Jak zamrożone atomy mogą pomóc nam dowiedzieć się więcej o falach grawitacyjnych

Prototyp MORE-100 Departament Energii Stanów Zjednoczonych

Minęły cztery lata od pierwszego wykrycia fal grawitacyjnych, tych dziwnych wahań w czasoprzestrzeni spowodowanych zderzeniem dwóch masywnych obiektów w kosmosie. Odkrycie tego sygnału potwierdziło stuletnią teorię ogólnej teorii względności Einsteina, która mówi, że przyspieszające obiekty wytwarzają krzywizny w czasoprzestrzeni, które propagują się w fale. Od tego czasu naukowcy zaobserwowali te sygnały dziesiątki razy, rozchodzące się z wielu różnych części wszechświata i spowodowane bardzo różnymi typami kosmicznych kolizji.

Ale od czasu tego historycznego pierwszego odkrycia naukowcy próbują odkryć dokładnie, co takie obserwacje mogą nam powiedzieć o wszechświecie. Niestety wszystkie z nich mają jedno poważne ograniczenie: są wąskim ujęciem momentu zderzenia dwóch obiektów i niewiele więcej. Co gorsza, ponieważ nie mamy heads-up, zanim te wydarzenia się wydarzą, nie możemy nawet użyć innych instrumentów do ich badania. Bez większego kontekstu wykryte przez nas fale grawitacyjne mogą nam powiedzieć tylko tyle, zanim wyczerpią swoją przydatność.

Klucz do lepszego wykorzystania tych sygnałów może pochodzić z nowego eksperymentu nabierającego kształtu głęboko w pionowym szybie o długości 100 metrów (320 stóp) w Fermilab w Batavia w stanie Illinois. To jest MAGIS-100, projekt mający na celu sprawdzenie, czy strzelanie laserami do zamrożonych atomów może być wykorzystane do obserwacji ultraczułych sygnałów, które mogą rozciągać się w czasoprzestrzeni. Jeśli się powiedzie, może pomóc zapoczątkować nową erę interferometrii atomowej, która może ujawnić niektóre tajemnice fal grawitacyjnych, ciemnej materii, mechaniki kwantowej i innych bulwersujących tematów.

Oto jak powinien działać MAGIS-100: atomy są schładzane do ułamka powyżej zera bezwzględnego (aby utrzymać ich stabilność), a następnie zrzucane do komory próżniowej umieszczonej w wale. Laser jest pulsowany w tej komorze między atomami podczas swobodnego spadania i mierzony jest czas potrzebny na przejście światła z jednego do drugiego. Ponieważ światło w próżni porusza się ze stałą prędkością, ten czas powinien być dokładnie przewidywalny. Wszelkie opóźnienia byłyby prawdopodobnie spowodowane wrażliwymi sygnałami zewnętrznymi – falami grawitacyjnymi lub potencjalnie czymś innym.

Nie różni się to całkowicie od działania konwencjonalnych interferometrów. W swej istocie MAGIS-100 jest swego rodzaju zmniejszoną wersją interferometrów LIGO, które po raz pierwszy wykryły fale grawitacyjne w 2015 roku. Różnica polega na tym, że LIGO zamiast atomów wykorzystuje lustra rozmieszczone kilka kilometrów od siebie. Zwierciadła te są podatne na zakłócenia spowodowane zakłóceniami w gruncie, co utrudnia odróżnienie rzeczywistych sygnałów od fałszywych szumów. Teoretycznie nie będzie to miało wpływu na swobodnie spadający atom.

Fizyk ze Stanford University, Jason Hogan, jeden z kierowników projektu, porównuje technologię MAGIS-100 do hybrydy interferometru i zegara atomowego. Mówi, że atomy te zasadniczo działają jak wyjątkowo dobre stopery, które mierzą czas propagacji światła i szukają fluktuacji spowodowanych innymi sygnałami.

Porównanie zegara atomowego ma sens. Podczas gdy 10-metrowy poprzednik MAGIS-100 wykorzystywał atomy rubidu, obecny instrument będzie wykorzystywał atomy strontu, które są obecnie używane w najlepszych zegarach atomowych na świecie. Są mniej wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne niż inne atomy, co oznacza, że ​​w ciągu życia wszechświata tracą jedną sekundę, mówi Hogan.

Mamy nadzieję, że przyszła, większa wersja MAGIS-100 będzie w stanie wychwycić zdarzenia fal grawitacyjnych, które wykraczają poza zakres dużych projektów, takich jak LIGO czy Virgo z siedzibą we Włoszech.

LIGO ogranicza się do pomiaru sygnałów o częstotliwościach od 10 Hz do 1 kiloherca. Oznacza to, że może wychwycić tylko ogromne wydarzenia, takie jak fuzje dwóch czarnych dziur lub dwie gwiazdy neutronowe . Na początku tych zdarzeń, gdy obiekty zaczynają krążyć wokół siebie, emitowane są fale grawitacyjne o częstotliwościach niższych niż 10 Hz. Im bliżej się znajdują, tym szybciej krążą (blisko 300 orbit na sekundę), obracając się tak szybko, że w końcu wytwarzają fale grawitacyjne wyższe niż 10 Hz. Te wybuchy trwają około 100 sekund przed zakończeniem łączenia, a fale grawitacyjne schodzą na znacznie niższe częstotliwości. To, co widzi LIGO, jest właściwie finałem długiego procesu, który zaczyna się z dużym wyprzedzeniem.

