Wie gefrorene Atome uns helfen könnten, mehr aus Gravitationswellen zu lernen

Der MORE-100-Prototyp US-Energieministerium

Vier Jahre sind seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen vergangen, jenen seltsamen Schwankungen in der Raumzeit, die verursacht werden, wenn zwei massive Objekte im Weltraum kollidieren. Das Auffinden dieses Signals bestätigte Einsteins jahrhundertealte Allgemeine Relativitätstheorie, die besagt, dass beschleunigte Objekte Krümmungen in der Raumzeit erzeugen, die sich in Wellen ausbreiten. Seitdem haben Wissenschaftler diese Signale dutzende Male beobachtet, die von vielen verschiedenen Teilen des Universums ausgehen und durch sehr unterschiedliche Arten kosmischer Kollisionen verursacht werden.

Aber seit dieser historischen ersten Entdeckung haben Wissenschaftler versucht herauszufinden, was uns solche Beobachtungen genau über das Universum sagen können. Leider haben sie alle eine ernsthafte Einschränkung: Sie sind eine enge Momentaufnahme des Moments, in dem die beiden Objekte zusammenstoßen, und sonst wenig. Schlimmer noch, weil wir keine Vorwarnung haben, bevor diese Ereignisse eintreten, können wir nicht einmal andere Instrumente verwenden, um sie zu studieren. Ohne größeren Kontext können uns die von uns entdeckten Gravitationswellen nur so viel sagen, bevor sie ihre Nützlichkeit erschöpfen.

Der Schlüssel, um mehr aus diesen Signalen herauszuholen, könnte von einem neuen Experiment kommen, das tief in einem 100 Meter (320 Fuß) langen vertikalen Schacht bei Fermilab in Batavia, Illinois, Gestalt annimmt. Dies ist MAGIS-100, ein Projekt, das entwickelt wurde, um zu sehen, ob das Schießen von gefrorenen Atomen mit Lasern verwendet werden kann, um ultraempfindliche Signale zu beobachten, die sich durch die Raumzeit erstrecken könnten. Wenn es erfolgreich ist, könnte es helfen, eine neue Ära der Atominterferometrie einzuleiten, die einige der Geheimnisse von Gravitationswellen, dunkler Materie, Quantenmechanik und anderen berauschenden Themen enthüllen könnte.

So sollte MAGIS-100 funktionieren: Atome werden auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt gekühlt (um sie stabil zu halten) und dann in eine im Schacht untergebrachte Vakuumkammer fallen gelassen. Ein Laser wird durch diese Kammer zwischen Atomen im freien Fall gepulst, und die Zeit, die das Licht benötigt, um von einem zum anderen zu gelangen, wird gemessen. Da sich Licht im Vakuum mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet, sollte diese Zeit genau vorhersagbar sein. Jede Verzögerung würde vermutlich durch empfindliche externe Signale verursacht werden – Gravitationswellen oder möglicherweise etwas anderes.

Dies unterscheidet sich nicht grundlegend von der Funktionsweise herkömmlicher Interferometer. Im Kern ist MAGIS-100 eine Art verkleinerte Version der LIGO-Interferometer, die 2015 die ersten Gravitationswellen-Detektionen durchführten. Der Unterschied besteht darin, dass LIGO anstelle von Atomen Spiegel verwendet, die mehrere Kilometer voneinander entfernt stationiert sind. Diese Spiegel sind anfällig für Störungen, die durch Störungen im Boden verursacht werden, was es schwieriger macht, tatsächliche Signale von falschem Rauschen zu unterscheiden. Theoretisch wird ein frei fallendes Atom nicht auf diese Weise beeinflusst.

Der Physiker Jason Hogan von der Stanford University, einer der Leiter des Projekts, vergleicht die Technologie hinter MAGIS-100 mit einer Mischung aus einem Interferometer und einer Atomuhr. Diese Atome fungieren im Grunde wie extrem gute Stoppuhren, die die Ausbreitung des Lichts messen und nach Schwankungen suchen, die durch andere Signale verursacht werden, sagt er.

Der Vergleich mit der Atomuhr macht Sinn. Während der 10-Meter-Vorgänger von MAGIS-100 Rubidiumatome verwendete, wird das aktuelle Instrument Strontiumatome verwenden, die derzeit in den besten Atomuhren der Welt verwendet werden. Sie sind weniger empfindlich gegenüber externen Magnetfeldern als andere Atome, was bedeutet, dass sie im Laufe der Lebensdauer des Universums eine Sekunde verlieren, sagt Hogan.

Die Hoffnung ist, dass eine zukünftige, größere Version von MAGIS-100 in der Lage sein wird, Gravitationswellenereignisse aufzufangen, die außerhalb des Umfangs der großen Projekte wie LIGO oder Virgo liegen, die in Italien angesiedelt sind.

LIGO ist auf die Messung von Signalen mit Frequenzen zwischen 10 Hertz und 1 Kilohertz beschränkt. Das bedeutet, dass es nur massive Ereignisse wie die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher oder auffangen kann zwei Neutronensterne . Zu Beginn dieser Ereignisse werden Gravitationswellen mit Frequenzen unter 10 Hz emittiert, wenn die Objekte beginnen, sich gegenseitig zu umkreisen. Je näher sie kommen, desto schneller kreisen sie (fast 300 Umlaufbahnen pro Sekunde) und drehen sich so schnell, dass sie schließlich Gravitationswellen mit mehr als 10 Hz erzeugen. Diese Burst-Ereignisse dauern etwa 100 Sekunden, bevor die Verschmelzung abgeschlossen ist und die Gravitationswellen in viel niedrigere Frequenzen abfallen. Was LIGO sehen kann, ist eigentlich nur das Finale eines langen Prozesses, der weit im Voraus beginnt.

