En anden slags gravitationsbølgedetektor

Gemt dybt inde i en kælder ved Stanford står et 10 meter højt rør, pakket ind i et metalbur og draperet i tråde. En barriere adskiller det fra hovedrummet, ud over hvilken cylinderen strækker sig over tre etager til et apparat, der holder ultrakolde atomer klar til at skyde opad. Borde fyldt med lasere til at skyde mod atomerne - og analysere, hvordan de reagerer på kræfter som tyngdekraften - fylder resten af ​​laboratoriet.

Røret er et atominterferometer, en specialbygget enhed designet til at studere atomernes bølgenatur. Ifølge kvantemekanikken, atomer eksisterer samtidigt som partikler og bølger. Stanford-instrumentet repræsenterer en model for et ambitiøst nyt instrument, der er ti gange dets størrelse, der kunne anvendes til at detektere gravitationsbølger - små krusninger i rumtiden skabt af energi, der spredes fra bevægelige astronomiske objekter. Instrumentet kunne også kaste lys over et andet mysterium i universet:mørkt stof.

Stanford eksperimentelle fysikere Jason Hogan og Mark Kasevich havde aldrig til hensigt, at deres enhed skulle implementeres på denne måde. Da Hogan begyndte sine kandidatstudier i Kasevichs laboratorium, han fokuserede i stedet på at teste tyngdekraftens virkninger på atomer. Men samtaler med den teoretiske fysiker Savas Dimopoulos, professor i fysik, og hans kandidatstuderende – ofte lokket nedenunder af en espressomaskine placeret direkte på den anden side af gangen fra Kasevichs kontor – fik dem til at begynde at tænke på dens anvendelighed som en meget følsom detektor.

"Vi talte bare fysik, som fysikere ofte gør, " siger Kasevich, en professor i fysik og anvendt fysik ved Stanford's School of Humanities and Sciences. Det ene førte til det andet, og gruppen landede på en dristig plan for at skabe et atominterferometer, der er i stand til at detektere gravitationsbølger, som ingen har set før.

Deres idé passer ind i en anden bølge, der fejer gennem fysikken, en, der involverer at co-optere udsøgt følsomme instrumenter udviklet til andre formål for at besvare grundlæggende spørgsmål om naturen.

En ny detektionsmetode

I 2015 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede et kort signal fra en 1,3 milliarder år gammel kollision mellem to supermassive sorte huller. Siden da, LIGO har katalogiseret flere gravitationsbølger, der passerer gennem Jorden, at give astronomer en kraftfuld ny linse til at studere universet med.

Gravitationsbølger er krusninger i rum-tid, meget som havbølger - bortset fra at de forvrænger rummet, ikke vand. I teorien, enhver accelererende masse, om en viftende hånd eller en planet i kredsløb, producerer gravitationsbølger. Disse bevægelser, imidlertid, forekommer på niveauer langt under vores evne til at opdage dem. Kun gravitationsbølger fra enorme astronomiske fænomener forårsager store nok skift i rum-tid til, at de kan genkendes af sensorer på Jorden.

Ligesom forskellige frekvenser udgør det elektromagnetiske spektrum, gravitationsbølger varierer også. LIGO og andre nuværende gravitationsbølgedetektorer registrerer et meget snævert område - højfrekvente bølger som dem fra det øjeblik, to sorte huller kolliderer - men andre dele af gravitationsbølgespektret forbliver uudforskede. Og ligesom astronomer kan lære nye ting om en stjerne ved at studere dens ultraviolette lys versus dens synlige lys, at analysere data fra andre gravitationsbølgefrekvenser kan hjælpe med at løse rummets mysterier, der i øjeblikket er uden for rækkevidde, inklusive dem om det tidlige univers.

"Vi identificerede et område af spektret, der ikke var godt dækket af nogen anden detektor, og det var tilfældigvis et match til de metoder, som vi allerede var ved at udvikle, " sagde Hogan, en adjunkt i fysik på Institut for Humaniora og Naturvidenskab.

Under Hogans kandidatstudier, han og hans kolleger konstruerede det 10 meter høje atominterferometer for at teste nogle af deres ideer. Imidlertid, for at øge enhedens følsomhed - nødvendigt for at detektere rum-tids-vrikker, der er mindre end bredden af ​​en proton - har de brug for en større detektor. Og dermed den 100-meter mater-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor, eller MAGIS-100, eksperiment blev født.

