Kaip užšaldyti atomai galėtų padėti mums daugiau sužinoti iš gravitacinių bangų

MORE-100 prototipas JAV Energetikos departamentas

Praėjo jau penkeri metai nuo pirmojo gravitacinių bangų aptikimo, tų keistų erdvėlaikio bangavimų, atsiradusių susidūrus dviem masyviems objektams erdvėje. Šio signalo radimas patvirtino šimtmečio senumo Einšteino bendrosios reliatyvumo teoriją, teigiančią, kad greitėjantys objektai sukuria erdvėlaikio kreivius, kurie plinta į bangas. Nuo to laiko mokslininkai šiuos signalus stebėjo dešimtis kartų, raibuliuojančius iš daugybės skirtingų visatos dalių ir sukeltus labai skirtingų kosminių susidūrimų.

Tačiau nuo pat to istorinio pirmojo aptikimo mokslininkai bandė tiksliai išsiaiškinti, ką tokie stebėjimai gali mums pasakyti apie visatą. Deja, visi jie turi vieną rimtą apribojimą: tai siauras momentas, kai du objektai atsitrenkia vienas į kitą, ir mažai kas kita. Dar blogiau, nes mes neturime jokių įspėjimų prieš įvykus šiems įvykiams, todėl net negalime naudoti kitų instrumentų jiems tirti. Be didesnio konteksto mūsų aptinkamos gravitacinės bangos gali mums pasakyti tik tiek, kol neišnaudos jų naudingumo.

Raktas norint gauti daugiau naudos iš šių signalų gali būti naujas eksperimentas, kuris formuojasi giliai 100 metrų (320 pėdų) vertikalioje šachtoje Fermilab mieste, Batavia, Ilinojaus valstijoje. Tai MAGIS-100, projektas, skirtas išsiaiškinti, ar sustingusių atomų šaudymas lazeriais gali būti naudojamas stebėti itin jautrius signalus, kurie gali sklisti erdvėlaikiu. Jei pasiseks, tai gali padėti pradėti naują atomų interferometrijos erą, kuri galėtų atskleisti kai kurias gravitacinių bangų, tamsiosios medžiagos, kvantinės mechanikos ir kitų svaiginančių temų paslaptis.

Štai kaip turėtų veikti MAGIS-100: atomai atšaldomi iki dalies virš absoliutaus nulio (kad jie išliktų stabilūs), o tada nuleidžiami į vakuuminę kamerą, esančią velene. Šioje kameroje tarp atomų laisvo kritimo metu impulsuojamas lazeris ir matuojamas laikas, per kurį šviesa nukeliauja iš vieno į kitą. Kadangi šviesa vakuume sklinda pastoviu greičiu, šis laikas turėtų būti tiksliai nuspėjamas. Tikėtina, kad bet kokį vėlavimą sukeltų jautrūs išoriniai signalai – gravitacinės bangos ar galbūt kažkas kita.

Tai visiškai nesiskiria nuo įprastinių interferometrų veikimo. Iš esmės MAGIS-100 yra tarsi susitraukusi LIGO interferometrų versija, kuri 2015 m. pirmą kartą aptiko gravitacines bangas. Skirtumas tas, kad LIGO vietoj atomų naudoja veidrodžius, išdėstytus kelių kilometrų atstumu. Šie veidrodžiai yra jautrūs trikdžiams, kuriuos sukelia žemės trikdžiai, todėl sunkiau atskirti tikrus signalus iš klaidingo triukšmo. Teoriškai laisvai krintantis atomas tokiu būdu nebus paveiktas.

Stanfordo universiteto fizikas Jasonas Hoganas, vienas iš projekto vadovų, MAGIS-100 technologiją lygina su interferometro ir atominio laikrodžio hibridu. Šie atomai iš esmės veikia kaip itin geri chronometrai, kurie sulaiko šviesos sklidimo laiką ir ieško kitų signalų sukeltų svyravimų, sako jis.

Atominio laikrodžio palyginimas yra prasmingas. MAGIS-100 10 metrų pirmtakas naudojo rubidžio atomus, o dabartinis prietaisas naudos stroncio atomus, kurie šiuo metu naudojami geriausiuose pasaulio atominiuose laikrodžiuose. Jie yra mažiau jautrūs išoriniams magnetiniams laukams nei kiti atomai, o tai reiškia, kad jie praranda vieną sekundę per visą Visatos gyvavimo laiką, sako Hoganas.

Tikimasi, kad būsima, didesnė MAGIS-100 versija galės užfiksuoti gravitacinių bangų įvykius, kurie nepatenka į didelių projektų, tokių kaip LIGO ar „Virgo“, kurie yra Italijoje, taikymo sritį.

LIGO apsiriboja signalų matavimu, kurių dažnis yra nuo 10 hercų iki 1 kilohercų. Tai reiškia, kad jis gali atgauti tik tokius didžiulius įvykius kaip dviejų juodųjų skylių susijungimas arba dvi neutronines žvaigždes . Šių įvykių pradžioje skleidžiamos gravitacinės bangos, kurių dažnis mažesnis nei 10 Hz, nes objektai pradeda skrieti vienas aplink kitą. Kuo jie arčiau, tuo greičiau jie skrieja orbitoje (beveik 300 orbitų per sekundę), sukasi taip greitai, kad galiausiai sukuria gravitacines bangas, didesnes nei 10 Hz. Šie sprogimo įvykiai trunka apie 100 sekundžių, kol susijungimas baigiasi, o gravitacinės bangos susiaurėja į daug žemesnius dažnius. Tai, ką LIGO gali pamatyti, iš tikrųjų yra tik ilgo proceso, kuris prasideda gerokai iš anksto, finalas.

