in 2017, astronomen waren voor het eerst getuige van de geboorte van een zwart gat. Gravitatiegolfdetectoren hebben de rimpelingen in de ruimtetijd opgepikt die veroorzaakt werden door twee neutronensterren die met elkaar in botsing kwamen om het zwarte gat te vormen. en andere telescopen observeerden vervolgens de resulterende explosie.

Maar de echte kern van hoe het zwarte gat is ontstaan, de bewegingen van materie in de ogenblikken voordat het werd verzegeld in de waarnemingshorizon van het zwarte gat, onopgemerkt gebleven. Dat komt omdat de zwaartekrachtsgolven die op deze laatste momenten worden afgeworpen, zo'n hoge frequentie hadden dat onze huidige detectoren ze niet kunnen oppikken.

Als je gewone materie zou kunnen observeren terwijl het in een zwart gat verandert, je zou iets zien dat lijkt op de oerknal achterstevoren afgespeeld. De wetenschappers die zwaartekrachtgolfdetectoren ontwerpen, zijn hard aan het werk geweest om erachter te komen hoe we onze detectoren kunnen verbeteren om dit mogelijk te maken.

Vandaag publiceert ons team een ​​paper die laat zien hoe dit kan. Ons voorstel zou detectoren 40 keer gevoeliger kunnen maken voor de hoge frequenties die we nodig hebben, waardoor astronomen naar materie kunnen luisteren terwijl het een zwart gat vormt.

Het gaat om het creëren van vreemde nieuwe energiepakketten (of "quanta") die een mix zijn van twee soorten kwantumtrillingen. Apparaten op basis van deze technologie kunnen worden toegevoegd aan bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren om de benodigde extra gevoeligheid te krijgen.

Kwantumproblemen

Gravitatiegolfdetectoren zoals de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in de Verenigde Staten gebruiken lasers om ongelooflijk kleine veranderingen in de afstand tussen twee spiegels te meten. Omdat ze veranderingen meten 1, 000 keer kleiner dan de grootte van een enkel proton, de effecten van de kwantummechanica - de fysica van individuele deeltjes of energiekwanta - spelen een belangrijke rol in de manier waarop deze detectoren werken.

Er zijn twee verschillende soorten kwantumpakketten van energie bij betrokken, beide voorspeld door Albert Einstein. In 1905 voorspelde hij dat licht komt in pakketjes energie die we fotonen ; twee jaar later, hij voorspelde dat warmte en geluidsenergie komen in energiepakketten genaamd fononen .

Fotonen worden veel gebruikt in moderne technologie, maar fononen zijn veel lastiger te gebruiken. Individuele fononen worden meestal overspoeld door grote aantallen willekeurige fononen die de hitte van hun omgeving zijn. In zwaartekrachtgolfdetectoren, fononen stuiteren rond in de spiegels van de detector, hun gevoeligheid verminderen.

Vijf jaar geleden realiseerden natuurkundigen zich dat je het probleem van onvoldoende gevoeligheid bij hoge frequenties kon oplossen met apparaten die combineren fononen met fotonen. Ze toonden aan dat apparaten waarin energie wordt vervoerd in kwantumpakketten die de eigenschappen van zowel fononen als fotonen delen, vrij opmerkelijke eigenschappen kunnen hebben.

Deze apparaten zouden een radicale verandering inhouden in een bekend concept dat "resonante versterking" wordt genoemd. Resonante versterking is wat je doet als je een schommel in de speeltuin duwt:als je op het juiste moment duwt, al je kleine duwtjes zorgen voor een grote swing.

Het nieuwe apparaat, een "witlichtholte" genoemd, zou alle frequenties gelijk versterken. Dit is als een schommel die je altijd kunt pushen en toch grote resultaten kunt behalen.

Echter, niemand heeft nog bedacht hoe je een van deze apparaten kunt maken, omdat de fononen erin zouden worden overweldigd door willekeurige trillingen veroorzaakt door warmte.

Kwantumoplossingen

In onze krant, gepubliceerd in Communicatie Fysica , we laten zien hoe twee verschillende projecten die momenteel lopen, het werk kunnen doen.

Het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen heeft apparaten ontwikkeld die fononische kristallen worden genoemd. waarin thermische trillingen worden gecontroleerd door een kristalachtige structuur die in een dun membraan is gesneden. Het Australian Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems heeft ook een alternatief systeem gedemonstreerd waarin fononen worden opgesloten in een ultrazuivere kwartslens.

We laten zien dat beide systemen voldoen aan de vereisten voor het creëren van de "negatieve dispersie" - die lichtfrequenties verspreidt in een omgekeerd regenboogpatroon - die nodig is voor witlichtholtes.

Beide systemen, wanneer toegevoegd aan de achterkant van bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren, zou de gevoeligheid bij frequenties van een paar kilohertz met de 40 keer of meer verbeteren die nodig is om naar de geboorte van een zwart gat te luisteren.

Wat is het volgende?

Ons onderzoek biedt geen directe oplossing voor het verbeteren van zwaartekrachtgolfdetectoren. Er zijn enorme experimentele uitdagingen om van dergelijke apparaten praktische hulpmiddelen te maken. Maar het biedt wel een route naar de 40-voudige verbetering van zwaartekrachtgolfdetectoren die nodig zijn voor het observeren van geboorten van zwarte gaten.

Astrofysici hebben complexe zwaartekrachtgolfvormen voorspeld die worden gecreëerd door de convulsies van neutronensterren terwijl ze zwarte gaten vormen. Deze zwaartekrachtsgolven zouden ons in staat kunnen stellen om te luisteren naar de kernfysica van een instortende neutronenster.

Bijvoorbeeld, het is aangetoond dat ze duidelijk kunnen onthullen of de neutronen in de ster als neutronen blijven of dat ze uiteenvallen in een zee van quarks, de kleinste subatomaire deeltjes van allemaal. Als we zouden kunnen zien dat neutronen in quarks veranderen en dan verdwijnen in de singulariteit van het zwarte gat, het zou precies het omgekeerde zijn van de oerknal waar buiten de singulariteit, de deeltjes kwamen tevoorschijn die ons universum creëerden.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.