Med hjælp fra en bevilling på $9,8 millioner fra Gordon og Betty Moore Foundation, forskere planlægger at lave en eksisterende underjordisk skakt ved Fermilab, et Department of Energy National Laboratory i Illinois, MAGIS-100s nye hjem.

"Du kan finde huller i jorden, men det er lidt svært at finde et hul i jorden med et laboratorium knyttet til det, " sagde Rob Plunkett, en seniorforsker hos Fermilab involveret i projektet.

Konceptuelt, MAGIS-100 fungerer på samme måde som LIGO. Begge eksperimenter udnytter lys til at måle afstanden mellem to testmasser, meget som radarafstand. Men mens LIGO har spejle, MAGIS-100 favoriserer atomer.

"Atomet viser sig at være en fantastisk testmasse til disse formål, " sagde Hogan. "Vi har meget kraftfulde teknikker til at manipulere det og tillade det at være ufølsomt over for alle baggrundsstøjkilder."

LIGOs spejle hænger på glastråde, hvilket betyder, at et jordskælv kunne sætte sine sensorer i gang. MAGIS-100, på den anden side, har foranstaltninger på steder for at forhindre sådanne kilder til fremmed støj i at påvirke dets data.

Efter at være blevet afkølet til en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt, atomerne falder lodret ned i skaftet som dryppende vanddråber fra en vandhane. Den kolde temperatur sætter atomerne i en hviletilstand, så de forbliver stille, mens de falder, og fordi akslen er et vakuum, atomerne styrtdykker uden risiko for at komme ud af kurs. Skaftets lodrette orientering sikrer også, at en rystende Jord ikke vil påvirke målingerne.

Lasere manipulerer derefter de faldende atomer, og holdet kan måle, hvor længe de er i en ophidset tilstand. Hogan og Kasevich håber at bruge strontium som deres testmasse - det samme element, der bruges i atomure - for at afgøre, om der er nogen tidsforsinkelser, når lys exciterer atomer. En forsinkelse tyder på, at en gravitationsbølge passerede igennem.

Ud over, MAGIS-100-forskere kan bruge atomdataene til at teste forudsigelser lavet af mørkt stof-modeller. Ifølge nogle modeller, tilstedeværelsen af ​​mørkt stof kan føre til variationer i atomare energiniveauer. Den superfølsomme laserteknologi giver Plunkett og samarbejdspartnere mulighed for at lede efter disse variationer.

Kigger mod rummet

MAGIS-100 er en prototype, endnu et skridt i retning af at bygge en endnu større enhed, der ville være mange gange mere følsom. Hogan og Kasevich sagde, at de en dag forestiller sig at bygge noget på LIGO-skalaen, som er 4 kilometer lang.

Fordi en fremtidig fuldskala MAGIS-100 burde detektere lavfrekvente gravitationsbølger omkring 1 Hertz, såsom dem, der udsendes fra to sorte huller, der kredser om hinanden, det kunne identificere de samme begivenheder, som LIGO allerede har set, men før masserne rent faktisk støder sammen. De to eksperimenter kunne således supplere hinanden.

"Vi kunne lave en detektor, der kunne se det samme system, men meget, meget yngre, " sagde Hogan.

Avancerede MAGIS-lignende detektorer kan også finde kilder til gravitationsbølger, der flyver under LIGOs radar. Primordiale gravitationsbølger, for eksempel, produceret øjeblikke efter Big Bang.

"At opdage gravitationsbølger, der stammer fra det tidlige univers, kan kaste lys over, hvad der faktisk skete, sagde Kasevich.

Ingen kender frekvenserne af disse primordiale gravitationsbølger, eller om den fremtidige storskala-detektor kan opfange dem. Hogan sagde, at han mener, at så mange detektorer som muligt bør bygges for at dække en bred vifte af frekvenser og simpelthen se, hvad der er derude.

"De kendte kilder, der er spændende, er disse LIGO-lignende kilder, " sagde Hogan. "Så er der de ukendte, som vi også skal være åbne over for."