211service.com
Hvordan frosne atomer kan hjelpe oss å lære mer av gravitasjonsbølger
MORE-100-prototypen US Department of Energy
Det har gått f våre år siden den første oppdagelsen av gravitasjonsbølger, de merkelige vinglingene i romtiden forårsaket når to massive objekter i rommet kolliderer. Å finne dette signalet bekreftet Einsteins århundregamle teori om generell relativitet, som sier at akselererende objekter produserer krumninger i romtiden som forplanter seg til bølger. Siden den gang har forskere observert disse signalene dusinvis av ganger, bølgende ut fra mange forskjellige deler av universet og forårsaket av svært forskjellige typer kosmiske kollisjoner.
Men helt siden den historiske første oppdagelsen, har forskere forsøkt å finne ut nøyaktig hva slike observasjoner kan fortelle oss om universet. Dessverre har alle en alvorlig begrensning: de er et smalt øyeblikksbilde av øyeblikket da de to objektene krasjer inn i hverandre, og lite annet. Verre, fordi vi ikke har noen heads-up før disse hendelsene vil inntreffe, kan vi ikke engang bruke andre instrumenter for å studere dem. Uten større kontekst kan gravitasjonsbølgene vi oppdager fortelle oss bare så mye før de tar ut nytten.
Nøkkelen til å få mer ut av disse signalene kan komme fra et nytt eksperiment som tar form dypt i en 100 meter (320 fot) vertikal aksel ved Fermilab i Batavia, Illinois. Dette er MAGIS-100, et prosjekt designet for å se om skyting av frosne atomer med lasere kan brukes til å observere ultrasensitive signaler som kan strekke seg gjennom romtiden. Hvis det lykkes, kan det bidra til å innlede en ny æra av atominterferometri som kan avsløre noen av hemmelighetene til gravitasjonsbølger, mørk materie, kvantemekanikk og andre heftige emner.
Her er hvordan MAGIS-100 skal fungere: atomer avkjøles til en brøkdel over absolutt null (for å holde dem stabile) og faller deretter ned i et vakuumkammer inne i skaftet. En laser pulseres nedover dette kammeret mellom atomer i fritt fall, og tiden det tar for lys å reise fra det ene til det andre måles. Fordi lys i et vakuum beveger seg med konstant hastighet, bør denne tiden være nøyaktig forutsigbar. Enhver forsinkelse vil antagelig være forårsaket av sensitive eksterne signaler - gravitasjonsbølger, eller potensielt noe annet.
Dette er ikke helt forskjellig fra hvordan konvensjonelle interferometre fungerer. I kjernen er MAGIS-100 en slags krympet versjon av LIGO-interferometrene som gjorde de første gravitasjonsbølgedeteksjonene i 2015. Forskjellen er at LIGO bruker speil stasjonert flere kilometer fra hverandre i stedet for atomer. Disse speilene er følsomme for forstyrrelser forårsaket av forstyrrelser i bakken, noe som gjør det vanskeligere å skjelne faktiske signaler fra falsk støy. I teorien vil ikke et fritt fallende atom bli påvirket på denne måten.
Stanford University fysiker Jason Hogan, en av lederne for prosjektet, sammenligner teknologien bak MAGIS-100 med en hybrid av et interferometer og en atomklokke. Disse atomene fungerer i utgangspunktet som ekstremt gode stoppeklokker som holder tiden på lysets forplantning og ser etter svingninger forårsaket av andre signaler, sier han.
Atomklokke-sammenligningen gir mening. Mens MAGIS-100s 10 meter lange forgjenger brukte rubidiumatomer, vil det nåværende instrumentet bruke strontiumatomer, som for tiden brukes i de beste atomklokkene i verden. De er mindre følsomme for eksterne magnetiske felt enn andre atomer, noe som betyr at de taper ett sekund i løpet av universets levetid, sier Hogan.
Håpet er at en fremtidig, større versjon av MAGIS-100 vil være i stand til å fange opp gravitasjonsbølgehendelser som faller utenfor rammen av de store prosjektene som LIGO eller Virgo, som er basert i Italia.
LIGO er begrenset til å måle signaler ved frekvenser mellom 10 hertz og 1 kilohertz. Det betyr at det bare kan ta seg opp på massive hendelser som fusjoner mellom to sorte hull eller to nøytronstjerner . Ved starten av disse hendelsene sendes gravitasjonsbølger ved frekvenser lavere enn 10 Hz ut når objektene begynner å gå i bane rundt hverandre. Jo nærmere de kommer, jo raskere går de i bane (nærmer 300 omløp per sekund), og spinner så fort at de til slutt produserer gravitasjonsbølger høyere enn 10 Hz. Disse utbruddshendelsene varer omtrent 100 sekunder før sammenslåingen er fullført og gravitasjonsbølgene avtar til mye lavere frekvenser. Det LIGO kan se er faktisk bare finalen i en lang prosess som starter i god tid.
