Kannst du das schwarze Loch hören? Sie werden es wahrscheinlich bald hören - und hier ist der Grund dafür

Vom Übersetzer:



Dieser Artikel ist eine Art Ankündigung des Möglichen. Professor David Blair fasst die wissenschaftlichen Arbeiten zusammen, die den Weg für die Erhöhung der Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren um das 40-fache oder mehr ebnen. In der Praxis bedeutet diese Ankündigung, dass wir wahrscheinlich bald völlig andere populärwissenschaftliche Programme über den Weltraum sehen werden. Und das ist natürlich nur die Kirsche auf dem Kuchen. Die Detektoren sind um eine Größenordnung empfindlicher - dies ist neues Wissen über die Physik des Weltraums. Die Perspektive ist faszinierend, daher konnte ich nicht anders, als diesen Text zu übersetzen und zu teilen.



Im Jahr 2017 erlebten Astronomen erstmals die Geburt eines Schwarzen Lochs. Gravitationswellendetektoren nahmen die Wellen in der Raumzeit auf, die durch die Kollision zweier Neutronensterne verursacht wurden, die ein Schwarzes Loch bildeten, und dann beobachteten andere Teleskope das Ergebnis - eine Explosion.



Aber die wirklichen Details der Entstehung des Schwarzen Lochs, die Details der Bewegung der Materie, bevor sie im Ereignishorizont verborgen war, blieben unbemerkt. Dies geschah, weil die in diesen letzten Augenblicken ausgestoßenen Gravitationswellen eine so hohe Frequenz hatten, dass die heutigen Detektoren sie nicht fangen. Wenn Sie sehen könnten, wie gewöhnliche Materie sich in ein Schwarzes Loch verwandelt, dann wäre es etwas Ähnliches wie der Urknall, aber in die entgegengesetzte Richtung. Wissenschaftler, die Gravitationswellendetektoren entwickeln, haben hart gearbeitet, um herauszufinden, wie die Empfindlichkeit der Detektoren erhöht werden kann, damit sie die Umwandlung gewöhnlicher Materie in ein Schwarzes Loch beobachten können.



Heute veröffentlicht unser Team einen ArtikelHier wird erklärt, wie die Empfindlichkeit der Detektoren erhöht werden kann. Die vorgeschlagene Lösung könnte Detektoren 40-mal empfindlicher für die von uns benötigten Hochfrequenzwellen machen und es Astronomen ermöglichen, auf Materie zu hören, wie sie sich in Schwarzen Löchern bildet. Wir sprechen über die Schaffung neuer ungewöhnlicher Energiepakete (oder "Quanten"), die eine Mischung aus zwei Arten von Quantenschwingungen sind. Um die erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen, können auf dieser Technologie basierende Geräte mit vorhandenen Gravitationswellendetektoren gekoppelt werden.

Quantenprobleme

Schwerkraftdetektoren wie das Gravitationswellenobservatorium des Laserinterferometers in den USA verwenden Laser, um unglaublich kleine Änderungen des Abstands zwischen zwei Spiegeln zu messen. Die Auswirkungen der Quantenmechanik, die Physik einzelner Teilchen oder Energiequanten spielen eine wichtige Rolle bei der Funktionsweise solcher Detektoren, da Laser Änderungen messen, die tausendmal kleiner sind als die Größe eines einzelnen Protons.



Künstlerische Darstellung von Photonen, die mit einem Gerät interagieren, das auf einem Millimeter-Phononenkristall basiert, der in der Ausgangsstufe eines Gravitationswellendetektors platziert wurde.



Zwei Arten verschiedener Quantenenergiepakete, die von Albert Einstein vorhergesagt wurden, sind beteiligt. 1905 sagte Einstein voraus, dass Licht in Energiepaketen, die wir Photonen nennen, durch den Raum wandert . Zwei Jahre später sagte der Wissenschaftler voraus, dass Wärme- und Schallenergien in anderen Energiepaketen - Phononen - durch den Raum gelangen ... Während Photonen in der modernen Technologie weit verbreitet sind, sind Phononen in diesem Sinne viel ausgefeilter. Einzelne Phononen sind normalerweise in eine große Anzahl zufälliger Phononen eingetaucht - die Wärme ihrer eigenen Umgebung. In Gravitationswellendetektoren verringern Phononen die Empfindlichkeit der Spiegel des Detektors, wenn sie in ihnen abprallen.



