En lille krystal enhed kunne booste gravitationsbølgedetektorer for at afsløre fødselsråb af sorte huller

I 2017 astronomer så fødslen af ​​et sort hul for første gang. Gravitationsbølgedetektorer opfangede krusningerne i rumtiden forårsaget af to neutronstjerner, der stødte sammen for at danne det sorte hul, og andre teleskoper observerede derefter den resulterende eksplosion.

Men det virkelige sarte af, hvordan det sorte hul blev dannet, stoffets bevægelser i de øjeblikke, før det blev forseglet inde i det sorte huls begivenhedshorisont, gik ubemærket hen. Det er fordi gravitationsbølgerne, der blev kastet af i disse sidste øjeblikke, havde så høj en frekvens, at vores nuværende detektorer ikke kan opfange dem.

Hvis du kunne observere almindeligt stof, mens det bliver til et sort hul, du ville se noget, der ligner Big Bang spillet baglæns. Forskerne, der designer gravitationsbølgedetektorer, har arbejdet hårdt på at finde ud af, hvordan vi kan forbedre vores detektorer for at gøre det muligt.

I dag udgiver vores team et papir, der viser, hvordan dette kan gøres. Vores forslag kunne gøre detektorer 40 gange mere følsomme over for de høje frekvenser, vi har brug for, giver astronomer mulighed for at lytte til stof, da det danner et sort hul.

Det involverer at skabe mærkelige nye energipakker (eller "kvante"), der er en blanding af to typer kvantevibrationer. Enheder baseret på denne teknologi kan føjes til eksisterende gravitationsbølgedetektorer for at opnå den ekstra følsomhed, der er nødvendig.

Kvanteproblemer

Gravitationsbølgedetektorer som Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) i USA bruger lasere til at måle utroligt små ændringer i afstanden mellem to spejle. Fordi de måler ændringer 1, 000 gange mindre end størrelsen af ​​en enkelt proton, virkningerne af kvantemekanikken – de enkelte partiklers fysik eller energikvanter – spiller en vigtig rolle i den måde, disse detektorer fungerer på.

To forskellige slags kvantepakker af energi er involveret, begge forudsagt af Albert Einstein. I 1905 forudsagde han, at lys kommer i energipakker, som vi kalder fotoner ; to år senere, han forudsagde, at varme og lydenergi kommer i energipakker kaldet fononer .

Fotoner bruges meget i moderne teknologi, men fononer er meget sværere at udnytte. Individuelle fononer er normalt oversvømmet af et stort antal tilfældige fononer, der er varmen fra deres omgivelser. I gravitationsbølgedetektorer, fononer hopper rundt inde i detektorens spejle, forringe deres følsomhed.

For fem år siden indså fysikere, at man kunne løse problemet med utilstrækkelig følsomhed ved høj frekvens med enheder, der forene fononer med fotoner. De viste, at enheder, hvor energi transporteres i kvantepakker, der deler egenskaberne af både fononer og fotoner, kan have ganske bemærkelsesværdige egenskaber.

Disse enheder ville involvere en radikal ændring til et velkendt koncept kaldet "resonansforstærkning". Resonansforstærkning er, hvad du gør, når du skubber en legepladsgynge:hvis du skubber på det rigtige tidspunkt, alle dine små skub skaber store svingninger.

Den nye enhed, kaldet et "hvidt lyshulrum", ville forstærke alle frekvenser lige meget. Dette er som en gynge, som du kan skubbe til enhver gammel tid og stadig ende med store resultater.

Imidlertid, ingen har endnu fundet ud af, hvordan man laver en af ​​disse enheder, fordi fononerne inde i den ville blive overvældet af tilfældige vibrationer forårsaget af varme.

Kvanteløsninger

I vores avis, udgivet i Kommunikationsfysik , vi viser, hvordan to forskellige igangværende projekter kunne klare opgaven.

Niels Bohr Instituttet i København har udviklet enheder kaldet fononiske krystaller, hvor termiske vibrationer styres af en krystallignende struktur skåret i en tynd membran. Det australske Center of Excellence for Engineered Quantum Systems har også demonstreret et alternativt system, hvor fononer er fanget inde i en ultraren kvartslinse.

Vi viser, at begge disse systemer opfylder kravene til at skabe den "negative spredning" - som spreder lysfrekvenser i et omvendt regnbuemønster - der er behov for hulrum i hvidt lys.

Begge systemer, når den føjes til bagenden af ​​eksisterende gravitationsbølgedetektorer, ville forbedre følsomheden ved frekvenser på nogle få kilohertz med de 40 gange eller mere, der er nødvendige for at lytte til fødslen af ​​et sort hul.

Hvad er det næste?

Vores forskning repræsenterer ikke en øjeblikkelig løsning til at forbedre gravitationsbølgedetektorer. Der er enorme eksperimentelle udfordringer ved at gøre sådanne enheder til praktiske værktøjer. Men det tilbyder en vej til den 40-dobbelte forbedring af gravitationsbølgedetektorer, der er nødvendige for at observere sorte huls fødsler.

Astrofysikere har forudsagt komplekse gravitationsbølgeformer skabt af kramper fra neutronstjerner, når de danner sorte huller. Disse gravitationsbølger kunne give os mulighed for at lytte til kernefysikken i en kollapsende neutronstjerne.

For eksempel, det har vist sig, at de tydeligt kan afsløre, om neutronerne i stjernen forbliver som neutroner, eller om de bryder op i et hav af kvarker, de mindste subatomære partikler af alle. Hvis vi kunne observere neutroner blive til kvarker og derefter forsvinde ind i det sorte huls singularitet, det ville være det nøjagtige omvendte af Big Bang, hvor ud af singulariteten, partiklerne opstod, som fortsatte med at skabe vores univers.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.