Tymczasem interferometria atomowa może mierzyć częstotliwości od 10 Hz do 100 MHz lub mniej. Może wychwycić mniejsze fale grawitacyjne emitowane miesiące, a nawet rok przed wybuchem. Pomogłoby to nie tylko ujawnić pełniejszy obraz tego, jak zachodzą te większe zjawiska i dlaczego, ale może też ostrzec naukowców, gdzie i kiedy się one pojawią. To dałoby czas na skonfigurowanie sprzętu, który mógłby je obserwować za pomocą innych środków, w tym fal radiowych, światła optycznego, podczerwieni, promieniowania UV, promieni rentgenowskich i promieni gamma.

Moim wymarzonym scenariuszem, mówi Hogan, jest wykrycie źródła w paśmie środkowym, takiego jak gwiazda neutronowa lub układ podwójny z czarnymi dziurami; dowiedzieć się, skąd pochodzi na niebie; i daj każdemu datę, godzinę i miejsce na wskazanie innych instrumentów. Być może będziemy mogli obserwować to połączenie w czasie rzeczywistym.

Możliwość wychwytywania tych niższych częstotliwości może oznaczać, że można również badać fale grawitacyjne emitowane przez cichsze, mniej masywne zjawiska. To może dać nam szansę odpowiedzi na kilka kosmologicznych pytań dotyczących tego, jak powstał i ewoluował wczesny wszechświat, mówi Hogan.

Na przykład interferometria atomowa może również mieć wpływ na poszukiwania ciemnej materii. Niektóre teorie sugerują, że ciemna materia jest materiałem o bardzo małej masie, który zachowuje się bardziej jak fala elektromagnetyczna. Jego obecność mogłaby prowadzić do niewielkich oddziaływań, które powodowałyby wymierne efekty energetyczne rzędu około 1 Hz. Hogan i jego koledzy są chętni do sprawdzenia, czy MAGIS-100, lub jego większa wersja, może wykryć te sygnały i być może dać bezpośredni wgląd w samą ciemną materię.

Masz dwa cele śledcze, które można realizować jednocześnie za pomocą tego samego wykrywacza, mówi Oliver Buchmueller, jeden z liderów Obserwatorium i Sieć Interferometrii Atomowej (AION) projekt w Wielkiej Brytanii, propozycja podobna do MAGIS. To niezwykle intrygujący sposób na zabicie dwóch ptaków jednym kamieniem.

Wszystko to na razie jest spekulacją. MAGIS-100 to tylko eksperymentalny prototyp. Interferometr atomowy musiałby mieć ponad kilometr długości, aby był wystarczająco czuły, aby dokonywać odkryć związanych z falami grawitacyjnymi. Hogan mówi, że on i jego koledzy już opracowują pomysły na kilometrową wersję i myślą o satelitarnych wersjach technologii, w których interferometria atomowa mogłaby naprawdę zabłysnąć.

Fizyk z Caltech, Rana Adhikari, który pracuje nad LIGO, ostrzega, że ​​nawet jeśli używasz atomów zamiast luster, nadal masz do czynienia ze zmianami – niezwykle małymi, ale wciąż problematycznymi – w polu grawitacyjnym Ziemi. Z drugiej strony, kosmiczny interferometr atomowy byłby w rzeczywistości najczulszym instrumentem, jaki kiedykolwiek zbudowano, zdolnym do obserwowania fal grawitacyjnych o najniższych możliwych do wyobrażenia częstotliwościach. To byłaby najwyższa czułość osiągnięta dla tego rodzaju nauki, mówi Buchmueller.

Naukowcy ze Stanford nie są jedynymi zainteresowanymi tą technologią, choć z pewnością są liderami. Oprócz AION grupuje się w Francja oraz Chiny opracowują też systemy interferometrii atomowej, choć z modyfikacjami (np. we Francji urządzenie działa poziomo). Podobnie jak LIGO wykorzystuje trzy różne detektory do potwierdzania sygnałów fal grawitacyjnych, Buchmueller ma nadzieję, że te różne projekty interferometrii atomowej mogą wzajemnie potwierdzić swoje odkrycia i udowodnić, że technologia to prawdziwa okazja.

Jak dotąd zespół ze Stanford dopracowuje sam prototyp MAGIS-100 i buduje źródła atomów strontu. Po stronie Fermilab trwa montaż. Idealnie byłoby zobaczyć, jak aparat zostanie całkowicie zainstalowany latem 2021 roku i ustawiony do operacji jesienią. Testy potrwają przez następne trzy lata.

Buchmueller uważa, że ​​w dłuższej perspektywie ta praca może również wpłynąć na zastosowania wykraczające poza polowanie na fale grawitacyjne. Zdolność do budowania tak czułych czujników i zmniejszania ich do kompaktowych urządzeń może w końcu być użyteczna w nawigacji statków lub w zastosowaniach wojskowych - mówi.

Możemy zobaczyć przyszłość, w której przenośne urządzenie, które zmieści się w samochodzie, może być używane do pomocy w poszukiwaniach ropy naftowej, szukaniu wad konstrukcyjnych lub wykrywaniu trzęsień ziemi z dużym wyprzedzeniem, mówi Adhikari. Możliwe, że interferometria atomowa i jej technologie spinoff mogą okazać się o wiele bardziej korzystne dla ludzkości w dłuższej perspektywie, mówi.

ukryć