211service.com
Hoe bevroren atomen ons kunnen helpen meer te leren van zwaartekrachtsgolven
Het MORE-100-prototype Amerikaanse ministerie van Energie
Het is vijf jaar geleden sinds de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven, die vreemde schommelingen in de ruimtetijd die worden veroorzaakt wanneer twee massieve objecten in de ruimte botsen. Het vinden van dat signaal bevestigde Einsteins eeuwenoude algemene relativiteitstheorie, die zegt dat versnellende objecten krommingen in de ruimtetijd produceren die zich in golven voortplanten. Sindsdien hebben wetenschappers deze signalen tientallen keren waargenomen, afkomstig uit veel verschillende delen van het universum en veroorzaakt door zeer verschillende soorten kosmische botsingen.
Maar sinds die historische eerste ontdekking hebben wetenschappers geprobeerd te ontrafelen wat zulke waarnemingen ons precies kunnen vertellen over het heelal. Helaas hebben ze allemaal één serieuze beperking: ze zijn een kleine momentopname van het moment waarop de twee objecten tegen elkaar botsen, en weinig anders. Erger nog, omdat we geen heads-up hebben voordat deze gebeurtenissen plaatsvinden, kunnen we niet eens echt andere instrumenten gebruiken om ze te bestuderen. Zonder een grotere context kunnen de zwaartekrachtsgolven die we detecteren ons maar zoveel vertellen voordat ze hun nut hebben uitgeput.
De sleutel om meer uit deze signalen te halen, zou kunnen komen van een nieuw experiment dat vorm krijgt diep in een 100 meter (320 voet) verticale schacht in Fermilab in Batavia, Illinois. Dit is MAGIS-100, een project dat is ontworpen om te zien of het fotograferen van bevroren atomen met lasers kan worden gebruikt om ultragevoelige signalen waar te nemen die zich door de ruimtetijd kunnen uitstrekken. Als het lukt, zou het kunnen helpen een nieuw tijdperk van atoominterferometrie in te luiden dat enkele van de geheimen van zwaartekrachtsgolven, donkere materie, kwantummechanica en andere bedwelmende onderwerpen zou kunnen onthullen.
Dit is hoe MAGIS-100 zou moeten werken: atomen worden afgekoeld tot een fractie boven het absolute nulpunt (om ze stabiel te houden) en vallen vervolgens in een vacuümkamer in de schacht. Een laser wordt in vrije val door deze kamer tussen atomen gepulseerd en de tijd die het licht nodig heeft om van de ene naar de andere te reizen, wordt gemeten. Omdat licht in een vacuüm met een constante snelheid reist, moet deze tijd precies voorspelbaar zijn. Elke vertraging zou vermoedelijk worden veroorzaakt door gevoelige externe signalen - zwaartekrachtgolven of mogelijk iets anders.
Dit is niet helemaal anders dan hoe conventionele interferometers werken. In de kern is MAGIS-100 een soort gekrompen versie van de LIGO-interferometers die de eerste zwaartekrachtsgolfdetecties maakten in 2015. Het verschil is dat LIGO spiegels gebruikt die enkele kilometers van elkaar verwijderd zijn in plaats van atomen. Deze spiegels zijn gevoelig voor storingen veroorzaakt door verstoringen in de grond, waardoor het moeilijker wordt om werkelijke signalen van valse ruis te onderscheiden. In theorie wordt een vrijvallend atoom niet op deze manier beïnvloed.
Stanford University-natuurkundige Jason Hogan, een van de leiders van het project, vergelijkt de technologie achter MAGIS-100 met een hybride van een interferometer en een atoomklok. Deze atomen werken in feite als extreem goede stopwatches die de tijd bijhouden op de voortplanting van licht en op zoek gaan naar fluctuaties die worden veroorzaakt door andere signalen, zegt hij.
De atoomklokvergelijking is logisch. Terwijl de 10 meter lange voorganger van de MAGIS-100 rubidiumatomen gebruikte, zal het huidige instrument strontiumatomen gebruiken, die momenteel worden gebruikt in de beste atoomklokken ter wereld. Ze zijn minder gevoelig voor externe magnetische velden dan andere atomen, wat betekent dat ze gedurende de levensduur van het universum één seconde verliezen, zegt Hogan.
De hoop is dat een toekomstige, grotere versie van MAGIS-100 in staat zal zijn om zwaartekrachtgolfgebeurtenissen op te vangen die buiten het bereik vallen van de grote projecten zoals LIGO of Virgo, die in Italië is gevestigd.
LIGO is beperkt tot het meten van signalen bij frequenties tussen 10 hertz en 1 kilohertz. Dat betekent dat het alleen enorme gebeurtenissen kan oppikken, zoals de fusies tussen twee zwarte gaten of... twee neutronensterren . Aan het begin van die gebeurtenissen worden zwaartekrachtsgolven met frequenties lager dan 10 Hz uitgezonden als de objecten om elkaar heen beginnen te draaien. Hoe dichterbij ze komen, hoe sneller ze om de aarde draaien (bijna 300 banen per seconde), en zo snel draaien dat ze uiteindelijk zwaartekrachtgolven produceren die hoger zijn dan 10 Hz. Deze burst-gebeurtenissen duren ongeveer 100 seconden voordat de fusie is voltooid en de zwaartekrachtsgolven afnemen naar veel lagere frequenties. Wat LIGO ziet, is eigenlijk slechts de finale van een lang proces dat ruim van tevoren begint.
