudområden.”
Även om GW undviker vissa av de problem som EM-kommunikation ställs inför, är de inte utan problem. Eftersom de kan färdas över enorma avstånd, ställs GWC inför problem med dämpning, fasförvrängning och polarisationsskiften från interaktioner med täta material, kosmiska strukturer, magnetfält och interstellär materia.
Dessa kan inte bara försämra signalens kvalitet, utan kan också komplicera avkodningen.
Denna konceptuella illustration visar vilka effekter GW utsätts för när de sprider sig. ”Signalerna påverkas först av storskaliga influenser som gravitationella och kosmologiska frekvensskiften, följt av bredskalig amplituddämpning på grund av kosmisk expansion och svag spridning. Sedan inducerar mer regionsspecifika faktorer polarisationsförändringar, och slutligen uppstår lokala förvrängningar i form av fasvariationer och utblekningsfenomen orsakade av gravitationell linsning och andra finskaliga fenomen. Additivt brus introduceras nära mottagarenden,” skriver författarna.
Det finns också unika bruskällor att ta hänsyn till, inklusive termisk gravitationsbrus, bakgrundsstrålning och överlappande GW-signalerna.
”Att utveckla omfattande kanalmodeller är avgörande för att säkra tillförlitlig och effektiv detektion i dessa miljöer,” skriver författarna.
För att någonsin kunna utnyttja GW måste vi också lista ut hur vi ska modulera dem. Signalmodulering är avgörande för kommunikation. Titta på vilken bilradio som helst och du ser ”AM” och ”FM”. AM står för ”Amplitudmodulering” och FM står för ”Frekvensmodulering”. Hur skulle vi kunna modulera GW och omvandla dem till meningsfull information?
”Nyliga studier har utforskat mångsidiga metoder, inklusive amplitudmodulering (AM) baserad på astrofysikaliska fenomen, frekvensmodulering (FM) inducerad av mörk materia, manipulation av supraledande material, och teoretiska närmanden baserade på nonmetritet,” skriver författarna.
Var och en av dessa är lovande, men också fyllda med hinder.
Till exempel kan vi teoretisera om att använda mörk materia för att modulera GW-signalerna, men vi vet inte ens vad mörk materia är.
”Frekvensmodulering som involverar ultralätt skalärt mörkt materia (ULDM) beror på osäkra antaganden om mörk materias egenskaper och fördelning,” skriver författarna och adresserar en elefant i rummet.
Det kan verka som om GWC är oåtkomlig, men den innehåller så mycket potential att forskare är ovilliga att överge den. I djuprymdskommunikation är EM-kommunikation stympad av de enorma avstånden och störningarna från kosmiska fenomen. GWC erbjuder lösningar på dessa hinder.
Denna bild visar hur GWC kan användas i vårt eget solsystem och i interstellär kommunikation. Där konventionella kommunikationsmetoder helt enkelt skulle försvinna på den långa resan mellan stjärnor, kommer GWC inte att göra det.
En bättre metod för att kommunicera över långa avstånd är avgörande för att utforska djuprymden, och GWC är exakt vad vi behöver. ”Gravitationsvågor kan upprätthålla konsekvent signalstyrka över enorma avstånd, vilket gör dem lämpliga för uppdrag utanför solsystemet,” skriver författarna.
Praktisk gravitationsvågskommunikation är långt borta. Dock förflyttar sig vad som en gång var bara teoretiskt gradvis in i det praktiska.
”Gravitationskommunikation, som en gränsöverskridande forskningsriktning med betydande potential, förflyttar sig gradvis från teoretisk utforskning till praktisk tillämpning,” skriver Wang och Akan i sin avslutning. Det kommer att bero på hårt arbete och framtida genombrott.
Forskarparet vet att mycket hårt arbete krävs för att förflytta idén. Deras artikel är djupt detaljerad och omfattande, och de hoppas att den ska vara en katalysator för det arbetet.
”Även om ett fullt praktiskt gravitationsvågskommunikationssystem förblir ogenomförbart, strävar vi efter att använda denna undersökning för att belysa dess potential och stimulera ytterligare forskning och innovation, särskilt för rymdkommunikationsscenarier,” slutar de.
Källa
Universe Today
Taggar
Gravitationsvågor #Rymdkommunikation #Astronomi #Fysik #Teknologi #Forskning #Innovation #Rymdutforskning #Kommunikationsteknik #Framtidsteknologi