Hur frusna atomer kan hjälpa oss att lära oss mer av gravitationsvågor

MORE-100-prototypen US Department of Energy

Det har gått f våra år sedan den första upptäckten av gravitationsvågor, de där konstiga vinklingarna i rymden som orsakades när två massiva föremål i rymden kolliderar. Att hitta den signalen bekräftade Einsteins hundraåriga teori om allmän relativitet, som säger att accelererande objekt producerar krökningar i rymdtiden som fortplantar sig till vågor. Sedan dess har forskare observerat dessa signaler dussintals gånger, skvalpande ut från många olika delar av universum och orsakade av väldigt olika typer av kosmiska kollisioner.

Men ända sedan den historiska första upptäckten har forskare försökt ta bort exakt vad sådana observationer kan berätta om universum. Tyvärr har alla en allvarlig begränsning: de är en smal ögonblicksbild av ögonblicket när de två objekten kraschar in i varandra, och lite annat. Ännu värre, eftersom vi inte har några heads-up innan dessa händelser kommer att inträffa, kan vi inte ens använda andra instrument för att studera dem. Utan större sammanhang kan gravitationsvågorna vi upptäcker bara berätta så mycket innan de förbrukar sin användbarhet.

Nyckeln till att få ut mer av dessa signaler kan komma från ett nytt experiment som tar form djupt i ett 100 meter (320 fot) vertikalt schakt vid Fermilab i Batavia, Illinois. Detta är MAGIS-100, ett projekt utformat för att se om skjutning av frusna atomer med lasrar kan användas för att observera ultrakänsliga signaler som kan sträcka sig genom rymdtiden. Om det lyckas kan det hjälpa till att inleda en ny era av atominterferometri som kan avslöja några av hemligheterna med gravitationsvågor, mörk materia, kvantmekanik och andra berusande ämnen.

Så här ska MAGIS-100 fungera: atomer kyls till en bråkdel över absolut noll (för att hålla dem stabila) och släpps sedan ner i en vakuumkammare inrymd i skaftet. En laser pulsas ner i denna kammare mellan atomer i fritt fall, och den tid det tar för ljus att färdas från den ena till den andra mäts. Eftersom ljus i ett vakuum färdas med konstant hastighet bör denna tid vara exakt förutsägbar. Varje fördröjning skulle förmodligen orsakas av känsliga externa signaler - gravitationsvågor eller potentiellt något annat.

Detta skiljer sig inte helt från hur konventionella interferometrar fungerar. I sin kärna är MAGIS-100 en sorts krympt version av LIGO-interferometrarna som gjorde de första gravitationsvågsdetekteringarna 2015. Skillnaden är att LIGO använder speglar placerade flera kilometer från varandra istället för atomer. Dessa speglar är känsliga för störningar orsakade av störningar i marken, vilket gör det svårare att urskilja faktiska signaler från falskt brus. I teorin kommer en fritt fallande atom inte att påverkas på detta sätt.

Stanford University fysiker Jason Hogan, en av de ledande för projektet, liknar tekniken bakom MAGIS-100 med en hybrid av en interferometer och en atomklocka. Dessa atomer fungerar i princip som extremt bra stoppur som håller tiden på ljusets utbredning och letar efter fluktuationer orsakade av andra signaler, säger han.

Jämförelsen av atomklockan är vettig. Medan MAGIS-100:s 10-meters föregångare använde rubidiumatomer, kommer det nuvarande instrumentet att använda strontiumatomer, som för närvarande används i de bästa atomur i världen. De är mindre känsliga för yttre magnetfält än andra atomer, vilket innebär att de förlorar en sekund under universums livstid, säger Hogan.

Förhoppningen är att en framtida, större version av MAGIS-100 ska kunna ta upp gravitationsvåghändelser som faller utanför ramarna för de stora projekten som LIGO eller Virgo, som är baserad i Italien.

LIGO är begränsad till att mäta signaler vid frekvenser mellan 10 hertz och 1 kilohertz. Det betyder att det bara kan ta tag i massiva händelser som fusioner mellan två svarta hål eller två neutronstjärnor . I början av dessa händelser emitteras gravitationsvågor vid frekvenser lägre än 10 Hz när objekten börjar kretsa runt varandra. Ju närmare de kommer, desto snabbare kretsar de (närmare 300 omlopp per sekund), snurrar så snabbt att de så småningom producerar gravitationsvågor högre än 10 Hz. Dessa burst-händelser varar cirka 100 sekunder innan sammanslagningen är klar och gravitationsvågorna avtar till mycket lägre frekvenser. Det LIGO kan se är faktiskt bara finalen på en lång process som startar i god tid.