Atom-interferometrie zou ondertussen frequenties kunnen meten van 10 Hz tot 100 mHz of minder. Het zou kleinere zwaartekrachtsgolven kunnen opvangen die maanden of zelfs een jaar voorafgaand aan een burst-gebeurtenis worden uitgezonden. Dit zou niet alleen helpen om een completer beeld te krijgen van hoe deze grotere verschijnselen optreden en waarom, maar het zou wetenschappers ook kunnen waarschuwen waar en wanneer ze zullen plaatsvinden. Dat zou de tijd winnen om apparatuur op te zetten die ze op andere manieren zou kunnen observeren, waaronder radiogolven, optisch licht, infrarood, UV-straling, röntgenstralen en gammastralen.
Mijn droomscenario, zegt Hogan, is om een bron in de middenband te detecteren, zoals een neutronenster of een dubbelster van een zwart gat; uitzoeken waar het vandaan komt in de lucht; en geef iedereen een datum, tijd en plaats om hun andere instrumenten te richten. We kunnen deze fusie misschien in realtime zien gebeuren.
In staat zijn om deze lagere frequenties op te vangen, zou kunnen betekenen dat zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door stillere, minder massieve verschijnselen ook kunnen worden bestudeerd. Dit zou ons de kans kunnen geven om enkele kosmologische vragen te beantwoorden over hoe het vroege heelal werd gevormd en geëvolueerd, zegt Hogan.
Atoominterferometrie kan bijvoorbeeld ook een impact hebben bij het zoeken naar donkere materie. Sommige theorieën suggereren dat donkere materie een materiaal met ultralage massa is dat zich meer als een elektromagnetische golf gedraagt. Zijn aanwezigheid zou kunnen leiden tot kleine interacties die meetbare energie-effecten zouden veroorzaken in de orde van grootte van ongeveer 1 Hz. Hogan en zijn collega's willen graag testen of MAGIS-100, of een grotere versie, deze signalen zou kunnen detecteren en mogelijk een directe glimp van donkere materie zelf zou kunnen opvangen.
Je hebt twee onderzoeksdoelen die tegelijkertijd met dezelfde detector kunnen worden nagestreefd, zegt Oliver Buchmueller, een van de leiders van de Atoom Interferometrisch Observatorium en Netwerk (AION) project in het VK, een voorstel vergelijkbaar met MAGIS. Het is een buitengewoon intrigerende manier om twee vliegen in één klap te slaan.
Dit alles is voorlopig speculatief. MAGIS-100 is slechts een experimenteel prototype. Een atomaire interferometer zou meer dan een kilometer lang moeten zijn om gevoelig genoeg te zijn om ontdekkingen te doen die verband houden met zwaartekrachtsgolven. Hogan zegt dat hij en zijn collega's al ideeën aan het opstellen zijn voor een kilometerlange versie en nadenken over satellietversies van de technologie, waar atoominterferometrie echt zou kunnen schitteren.
Caltech-natuurkundige Rana Adhikari, die aan LIGO werkt, waarschuwt dat zelfs als je atomen gebruikt in plaats van spiegels, je nog steeds te maken hebt met veranderingen - extreem klein, maar nog steeds problematisch - in het zwaartekrachtveld van de aarde. Een op de ruimte gebaseerde atoominterferometer daarentegen zou in feite het meest gevoelige instrument zijn dat ooit is geconstrueerd, in staat om zwaartekrachtsgolven waar te nemen op de laagst denkbare frequenties. Dat zou de ultieme gevoeligheid zijn voor dit soort wetenschap, zegt Buchmueller.
De onderzoekers van Stanford zijn niet de enigen die geïnteresseerd zijn in deze technologie, al lopen ze zeker voorop. Naast AION, groepen in Frankrijk en China ontwikkelen ook atoominterferometriesystemen, zij het met aanpassingen (in Frankrijk loopt het apparaat bijvoorbeeld horizontaal). Net zoals LIGO drie verschillende detectoren gebruikt om zwaartekrachtgolfsignalen te bevestigen, hoopt Buchmueller dat deze verschillende atoominterferometrieprojecten elkaars bevindingen kunnen valideren en kunnen bewijzen dat de technologie de echte deal is.
Tot dusver legt het Stanford-team de laatste hand aan het MAGIS-100-prototype zelf en bouwt het de bronnen van strontiumatomen op. Aan de kant van Fermilab is de installatie aan de gang. In het ideale geval zien we het apparaat in de zomer van 2021 volledig geïnstalleerd en klaar voor gebruik in de herfst. De tests zullen de komende drie jaar worden uitgevoerd.
Op de langere termijn denkt Buchmueller dat er ook een kans is voor dit werk om toepassingen te beïnvloeden die verder gaan dan de jacht op zwaartekrachtgolven. De mogelijkheid om dergelijke gevoelige sensoren te bouwen en ze te verkleinen tot compacte apparaten zou uiteindelijk nuttig kunnen zijn voor scheepsnavigatie of militaire toepassingen, zegt hij.
We zouden een toekomst kunnen zien waarin een draagbaar apparaat dat in een auto past, kan worden gebruikt om te helpen bij het zoeken naar olie, het zoeken naar structurele fouten of het ruim van tevoren detecteren van aardbevingen, zegt Adhikari. Het kan zijn dat de atoominterferometrie en de spin-off-technologieën op de lange termijn veel gunstiger voor de mensheid kunnen zijn, zegt hij.