De zwaartekrachtgolven die door zwarte gaten of neutronensterren in de diepten van de ruimte worden gecreëerd, blijken de aarde te bereiken. hun effecten, echter, zijn zo klein dat ze alleen kunnen worden waargenomen met kilometerslange meetfaciliteiten. Natuurkundigen bespreken daarom of ultrakoude en minuscule Bose-Einstein-condensaten met hun geordende kwantumeigenschappen deze golven ook zouden kunnen detecteren. Prof. Ralf Schützhold van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de TU Dresden heeft de basis van deze suggesties bestudeerd en schrijft in het tijdschrift Fysieke beoordeling D dat dergelijk bewijs ver buiten het bereik van de huidige methoden ligt.

Al in 1916, Albert Einstein diende een artikel in bij de Pruisische Academie van Wetenschappen waarin hij aantoonde dat bewegende massa's zoals gigantische sterren die om elkaar heen draaien een deuk achterlaten in ruimte en tijd, die zich met de snelheid van het licht verspreidt. Deze deuken staan ​​bekend als zwaartekrachtsgolven, en zou precies moeten bewegen als radiogolven, licht en andere elektromagnetische golven. De effecten van zwaartekrachtgolven, echter, zijn normaal gesproken zo zwak dat Einstein ervan overtuigd was dat ze nooit gemeten konden worden.

De reden voor dit scepticisme is dat zwaartekrachtsgolven zwak zijn. Bijvoorbeeld, zelfs de vrij grote massa van de aarde, die met bijna 30 kilometer per seconde om de zon draait, produceert zwaartekrachtsgolven met een vermogen van slechts driehonderd watt. Dat zou niet eens genoeg zijn om een ​​commerciële stofzuiger met een Energy Star-label van stroom te voorzien. De invloed van deze zwaartekrachtsgolven is dus niet waarneembaar.

Wanneer zwarte gaten samensmelten

De situatie verbetert wanneer er aanzienlijk grotere massa's bij betrokken zijn. Toen twee enorme zwarte gaten op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar van de aarde samensmolten, waarvan de ene de massa van ongeveer 36 zonnen bezat en de andere een massa van 29 zonnen, ruimte en tijd beefden. Tijdens deze fusie een massa die drie keer zo groot was als die van onze zon, veranderde in een gigantische zwaartekrachtsgolf, waarvan de overblijfselen 1,3 miljard jaar later op 14 september de aarde bereikten, 2015, om 11:51 Midden-Europese tijd. Omdat de golven zich over zulke enorme afstanden in alle richtingen voortplanten en zich verspreiden naar een onvoorstelbaar grote ruimte, hun macht was enorm verminderd.

Op aarde, alleen een extreem zwak signaal werd ontvangen, die werd geregistreerd met behulp van twee vier kilometer lange loodrechte vacuümbuizen in de Verenigde Staten. Tussen de eindpunten van deze voorzieningen schieten twee speciale laserstralen heen en weer. Vanaf de tijd die nodig is voor de ene lichtstraal om het andere uiteinde te bereiken, de onderzoekers kunnen heel precies de afstand tussen de twee punten berekenen. "Toen de zwaartekrachtsgolven de aarde bereikten, ze verkortten een van de twee meetafstanden met een fractie van een biljoenste millimeter in beide faciliteiten, terwijl het andere loodrechte stuk met een vergelijkbare hoeveelheid werd verlengd, " zegt HZDR-onderzoeker Ralf Schützhold, de resultaten van zijn collega's schetst. Daarom, op 11 februari, 2016, na een gedetailleerde analyse van de gegevens, de onderzoekers rapporteerden de eerste directe detectie van de door Albert Einstein voorspelde zwaartekrachtsgolven. Drie van de bijdragende onderzoekers kregen in 2017 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Atomen in synchronisatie

Astrofysici kunnen deze golven nu gebruiken om enorme gebeurtenissen in de ruimte waar te nemen, zoals fusies van zwarte gaten of supernova's. Natuurkundigen vragen zich nu af of het mogelijk is om voorzieningen te bouwen die gemakkelijker te hanteren zijn dan de vier kilometer lange loodrechte vacuümbuizen. Sommigen suggereren het gebruik van Bose-Einstein-condensaten, een vorm van materie die Satyendranath Bose en Albert Einstein in 1924 voorspelden. "Dergelijke condensaten kunnen worden gezien als sterk verdunde damp van individuele atomen die tot het uiterste worden afgekoeld en daarom condenseren, " legt Schützhold uit. Onderzoekers in de Verenigde Staten creëerden in 1995 een Bose-Einstein-condensaat.

Bij extreem lage temperaturen, slechts heel iets boven het absolute nulpunt van min 273,15 graden Celsius, de meeste atomen van metalen zoals rubidium bestaan ​​in dezelfde kwantumtoestand, het vormen van een chaotische mengelmoes als damp bij hogere temperaturen. "Vergelijkbaar met laserlichtdeeltjes, de atomen van deze Bose-Einstein-condensaten bewegen, bij wijze van spreken, in synchronisatie, " zegt Schützhold. Zwaartekrachtgolven, echter, kan geluidsdeeltjes of geluidskwanta veranderen, die natuurkundigen fononen noemen, binnen gesynchroniseerde atoomcondensaten. "Dit lijkt een beetje op een groot vat met water waarin golven die worden gegenereerd door een aardbeving de bestaande watergolven veranderen, " zegt Ralf Schützhold, het proces beschrijven.

Weinig bewijs is te weinig

Echter, toen het hoofd van de afdeling Theoretische Fysica van de HZDR de grondbeginselen van dit fenomeen nader onder de loep nam, hij stelde vast dat dergelijke Bose-Einstein-condensaten enkele orden van grootte groter moesten zijn dan momenteel mogelijk is om zwaartekrachtsgolven te detecteren die afkomstig zijn van samensmeltende zwarte gaten. "Vandaag, Bose-Einstein condensaten met, bijvoorbeeld, Met veel moeite worden 1 miljoen rubidium-atomen verkregen, maar er zou veel meer dan een miljoen keer zoveel atomen nodig zijn om zwaartekrachtsgolven te detecteren, ", zegt Schützhold. Echter, er wordt een soort vortex gevormd in een Bose-Einstein-condensaat waarin zwaartekrachtsgolven direct fononen genereren die gemakkelijker waarneembaar zijn. "Maar zelfs met zulke inhomogene Bose-Einstein-condensaten, we zijn nog steeds orden van grootte verwijderd van het detecteren van zwaartekrachtgolven, ' zegt de fysicus.

De HZDR-onderzoeker geeft niettemin een hint voor mogelijk bewijs:als het edelgas helium wordt afgekoeld tot minder dan twee graden boven het absolute nulpunt, er ontstaat een supervloeibare vloeistof die geen puur Bose-Einstein-condensaat is, maar bevat iets minder dan 10 procent van dergelijke gesynchroniseerde heliumatomen. Omdat veel grotere hoeveelheden van dit supervloeibare helium kunnen worden geproduceerd, op deze manier kunnen veel ordes van grootte meer Bose-Einstein-condensaatatomen worden gecreëerd dan met directe productie. "Of supervloeibaar helium echt een manier is om zwaartekrachtsgolven te detecteren, kan alleen worden aangetoond met extreem complexe berekeningen, ", zegt Schützhold. De mini-detectoren voor gravitatiegolven liggen dus nog enige tijd in de toekomst.