Det var mycket spänning förra året när LIGO-samarbetet upptäckte gravitationsvågor, som är krusningar i själva rymdens väv. Och det är inte konstigt – det var en av århundradets viktigaste upptäckter. Genom att mäta gravitationella vågor från intensiva astrofysiska processer som sammanslagning av svarta hål, experimentet öppnar upp ett helt nytt sätt att observera och förstå universum.

Men det finns gränser för vad LIGO kan göra. Medan gravitationsvågor finns med en stor variation av frekvenser, LIGO kan bara upptäcka de inom ett visst intervall. Särskilt, det finns inget sätt att mäta den typ av högfrekventa gravitationsvågor som genererades i själva Big Bang. Att fånga sådana vågor skulle revolutionera kosmologin, ger oss avgörande information om hur universum kom till. Vår forskning presenterar en modell som en dag kan möjliggöra detta.

I den allmänna relativitetsteorin som utvecklats av Einstein, massan av ett objekt böjer rum och tid - ju mer massa, desto mer krökning. Detta liknar hur en person sträcker tyget på en studsmatta när han trampar på den. Om personen börjar röra sig upp och ner, detta skulle generera vågor i tyget som kommer att röra sig utåt från personens position. Hastigheten med vilken personen hoppar bestämmer frekvensen för de genererade krusningarna i tyget.

Ett viktigt spår av Big Bang är den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Detta är den strålning som blivit över från universums födelse, skapade cirka 300, 000 år efter Big Bang. Men födelsen av vårt universum skapade också gravitationsvågor – och dessa skulle ha uppstått bara en bråkdel av en sekund efter händelsen. Eftersom dessa gravitationella vågor innehåller ovärderlig information om universums ursprung, det finns ett stort intresse för att upptäcka dem. Vågorna med de högsta frekvenserna kan ha sitt ursprung under fasövergångar i det primitiva universum eller genom vibrationer och knäppning av kosmiska strängar.

En omedelbar blixt av ljusstyrka

Vårt forskarteam, från universiteten i Aberdeen och Leeds, tror att atomer kan ha en fördel när det gäller att upptäcka svårfångade, högfrekventa gravitationsvågor. Vi har räknat ut att en grupp "högt exciterade" atomer (kallade Rydberg-atomer – där elektronerna har tryckts ut långt bort från atomens kärna, gör det enormt - kommer att avge en ljus ljuspuls när den träffas av en gravitationell våg.

För att göra atomerna exciterade, vi lyser upp dem. Var och en av dessa förstorade atomer är vanligtvis mycket ömtåliga och den minsta störning kommer att få dem att kollapsa, släpper ut det absorberade ljuset. Dock, interaktionen med en gravitationsvåg kan vara för svag, och dess effekt kommer att maskeras av de många interaktionerna som kollisioner med andra atomer eller partiklar.

Istället för att analysera interaktionen med enskilda atomer, vi modellerar det kollektiva beteendet hos en stor grupp atomer packade tillsammans. Om gruppen av atomer utsätts för ett gemensamt fält, som vårt oscillerande gravitationsfält, detta kommer att få de upphetsade atomer att förfalla samtidigt. Atomerna kommer då att frigöra ett stort antal fotoner (ljuspartiklar), genererar en intensiv ljuspuls, kallad "superradiance".

Eftersom Rydberg-atomer som utsätts för en gravitationsvåg överstrålar som ett resultat av interaktionen, vi kan gissa att en gravitationsvåg har passerat genom atomensemblen när vi ser en ljuspuls.

Genom att ändra storleken på atomerna, vi kan få dem att stråla ut till olika frekvenser av gravitationsvågen. Detta kan vara så användbart för detektering i olika intervall. Att använda rätt sorts atomer, och under idealiska förhållanden, det skulle kunna vara möjligt att använda denna teknik för att mäta relikgravitationsvågor från universums födelse. Genom att analysera atomernas signal är det möjligt att bestämma egenskaperna, och därför ursprunget, av gravitationsvågorna.

Det kan finnas vissa utmaningar för denna experimentella teknik:den viktigaste är att få atomerna i ett mycket upphetsat tillstånd. En annan är att ha tillräckligt med atomer, eftersom de är så stora att de blir väldigt svåra att innehålla.

En teori om allt?

Utöver möjligheten att studera gravitationsvågor från universums födelse, forskningens slutmål är att upptäcka gravitationella fluktuationer i det tomma utrymmet i sig - vakuumet. Dessa är extremt svaga gravitationsvariationer som uppstår spontant i minsta skala, dyker upp ur

Att upptäcka sådana vågor kan leda till enande av allmän relativitet och kvantmekanik, en av de största utmaningarna inom modern fysik. Allmän relativitet är oöverträffad när det gäller att beskriva världen i stor skala, som planeter och galaxer, medan kvantmekaniken perfekt beskriver fysiken i minsta skala, såsom atomen eller till och med delar av atomen. Men att räkna ut gravitationseffekten av de minsta partiklarna kommer därför att hjälpa till att överbrygga denna klyfta.

Men att upptäcka vågorna i samband med sådana kvantfluktuationer skulle kräva ett stort antal atomer förberedda med en enorm mängd energi, som kanske inte går att göra i laboratoriet. Istället för att göra detta, det kan vara möjligt att använda Rydberg-atomer i yttre rymden. Enorma moln av dessa atomer finns runt vita dvärgar – stjärnor som har fått slut på bränsle – och inuti nebulosor med storlekar som är mer än fyra gånger större än något som kan skapas på jorden. Strålning som kommer från dessa källor kan innehålla signaturen för vakuumgravitationsfluktuationerna, väntar på att presenteras.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.