Tuo tarpu atomų interferometrija gali išmatuoti dažnius nuo 10 Hz iki 100 mHz ar mažiau. Jis gali užfiksuoti mažesnes gravitacines bangas, skleidžiamas mėnesius ar net metus iki sprogimo. Tai ne tik padėtų atskleisti išsamesnį vaizdą apie tai, kaip šie didesni reiškiniai atsiranda ir kodėl, bet ir įspėtų mokslininkus, kur ir kada jie įvyks. Tai atpirktų laiko įrengti įrangą, kuri galėtų juos stebėti kitomis priemonėmis, įskaitant radijo bangas, optinę šviesą, infraraudonąją, UV spinduliuotę, rentgeno ir gama spindulius.

Mano svajonių scenarijus, sako Hoganas, yra aptikti šaltinį vidurinėje juostoje, pavyzdžiui, neutroninę žvaigždę arba juodosios skylės dvejetainį elementą; išsiaiškinti, iš kur jis ateina iš dangaus; ir visiems nurodykite datą, laiką ir vietą, kur nurodyti kitus savo instrumentus. Galbūt galėsime stebėti šį susijungimą realiuoju laiku.

Gebėjimas paimti šiuos žemesnius dažnius gali reikšti, kad būtų galima ištirti ir tylesnių, mažiau masyvių reiškinių skleidžiamas gravitacines bangas. Tai gali suteikti mums galimybę atsakyti į kai kuriuos kosmologinius klausimus apie tai, kaip susiformavo ir vystėsi ankstyvoji visata, sako Hoganas.

Pavyzdžiui, atomų interferometrija taip pat gali turėti įtakos ieškant tamsiosios medžiagos. Kai kurios teorijos teigia, kad tamsioji medžiaga yra itin mažos masės medžiaga, kuri veikia labiau kaip elektromagnetinė banga. Jo buvimas gali sukelti nedideles sąveikas, kurios sukeltų išmatuojamą energijos poveikį maždaug 1 Hz dažniu. Hoganas ir jo kolegos nori išbandyti, ar MAGIS-100 arba didesnė versija gali aptikti šiuos signalus ir galbūt leisti tiesiogiai pamatyti pačią tamsiąją medžiagą.

Turite du tyrimo tikslus, kurių galima siekti tuo pačiu metu naudojant tą patį detektorių, sako Oliveris Buchmuelleris, vienas iš tyrimo vadovų. Atominė interferometrinė observatorija ir tinklas (AION) projektas JK, pasiūlymas panašus į MAGIS. Tai nepaprastai intriguojantis būdas vienu akmeniu nužudyti du paukščius.

Visa tai kol kas yra spekuliacija. MAGIS-100 yra tik eksperimentinis prototipas. Atominis interferometras turėtų būti ilgesnis nei kilometras, kad būtų pakankamai jautrus, kad būtų galima atlikti bet kokius atradimus, susijusius su gravitacinėmis bangomis. Hoganas sako, kad jis ir jo kolegos jau rengia kilometro ilgio versijos idėjas ir galvoja apie palydovines technologijos versijas, kuriose atomų interferometrija tikrai galėtų spindėti.

Caltech fizikas Rana Adhikari, dirbantis su LIGO, perspėja, kad net jei naudojate atomus, o ne veidrodžius, vis tiek susiduriate su pokyčiais, kurie yra labai maži, bet vis tiek problemiški, Žemės gravitacijos lauke. Kita vertus, erdvėje esantis atominis interferometras iš tikrųjų būtų pats jautriausias kada nors sukurtas instrumentas, galintis stebėti gravitacines bangas žemiausiais įsivaizduojamais dažniais. Tai būtų didžiausias jautrumas, pasiektas tokio tipo mokslams, sako Buchmuelleris.

Stenfordo mokslininkai nėra vieninteliai, kurie domisi šia technologija, nors jie tikrai pirmauja. Be AION, grupuojamos Prancūzija ir Kinija taip pat kuria atomų interferometrijos sistemas, nors ir su pakeitimais (pavyzdžiui, Prancūzijoje prietaisas veikia horizontaliai). Kaip LIGO gravitacinių bangų signalams patvirtinti naudoja tris skirtingus detektorius, Buchmuelleris tikisi, kad šie skirtingi atomų interferometrijos projektai gali patvirtinti vienas kito išvadas ir įrodyti, kad technologija yra tikra.

Kol kas Stenfordo komanda baigia patį MAGIS-100 prototipą ir kuria stroncio atomų šaltinius. „Fermilab“ pusėje vyksta diegimas. Idealiu atveju aparatas bus visiškai sumontuotas 2021 m. vasarą ir paruoštas eksploatuoti rudenį. Bandymai vyks per ateinančius trejus metus.

Ilgainiui Buchmuelleris mano, kad šis darbas taip pat turi galimybę paveikti taikymą, ne tik gravitacinių bangų medžioklę. Jis sako, kad galimybė sukurti tokius jautrius jutiklius ir sutraukti juos į kompaktiškus įrenginius galiausiai gali būti naudinga laivų navigacijai ar karinėms reikmėms.

Galime pamatyti ateitį, kai nešiojamasis prietaisas, kuris telpa į automobilį, gali būti naudojamas naftos žvalgymui, konstrukcijų gedimų paieškai ar žemės drebėjimų aptikimui iš anksto, sako Adhikari. Gali būti, kad atomų interferometrija ir jos spinoff technologijos ilgainiui gali pasirodyti daug naudingesnės žmonijai, sako jis.

paslėpti