Atominterferometri kunde under tiden mäta frekvenser från 10 Hz ner till 100 mHz eller mindre. Det kan ta upp mindre gravitationsvågor som sänds ut månader eller till och med ett år före en burst-händelse. Detta skulle inte bara bidra till att avslöja en mer komplett bild av hur dessa större fenomen uppstår och varför, utan det kan varna forskare var och när de kommer att hända. Det skulle ta tid att installera utrustning som kunde observera dem på andra sätt, inklusive radiovågor, optiskt ljus, infrarött, UV-strålning, röntgenstrålar och gammastrålar.

Mitt drömscenario, säger Hogan, är att göra en detektering av en källa i mittbandet, som en neutronstjärna eller svarthåls binär; ta reda på var den kommer ifrån på himlen; och ge alla ett datum och tid och plats för att rikta sina andra instrument. Vi kanske kan se denna sammanslagning ske i realtid.

Att kunna ta upp dessa lägre frekvenser kan innebära att gravitationsvågor som emitteras av tystare, mindre massiva fenomen också kan studeras. Detta kan ge oss chansen att svara på några kosmologiska frågor om hur det tidiga universum bildades och utvecklades, säger Hogan.

Till exempel kan atominterferometri också påverka sökandet efter mörk materia. Vissa teorier tyder på att mörk materia är ett material med ultralåg massa som beter sig mer som en elektromagnetisk våg. Dess närvaro kan leda till små interaktioner som skulle orsaka mätbara energieffekter i storleksordningen cirka 1 Hz. Hogan och hans kollegor är ivriga att testa om MAGIS-100, eller en större version, skulle kunna upptäcka dessa signaler och möjligen ge en direkt glimt av själva mörk materia.

Du har två utredningsmål som kan eftersträvas samtidigt med samma detektor, säger Oliver Buchmueller, en av ledarna för Atomic Interferometric Observatory and Network (AION) projekt i Storbritannien, ett förslag som liknar MAGIS. Det är ett extremt spännande sätt att slå två flugor i en smäll.

Allt detta är spekulativt för tillfället. MAGIS-100 är bara en experimentell prototyp. En atomär interferometer skulle behöva vara över en kilometer lång för att vara tillräckligt känslig för att göra upptäckter relaterade till gravitationsvågor. Hogan säger att han och hans kollegor redan utarbetar idéer för en kilometerlång version och funderar på satellitversioner av tekniken, där atominterferometri verkligen skulle kunna lysa.

Caltech-fysikern Rana Adhikari, som arbetar på LIGO, varnar för att även om du använder atomer istället för speglar, har du fortfarande att göra med förändringar - extremt små, men fortfarande problematiska - i jordens gravitationsfält. En rymdbaserad atominterferometer skulle å andra sidan i praktiken vara det känsligaste instrumentet som någonsin konstruerats, som kan observera gravitationsvågor vid de lägsta tänkbara frekvenser. Det skulle vara den ultimata känsligheten som uppnås för den här typen av vetenskap, säger Buchmueller.

Stanford-forskarna är inte de enda som är intresserade av den här tekniken, även om de verkligen leder flocken. Förutom AION, grupper i Frankrike och Kina utvecklar också atominterferometrisystem, om än med modifieringar (i Frankrike, till exempel, går enheten horisontellt). Precis som LIGO använder tre olika detektorer för att bekräfta gravitationsvågssignaler, hoppas Buchmueller att dessa olika atominterferometriprojekt kan validera varandras resultat och bevisa att tekniken är den verkliga affären.

Hittills håller Stanford-teamet på att lägga sista handen på själva MAGIS-100-prototypen och bygga upp källorna till strontiumatomer. På Fermilabs sida pågår installationen. Helst kommer vi att se apparaten färdiginstallerad sommaren 2021 och klar för drift under hösten. Testerna kommer att pågå under de följande tre åren.

På längre sikt tror Buchmueller att det också finns en möjlighet för detta arbete att påverka tillämpningar bortom jakten på gravitationsvågor. Möjligheten att bygga sådana känsliga sensorer och krympa dem till kompakta enheter kan så småningom vara användbar för fartygsnavigering eller militära tillämpningar, säger han.

Vi kanske ser en framtid där en bärbar enhet som kan passa i en bil kan användas för att hjälpa till vid oljeprospektering, leta efter strukturella fel eller upptäcka jordbävningar i god tid, säger Adhikari. Det kan vara så att atominterferometrin och dess spinoff-teknologier kan visa sig vara mycket mer fördelaktiga för mänskligheten på lång sikt, säger han.

Dölj