Vorig jaar was er veel opwinding toen de LIGO-samenwerking zwaartekrachtgolven ontdekte, die rimpelingen zijn in het weefsel van de ruimte zelf. En het is geen wonder - het was een van de belangrijkste ontdekkingen van de eeuw. Door zwaartekrachtsgolven te meten van intense astrofysische processen zoals het samensmelten van zwarte gaten, het experiment opent een geheel nieuwe manier om het universum te observeren en te begrijpen.

Maar er zijn grenzen aan wat LIGO kan doen. Hoewel zwaartekrachtsgolven bestaan ​​met een grote verscheidenheid aan frequenties, LIGO kan alleen die binnen een bepaald bereik detecteren. Vooral, er is geen manier om het type hoogfrequente zwaartekrachtsgolven te meten die werden gegenereerd in de oerknal zelf. Het vangen van dergelijke golven zou een revolutie teweegbrengen in de kosmologie, geeft ons cruciale informatie over hoe het universum is ontstaan. Ons onderzoek presenteert een model dat dit ooit mogelijk zal maken.

In de algemene relativiteitstheorie ontwikkeld door Einstein, de massa van een object kromt ruimte en tijd - hoe meer massa, hoe meer kromming. Dit is vergelijkbaar met hoe iemand de stof van een trampoline uitrekt wanneer hij erop gaat staan. Als de persoon op en neer begint te bewegen, dit zou golvingen in de stof genereren die vanuit de positie van de persoon naar buiten bewegen. De snelheid waarmee de persoon springt, bepaalt de frequentie van de gegenereerde rimpelingen in de stof.

Een belangrijk spoor van de oerknal is de kosmische microgolfachtergrond. Dit is de straling die overblijft na de geboorte van het heelal, ongeveer 300 gemaakt, 000 jaar na de oerknal. Maar de geboorte van ons universum creëerde ook zwaartekrachtsgolven - en deze zouden slechts een fractie van een seconde na de gebeurtenis zijn ontstaan. Omdat deze zwaartekrachtsgolven onschatbare informatie bevatten over de oorsprong van het heelal, er is veel interesse om ze op te sporen. De golven met de hoogste frequenties kunnen zijn ontstaan ​​tijdens fase-overgangen van het primitieve universum of door trillingen en knappen van kosmische snaren.

Een onmiddellijke flits van helderheid

Ons onderzoeksteam, van de universiteiten van Aberdeen en Leeds, denk dat atomen een voorsprong kunnen hebben bij het detecteren van ongrijpbare, hoogfrequente zwaartekrachtgolven. We hebben berekend dat een groep "zeer opgewonden" atomen (de zogenaamde Rydberg-atomen - waarin de elektronen ver weg van de atoomkern zijn geduwd, waardoor het enorm is - zal een heldere lichtpuls uitzenden wanneer het wordt geraakt door een zwaartekrachtgolf.

Om de atomen opgewonden te maken, we schijnen een licht op hen. Elk van deze vergrote atomen is meestal erg kwetsbaar en bij de minste verstoring zullen ze instorten, het geabsorbeerde licht vrijgeven. Echter, de interactie met een zwaartekrachtgolf kan te zwak zijn, en het effect ervan zal worden gemaskeerd door de vele interacties zoals botsingen met andere atomen of deeltjes.

In plaats van de interactie met individuele atomen te analyseren, we modelleren het collectieve gedrag van een grote groep atomen die samengepakt zijn. Als de groep atomen wordt blootgesteld aan een gemeenschappelijk veld, zoals ons oscillerende zwaartekrachtveld, dit zal ervoor zorgen dat de aangeslagen atomen allemaal tegelijk vervallen. De atomen zullen dan een groot aantal fotonen (lichtdeeltjes) afgeven, het genereren van een intense lichtpuls, genaamd "superradiance".

Omdat Rydberg-atomen die aan een zwaartekrachtsgolf worden onderworpen, superstralen zullen als gevolg van de interactie, we kunnen raden dat een zwaartekrachtgolf door het atomaire ensemble is gegaan wanneer we een lichtpuls zien.

Door de grootte van de atomen te veranderen, we kunnen ze laten uitstralen naar verschillende frequenties van de zwaartekrachtsgolf. Dit kan handig zijn voor detectie in verschillende bereiken. Met behulp van de juiste soort atomen, en onder ideale omstandigheden het zou mogelijk kunnen zijn om deze techniek te gebruiken om relikwie-zwaartekrachtgolven vanaf de geboorte van het heelal te meten. Door het signaal van de atomen te analyseren is het mogelijk om de eigenschappen te bepalen, en dus de oorsprong, van de zwaartekrachtsgolven.

Er kunnen enkele uitdagingen zijn voor deze experimentele techniek:de belangrijkste is om de atomen in een zeer aangeslagen toestand te krijgen. Een andere is om genoeg atomen te hebben, omdat ze zo groot zijn dat ze heel moeilijk te bevatten zijn.

Een theorie van alles?

Naast de mogelijkheid om zwaartekrachtsgolven te bestuderen vanaf de geboorte van het universum, het uiteindelijke doel van het onderzoek is het detecteren van zwaartekrachtfluctuaties van de lege ruimte zelf - het vacuüm. Dit zijn extreem zwakke zwaartekrachtsvariaties die spontaan optreden op de kleinste schaal, opduiken uit

Het ontdekken van dergelijke golven zou kunnen leiden tot de eenwording van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica, een van de grootste uitdagingen in de moderne natuurkunde. De algemene relativiteitstheorie is ongeëvenaard als het gaat om het beschrijven van de wereld op grote schaal, zoals planeten en sterrenstelsels, terwijl de kwantummechanica de natuurkunde perfect beschrijft op de kleinste schaal, zoals het atoom of zelfs delen van het atoom. Maar het berekenen van de zwaartekracht van de kleinste deeltjes zal daarom helpen om deze kloof te overbruggen.

Maar om de golven te ontdekken die met zulke kwantumfluctuaties gepaard gaan, zou een groot aantal atomen nodig zijn, bereid met een enorme hoeveelheid energie, wat in het laboratorium misschien niet mogelijk is. In plaats van dit te doen, het zou mogelijk zijn om Rydberg-atomen in de ruimte te gebruiken. Enorme wolken van deze atomen bestaan ​​rond witte dwergen - sterren die geen brandstof meer hebben - en in nevels met afmetingen die meer dan vier keer groter zijn dan alles wat op aarde kan worden gecreëerd. Straling afkomstig van deze bronnen kan de signatuur van de vacuüm zwaartekrachtfluctuaties bevatten, wachten om onthuld te worden.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.