Die Atominterferometrie hingegen könnte Frequenzen von 10 Hz bis hinunter zu 100 mHz oder weniger messen. Es könnte kleinere Gravitationswellen auffangen, die Monate oder sogar ein Jahr vor einem Burst-Ereignis emittiert werden. Dies würde nicht nur dazu beitragen, ein vollständigeres Bild davon zu erhalten, wie diese größeren Phänomene auftreten und warum, sondern es könnte Wissenschaftler warnen, wo und wann sie auftreten werden. Das würde die Zeit erkaufen, um Geräte einzurichten, die sie auf andere Weise beobachten könnten, einschließlich Radiowellen, optisches Licht, Infrarot, UV-Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.

Mein Traumszenario, sagt Hogan, ist es, eine Quelle im Mittelband zu entdecken, wie einen Neutronenstern oder ein Doppelsystem aus schwarzen Löchern; finde heraus, woher es am Himmel kommt; und geben Sie jedem ein Datum, eine Uhrzeit und einen Ort, an dem er seine anderen Instrumente ausrichten soll. Wir können diese Fusion möglicherweise in Echtzeit beobachten.

In der Lage zu sein, diese niedrigeren Frequenzen aufzunehmen, könnte bedeuten, dass auch Gravitationswellen untersucht werden könnten, die von leiseren, weniger massiven Phänomenen ausgesandt werden. Dies könnte uns die Chance geben, einige kosmologische Fragen darüber zu beantworten, wie das frühe Universum entstanden und sich entwickelt hat, sagt Hogan.

Beispielsweise könnte die Atominterferometrie auch bei der Suche nach dunkler Materie von Bedeutung sein. Einige Theorien deuten darauf hin, dass dunkle Materie ein Material mit extrem geringer Masse ist, das sich eher wie eine elektromagnetische Welle verhält. Seine Anwesenheit könnte zu kleinen Wechselwirkungen führen, die messbare Energieeffekte in der Größenordnung von etwa 1 Hz verursachen würden. Hogan und seine Kollegen wollen unbedingt testen, ob MAGIS-100 oder eine größere Version diese Signale erkennen und möglicherweise einen direkten Blick auf die Dunkle Materie selbst gewähren könnte.

Sie haben zwei Ermittlungsziele, die gleichzeitig mit demselben Detektor verfolgt werden können, sagt Oliver Buchmüller, einer der Leiter der Atominterferometrisches Observatorium und Netzwerk (AION) Projekt in Großbritannien, ein Vorschlag ähnlich wie MAGIS. Es ist eine äußerst faszinierende Art, zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen.

All dies ist vorerst spekulativ. MAGIS-100 ist nur ein experimenteller Prototyp. Ein Atominterferometer müsste über einen Kilometer lang sein, um empfindlich genug zu sein, um irgendwelche Entdeckungen im Zusammenhang mit Gravitationswellen zu machen. Hogan sagt, er und seine Kollegen entwerfen bereits Ideen für eine kilometerlange Version und denken über Satellitenversionen der Technologie nach, bei denen die Atominterferometrie wirklich glänzen könnte.

Die Caltech-Physikerin Rana Adhikari, die an LIGO arbeitet, warnt davor, dass man es selbst dann, wenn man Atome anstelle von Spiegeln verwendet, immer noch mit extrem kleinen, aber immer noch problematischen Änderungen im Gravitationsfeld der Erde zu tun hat. Andererseits wäre ein weltraumgestütztes Atominterferometer effektiv das empfindlichste Instrument, das jemals gebaut wurde, und wäre in der Lage, Gravitationswellen bei den niedrigsten vorstellbaren Frequenzen zu beobachten. Das wäre die ultimative Sensibilität für diese Art von Wissenschaft, sagt Buchmüller.

Die Stanford-Forscher sind nicht die einzigen, die sich für diese Technologie interessieren, obwohl sie mit Sicherheit führend sind. Neben AION, Gruppen in Frankreich und China entwickeln auch Atominterferometriesysteme, wenn auch mit Modifikationen (in Frankreich läuft das Gerät beispielsweise horizontal). So wie LIGO drei verschiedene Detektoren verwendet, um Gravitationswellensignale zu bestätigen, hofft Buchmueller, dass diese verschiedenen Atominterferometrie-Projekte die Ergebnisse der anderen validieren und beweisen können, dass die Technologie das ein oder andere ist.

Bisher gibt das Stanford-Team dem MAGIS-100-Prototyp selbst den letzten Schliff und baut die Quellen für Strontiumatome auf. Auf Seiten von Fermilab ist die Installation im Gange. Im Idealfall sehen wir die Apparatur im Sommer 2021 komplett installiert und im Herbst in Betrieb. Die Tests laufen über die folgenden drei Jahre.

Längerfristig sieht Buchmüller für diese Arbeiten auch die Möglichkeit, Anwendungen jenseits der Jagd nach Gravitationswellen zu beeinflussen. Die Fähigkeit, solch empfindliche Sensoren zu bauen und sie zu kompakten Geräten zu verkleinern, könnte schließlich für die Schiffsnavigation oder militärische Anwendungen nützlich sein, sagt er.

Wir könnten eine Zukunft sehen, in der ein tragbares Gerät, das in ein Auto passt, verwendet werden könnte, um bei der Ölsuche zu helfen, nach strukturellen Fehlern zu suchen oder Erdbeben frühzeitig zu erkennen, sagt Adhikari. Es könnte sein, dass sich die Atominterferometrie und ihre Spinoff-Technologien langfristig als viel vorteilhafter für die Menschheit erweisen könnten, sagt er.

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