Atominterferometri kan i mellomtiden måle frekvenser fra 10 Hz ned til 100 mHz eller mindre. Det kan fange opp mindre gravitasjonsbølger som sendes ut måneder eller til og med et år før en eksplosjonshendelse. Dette vil ikke bare bidra til å avsløre et mer fullstendig bilde av hvordan disse større fenomenene oppstår og hvorfor, men det kan advare forskere hvor og når de vil skje. Det ville kjøpe tid til å sette opp utstyr som kunne observere dem på andre måter, inkludert radiobølger, optisk lys, infrarødt, UV-stråling, røntgenstråler og gammastråler.
Drømmescenarioet mitt, sier Hogan, er å foreta en deteksjon av en kilde i midtbåndet, som en nøytronstjerne eller et binært hull; finne ut hvor det kommer fra på himmelen; og gi alle en dato og tid og sted for å peke sine andre instrumenter. Vi kan kanskje se denne fusjonen skje i sanntid.
Å kunne fange opp disse lavere frekvensene kan bety at gravitasjonsbølger som sendes ut av roligere, mindre massive fenomener også kan studeres. Dette kan gi oss sjansen til å svare på noen kosmologiske spørsmål om hvordan det tidlige universet ble dannet og utviklet seg, sier Hogan.
For eksempel kan atominterferometri også ha en innvirkning i søket etter mørk materie. Noen teorier antyder at mørk materie er et materiale med ultralav masse som oppfører seg mer som en elektromagnetisk bølge. Dens tilstedeværelse kan føre til små interaksjoner som vil forårsake målbare energieffekter i størrelsesorden omtrent 1 Hz. Hogan og kollegene hans er ivrige etter å teste om MAGIS-100, eller en større versjon, kunne oppdage disse signalene og muligens gi et direkte glimt av selve mørk materie.
Du har to etterforskningsmål som kan forfølges samtidig med samme detektor, sier Oliver Buchmueller, en av lederne for Atomic Interferometric Observatory and Network (AION) prosjekt i Storbritannia, et forslag som ligner på MAGIS. Det er en ekstremt spennende måte å slå to fluer i en smekk.
Alt dette er spekulativt foreløpig. MAGIS-100 er bare en eksperimentell prototype. Et atominterferometer må være over en kilometer langt for å være følsomt nok til å gjøre noen funn relatert til gravitasjonsbølger. Hogan sier at han og kollegene hans allerede utarbeider ideer for en kilometer lang versjon og tenker på satellittversjoner av teknologien, hvor atominterferometri virkelig kan skinne.
Caltech-fysiker Rana Adhikari, som jobber med LIGO, advarer om at selv om du bruker atomer i stedet for speil, har du fortsatt å gjøre med endringer - ekstremt små, men fortsatt problematiske - i jordens gravitasjonsfelt. Et rombasert atominterferometer, på den annen side, ville effektivt være det mest følsomme instrumentet som noen gang er konstruert, i stand til å observere gravitasjonsbølger ved de laveste frekvensene man kan tenke seg. Det ville være den ultimate følsomheten oppnådd for denne typen vitenskap, sier Buchmueller.
Stanford-forskerne er ikke de eneste som er interessert i denne teknologien, selv om de absolutt leder flokken. Foruten AION, grupper i Frankrike og Kina utvikler også atominterferometrisystemer, om enn med modifikasjoner (i Frankrike, for eksempel, går enheten horisontalt). Akkurat som LIGO bruker tre forskjellige detektorer for å bekrefte gravitasjonsbølgesignaler, håper Buchmueller at disse forskjellige atominterferometriprosjektene kan validere hverandres funn og bevise at teknologien er den virkelige avtalen.
Så langt legger Stanford-teamet siste hånd på selve MAGIS-100-prototypen, og bygger opp kildene til strontiumatomer. På Fermilabs side er installasjonen i gang. Ideelt sett vil vi se at apparatet er ferdig installert sommeren 2021 og klargjort for drift til høsten. Testingen vil pågå over de neste tre årene.
På lengre sikt mener Buchmueller det også er en mulighet for dette arbeidet til å påvirke applikasjoner utover jakten på gravitasjonsbølger. Evnen til å bygge slike sensitive sensorer og krympe dem til kompakte enheter kan etter hvert være nyttig for skipsnavigasjon eller militære applikasjoner, sier han.
Vi kan se en fremtid der en bærbar enhet som kan passe i en bil kan brukes til å hjelpe til med oljeleting, lete etter strukturelle feil eller oppdage jordskjelv i god tid, sier Adhikari. Det kan være at atominterferometrien og dens spinoff-teknologier kan vise seg mye mer fordelaktig for menneskeheten på lang sikt, sier han.