Hvordan kæmpe atomer kan hjælpe med at fange gravitationsbølger fra Big Bang

Der var en masse spænding sidste år, da LIGO-samarbejdet opdagede gravitationsbølger, som er krusninger i selve rummets stof. Og det er ikke så mærkeligt – det var en af ​​århundredets vigtigste opdagelser. Ved at måle gravitationsbølger fra intense astrofysiske processer som sammensmeltning af sorte huller, eksperimentet åbner op for en helt ny måde at observere og forstå universet på.

Men der er grænser for, hvad LIGO kan. Mens gravitationsbølger eksisterer med et stort udvalg af frekvenser, LIGO kan kun detektere dem inden for et bestemt område. I særdeleshed, der er ingen måde at måle typen af ​​højfrekvente gravitationsbølger, der blev genereret i selve Big Bang. At fange sådanne bølger ville revolutionere kosmologien, giver os afgørende information om, hvordan universet blev til. Vores forskning præsenterer en model, der en dag kan muliggøre dette.

I den generelle relativitetsteori udviklet af Einstein, massen af ​​et objekt krummer rum og tid – jo mere masse, jo mere krumning. Dette svarer til, hvordan en person strækker stoffet af en trampolin, når han træder på den. Hvis personen begynder at bevæge sig op og ned, dette ville generere bølger i stoffet, der vil bevæge sig udad fra personens position. Den hastighed, hvormed personen hopper, bestemmer hyppigheden af ​​de genererede krusninger i stoffet.

Et vigtigt spor af Big Bang er den kosmiske mikrobølgebaggrund. Dette er den stråling, der er tilbage fra universets fødsel, skabte omkring 300, 000 år efter Big Bang. Men fødslen af ​​vores univers skabte også gravitationsbølger - og disse ville være opstået kun en brøkdel af et sekund efter begivenheden. Fordi disse gravitationsbølger indeholder uvurderlig information om universets oprindelse, der er stor interesse for at opdage dem. Bølgerne med de højeste frekvenser kan være opstået under faseovergange i det primitive univers eller ved vibrationer og snapping af kosmiske strenge.

Et øjeblikkeligt glimt af lysstyrke

Vores forskerhold, fra universiteterne i Aberdeen og Leeds, tror, ​​at atomer kan have en fordel i at opdage undvigende, højfrekvente gravitationsbølger. Vi har beregnet, at en gruppe "højt exciterede" atomer (kaldet Rydberg-atomer – hvor elektronerne er blevet skubbet ud langt væk fra atomets kerne, gør den enorm – vil udsende en lys puls af lys, når den rammes af en gravitationsbølge.

For at gøre atomerne ophidsede, vi kaster lys over dem. Hvert af disse forstørrede atomer er normalt meget skrøbelige, og den mindste forstyrrelse vil få dem til at kollapse, frigivelse af det absorberede lys. Imidlertid, interaktionen med en gravitationsbølge kan være for svag, og dens virkning vil blive maskeret af de mange interaktioner såsom kollisioner med andre atomer eller partikler.

I stedet for at analysere interaktionen med individuelle atomer, vi modellerer den kollektive adfærd af en stor gruppe atomer pakket sammen. Hvis gruppen af ​​atomer udsættes for et fælles felt, ligesom vores oscillerende gravitationsfelt, dette vil få de exciterede atomer til at henfalde alle på samme tid. Atomerne vil derefter frigive et stort antal fotoner (lyspartikler), genererer en intens lyspuls, døbt "overstråling".

Da Rydberg-atomer udsat for en gravitationsbølge vil overstråle som et resultat af interaktionen, vi kan gætte på, at en gravitationsbølge er gået gennem atomensemblet, hver gang vi ser en lysimpuls.

Ved at ændre størrelsen af ​​atomerne, vi kan få dem til at udstråle til forskellige frekvenser af gravitationsbølgen. Dette kan være så nyttigt til detektion i forskellige områder. Ved at bruge den rigtige slags atomer, og under ideelle forhold, det kunne være muligt at bruge denne teknik til at måle relikviegravitationsbølger fra universets fødsel. Ved at analysere atomernes signal er det muligt at bestemme egenskaberne, og derfor oprindelsen, af gravitationsbølgerne.

Der kan være nogle udfordringer for denne eksperimentelle teknik:den vigtigste er at få atomerne i en meget ophidset tilstand. En anden er at have nok atomer, da de er så store, at de bliver meget svære at rumme.

En teori om alt?

Ud over muligheden for at studere gravitationsbølger fra universets fødsel, det ultimative mål med forskningen er at opdage gravitationssvingninger i selve det tomme rum - vakuumet. Disse er ekstremt svage gravitationsvariationer, der opstår spontant i den mindste skala, dukker op af

At opdage sådanne bølger kan føre til forening af generel relativitetsteori og kvantemekanik, en af ​​de største udfordringer i moderne fysik. Generel relativitetsteori er uden sidestykke, når det kommer til at beskrive verden i stor skala, såsom planeter og galakser, mens kvantemekanikken perfekt beskriver fysik i den mindste skala, såsom atomet eller endda dele af atomet. Men at beregne gravitationspåvirkningen af ​​de mindste partikler vil derfor hjælpe med at bygge bro over denne kløft.

Men at opdage bølgerne forbundet med sådanne kvanteudsving ville kræve et stort antal atomer forberedt med en enorm mængde energi, som måske ikke er muligt at gøre i laboratoriet. I stedet for at gøre dette, det kunne være muligt at bruge Rydberg-atomer i det ydre rum. Enorme skyer af disse atomer eksisterer omkring hvide dværge - stjerner, der er løbet tør for brændstof - og inde i tåger med størrelser mere end fire gange større end noget, der kan skabes på Jorden. Stråling, der kommer fra disse kilder, kunne indeholde signaturen af ​​vakuumgravitationssvingninger, venter på at blive afsløret.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.