Vor fünf Jahren erkannten Physiker, dass Geräte, die Phononen und Photonen kombinieren , das Problem der unzureichenden Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen lösen können . Wissenschaftler haben gezeigt, dass Geräte, bei denen Energie in Quantenpaketen übertragen wird, die die Eigenschaften von Phononen und Photonen haben, ebenfalls sehr bemerkenswerte Merkmale aufweisen können.



Diese Geräte beinhalten eine radikale Änderung des bekannten Konzepts, das als "Resonanzverstärkung" bezeichnet wird. Resonanzverstärkung tritt auf, wenn Sie eine Schaukel auf dem Spielplatz leicht drücken: Wenn Sie sie im richtigen Moment drücken, führen kleine Stöße zu großen Schaukeln. Ein neues Gerät , WLC genannt, muss alle Frequenzen gleich verstärken. Es ist wie eine Schaukel, die jederzeit geschoben werden kann und gleichzeitig einen tollen Schwung erzielt. Bisher hat jedoch noch niemand herausgefunden, wie eines dieser beiden Geräte hergestellt werden kann, da die Phononen in einem solchen Gerät mit zufälligen Vibrationen überlastet werden, die durch Erwärmung auftreten.



Der Künstler zeichnete ein kleines Gerät, das die Empfindlichkeit eines Gravitationswellendetektors bei hohen Frequenzen erhöhen könnte.

Quantenlösungen

In unserer in Communications Physics veröffentlichten Arbeit zeigen wir, wie zwei verschiedene Projekte, an denen Wissenschaftler heute arbeiten, die Empfindlichkeit von Detektoren erhöhen können.

• Das Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen entwickelt Geräte, sogenannte Phononenkristalle, bei denen thermische Schwingungen durch eine in eine dünne Membran gehauene Kristallstruktur gesteuert werden.
• Das australische Kompetenzzentrum für Quantensysteme hat auch ein alternatives System demonstriert , bei dem Phononen in einer hochreinen Quarzlinse eingeschlossen sind.

Das Papier zeigt, dass beide Systeme die Anforderungen erfüllen, die erforderlich sind, um eine "negative Dispersion" zu erzeugen, die Lichtfrequenzen im Gegensatz zum Regenbogenmuster ausbreitet, wobei diese Dispersion wiederum für WLCs erforderlich ist. Beide Systeme werden auf der Rückseite bestehender Gravitationswellendetektoren hinzugefügt und könnten die Empfindlichkeit bei Frequenzen von mehreren Kilohertz um den Faktor 40 oder mehr verbessern, was erforderlich ist, um die Entstehung eines Schwarzen Lochs zu hören.

Was weiter?

Unsere Forschung löst das Problem der Verbesserung von Gravitationsdetektoren nicht sofort. Die Umwandlung dieser Geräte in praktische Werkzeuge stellt enorme experimentelle Herausforderungen. Die Studie ebnet jedoch den Weg für die 40-fache Erhöhung der Empfindlichkeit der Detektoren, die zur Beobachtung der Geburt von Schwarzen Löchern erforderlich sind.



Astrophysiker haben komplexe Formen von Gravitationswellen vorhergesagt, die durch die Krämpfe von Neutronensternen erzeugt werden, wenn diese Riesen Schwarze Löcher bilden... Diese Gravitationswellen könnten es uns ermöglichen, die Kernphysik eines sterbenden Neutronensterns zu hören. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass diese Wellen deutlich zeigen können, ob Neutronen Neutronen in einem Stern bleiben oder ob sie in ein Meer von Quarks zerfallen - die kleinsten subatomaren Teilchen. Wenn wir sehen könnten, wie Neutronen zu Quarks werden und dann in der Singularität eines Schwarzen Lochs verschwinden, wäre der beobachtete Prozess das genaue Gegenteil des Urknalls, als die Teilchen, die unser Universum erschaffen haben, aus der Singularität hervorgingen.