In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Valerie Domcke van CERN en Camilo Garcia-Cely van DESY rapporteren over een nieuwe techniek om naar zwaartekrachtsgolven te zoeken - de rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd die voor het eerst werden gedetecteerd door de LIGO en Virgo-samenwerking in 2015 en verdienden Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2017.

De techniek van Domcke en Garcia-Cely is gebaseerd op de omzetting van gravitatiegolven van hoge frequentie (van megahertz tot gigahertz) in radiogolven. Deze omzetting vindt plaats in aanwezigheid van magnetische velden en vervormt de relikwiestraling van het vroege heelal, bekend als kosmische microgolfachtergrond, die het heelal doordringt.

Het onderzoeksduo laat zien dat deze vervorming, afgeleid van kosmische microgolfachtergrondgegevens verkregen met radiotelescopen, kan worden gebruikt om te zoeken naar hoogfrequente zwaartekrachtsgolven die worden gegenereerd door kosmische bronnen, zoals bronnen uit de donkere middeleeuwen of zelfs verder terug in onze kosmische geschiedenis. De donkere middeleeuwen zijn de periode tussen het moment waarop waterstofatomen werden gevormd en het moment waarop de eerste sterren de kosmos verlichtten.

"De kans dat deze hoogfrequente zwaartekrachtsgolven worden omgezet in radiogolven is klein, maar we compenseren deze kansen door een enorme detector te gebruiken, de kosmos, " legt Domcke uit. "De kosmische microgolfachtergrond geeft een bovengrens aan de amplitude van de hoogfrequente zwaartekrachtsgolven die worden omgezet in radiogolven. Deze hoogfrequente golven liggen buiten het bereik van de laserinterferometers LIGO, Maagd en KAGRA."

Domcke en Garcia-Cely hebben twee van dergelijke bovengrenzen afgeleid, met behulp van kosmische microgolfachtergrondmetingen van twee radiotelescopen:het door een ballon gedragen ARCADE 2-instrument en de EDGES-telescoop van het Murchison Radio-Astronomy Observatory in West-Australië. De onderzoekers vonden dat, voor de zwakst mogelijke kosmische magnetische velden, bepaald op basis van huidige astronomische gegevens, de EDGES-metingen resulteren in een maximale amplitude van één deel in 10 ¹² voor een zwaartekrachtgolf met een frequentie van ongeveer 78 MHz, terwijl de ARCADE 2-metingen een maximale amplitude van één deel in 10 . opleveren ¹⁴ met een frequentie van 3−30 GHz. Voor de sterkst mogelijke kosmische magnetische velden, deze grenzen zijn strakker - één deel op 10 ²¹ (EDGES) en één deel in 10 ²⁴ (ARCADE 2) - en zijn ongeveer zeven ordes van grootte strenger dan de huidige grenzen die zijn afgeleid van bestaande laboratoriumgebaseerde experimenten.

Domcke en Garcia-Cely zeggen dat gegevens van radiotelescopen van de volgende generatie, zoals de Square Kilometre Array, evenals verbeterde gegevensanalyse, zou deze grenzen verder moeten aanscherpen en misschien zelfs zwaartekrachtgolven uit de donkere middeleeuwen en eerdere kosmische tijden kunnen detecteren.