(Ideas_Studio/iStock/Getty Images Plus) Eine Tischplatte Gravitationswelle Der auf einem Stück klingelnden Quarz basierende Detektor hat in den ersten 153 Betriebstagen zwei mysteriöse Signale aufgezeichnet.
Es ist unklar, was genau diese Signale sind; Sie könnten von einer Reihe von Phänomenen herrühren. Aber eines dieser Phänomene ist genau das, was der Detektor erfassen soll – Hochfrequenz Gravitationswellen , die noch nie zuvor aufgenommen wurden.
Es ist viel zu früh, um zu irgendwelchen Schlussfolgerungen zu gelangen, aber die nächste Iteration des Detektors wird in der Lage sein, einzugrenzen, was die Resonanz des Quarzes verursacht hat.
„Es ist aufregend, dass dieses Ereignis gezeigt hat, dass der neue Detektor empfindlich ist und uns Ergebnisse liefert, aber jetzt müssen wir genau bestimmen, was diese Ergebnisse bedeuten“, sagte der Physiker Michael Tobar der University of Western Australia.
„Mit dieser Arbeit haben wir erstmals gezeigt, dass diese Geräte als hochempfindliche Gravitationswellendetektoren eingesetzt werden können.“
Der erste bahnbrechende Nachweis von Gravitationswellen wurde durchgeführt erst vor sechs Jahren . Seitdem haben die LIGO- und Virgo-Detektoren gezeigt, dass die Das Universum klingelt mit zuvor verborgenen Gravitationswellen, die bei Kollisionen zwischen ihnen entstehen Schwarze Löcher und Neutronensterne.
Diese Detektoren sind riesig und haben Arme 4 Kilometer (2,5 Meilen) lang. Laser entlang dieser Arme werden durch Gravitationswellen geringfügig gestört und erzeugen Interferenzmuster im rekombinierten Licht, das analysiert werden kann, um die Natur des Ereignisses aufzudecken, das die Wellen verursacht hat. Bisher wurde die Technologie für den Niederfrequenzbereich optimiert.
Hochfrequente Gravitationswellen sind viel schwieriger zu erkennen, aber es lohnt sich auf jeden Fall, sie weiterzuverfolgen. Die Wellenlänge der Gravitationswellen ist proportional zur Größe des Universums; diejenigen, die später auftreten, sind größer, daher könnten kürzere Hochfrequenzwellen Informationen darüber preisgeben Urknall und das Universum am Anfang der Zeit.
Hochfrequente Gravitationswellenquellen in der jüngeren Vergangenheit könnten hypothetische Objekte wie z Boson-Sterne Und Urschwarze Löcher . Diese Wellen könnten sogar durch Wolken erzeugt werden Dunkle Materie . Daher wären Astronomen sehr daran interessiert, diese Signale zu entdecken.
Tobar und sein Physikkollege Maxim Goryachev von der University of Western Australia entwickelten einen Tischdetektor für hochfrequente Gravitationswellen im Jahr 2014 . Nun haben sie gemeinsam mit einem internationalen Team Beobachtungsläufe durchgeführt.
Der Detektor selbst ist eine Quarzkristallscheibe, die als Bulk-Acoustic-Wave-Resonator (BAW) bezeichnet wird und deren eine Seite leicht konvex ist. Theoretisch sollten hochfrequente Gravitationswellen in der Scheibe stehende Schallwellen erzeugen, die von der konvexen Seite als Phononen eingefangen werden.
Die Scheibe wird kryogen gekühlt, um thermisches Rauschen zu reduzieren, und leitende Platten, die in sehr geringem Abstand vom Kristall platziert sind, nehmen winzige piezoelektrische Signale auf, die durch die darin schwingenden akustischen Moden erzeugt werden. Dieses Signal ist absolut winzig, daher wird ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID) als äußerst empfindlicher Signalverstärker eingesetzt.
Der gesamte Detektor befindet sich in einer strahlengeschützten Vakuumkammer, um möglichst viele Störungen zu vermeiden. Mit diesem Aufbau führte das Team zwei Beobachtungsläufe durch und führte bei jedem Lauf eine Erkennung durch – den ersten am 12. Mai 2019 und den zweiten am 27. November 2019.
Nun gibt es hier eine Reihe plausibler Möglichkeiten. Die Entspannung mechanischer Spannungen innerhalb der Quarzscheibe ist eine davon; Ein internes radioaktives Ereignis, das durch externe ionisierende Strahlung verursacht wird, ist eine weitere Möglichkeit, obwohl den Forschern kein externes Ereignis bekannt ist, das dies verursacht haben könnte.
Ebenso, obwohl a Meteorregen Schallwellen erzeugen können, sollte die Abschirmung das Gerät vor diesen schützen. Der Übeltäter könnte sogar kosmische Strahlung gewesen sein.
Die anderen Optionen sind spannender – Störungen, die durch topologische Defekte in der Dunklen Materie oder durch massive Dunkle-Materie-Teilchen verursacht werden, könnten theoretisch die Signale verursacht haben.
Oder schließlich gibt es die Möglichkeit hochfrequenter Gravitationswellen. Dies würde viel mehr Untersuchungen erfordern, da die Form des Signals nicht das „Zwitschern“ aufweist, das für eine kosmische Verschmelzung charakteristisch ist.
Für die nächste Iteration des Detektors werden die Forscher einen zweiten Kristall mit eigenem SQUID und eigener Anzeige sowie einen Myonendetektor hinzufügen, um kosmische Strahlung auszuschließen. Dies sollte dazu beitragen, die Ursache der vom Team erkannten Signale einzugrenzen.
„Dieses Experiment ist eines von nur zwei derzeit aktiven Experimenten auf der Welt, die nach hochfrequenten Gravitationswellen bei diesen Frequenzen suchen, und wir haben Pläne, unsere Reichweite auf noch höhere Frequenzen auszudehnen, wo noch kein anderes Experiment zuvor gesucht hat.“ Sagte Tobar .
„Die Entwicklung dieser Technologie könnte möglicherweise zum ersten Nachweis von Gravitationswellen bei diesen hohen Frequenzen führen und uns neue Einblicke in diesen Bereich der Gravitationswellenastronomie verschaffen.“
„Die nächste Generation des Experiments wird den Bau eines Klons des Detektors und eines Myonendetektors umfassen, der auf kosmische Teilchen reagiert.“ „Wenn zwei Detektoren das Vorhandensein von Gravitationswellen feststellen, wird das wirklich spannend.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .