Gravitationsvågorna som skapats av svarta hål eller neutronstjärnor i rymdets djup har befunnits nå jorden. Deras effekter, dock, är så små att de bara kan observeras med hjälp av kilometerlånga mätanläggningar. Fysiker diskuterar därför om ultrakylda och små Bose-Einstein-kondensat med sina ordnade kvantegenskaper också kan upptäcka dessa vågor. Professor Ralf Schützhold från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och TU Dresden har studerat grunden för dessa förslag och skriver i tidskriften Fysisk granskning D att sådana bevis är långt bortom räckvidden för nuvarande metoder.

Redan 1916, Albert Einstein lämnade in en artikel till Prussian Academy of Sciences där han visade att rörliga massor som jättestjärnor som kretsar om varandra lämnar efter sig en stick i rymden och tiden, som sprider sig med ljusets hastighet. Dessa bucklor är kända som gravitationella vågor, och bör röra sig precis som radiovågor, ljus och andra elektromagnetiska vågor. Effekterna av gravitationella vågor, dock, är normalt så svaga att Einstein var övertygad om att de aldrig kunde mätas.

Anledningen till denna skepsis är att gravitationella vågor är svaga. Till exempel, även jordens ganska stora massa, som kretsar runt solen med nästan 30 kilometer per sekund, producerar gravitationella vågor med en effekt på bara tre hundra watt. Det skulle inte ens räcka för att driva en kommersiell dammsugare med en Energy Star -etikett. Påverkan av dessa gravitationella vågor är därför omärklig.

När svarta hål smälter samman

Situationen förbättras när betydligt större massor är inblandade. När två stora svarta hål slogs samman på ett avstånd av 1,3 miljarder ljusår från jorden, varav den ena hade en massa på cirka 36 solar och den andra en massa på 29 solar, rum och tid darrade. Under denna sammanslagning, en massa som mätte tre gånger vår sol förvandlades till en gigantisk gravitationell våg, vars rester nådde jorden 1,3 miljarder år senare den 14 september, 2015, kl. 11:51 Centraleuropeisk tid. Eftersom vågorna sprider sig i alla riktningar över så enorma avstånd och sprider sig till ett ofattbart stort utrymme, deras makt minskade enormt.

På jorden, endast en extremt svag signal mottogs, som registrerades med två fyra kilometer långa vinkelräta vakuumrör i USA. Två speciella laserstrålar skjuter fram och tillbaka mellan ändpunkterna på dessa anläggningar. Från den tid som krävs för att en ljusstråle ska nå den andra änden, forskarna kan mycket exakt beräkna avståndet mellan de två punkterna. "När gravitationsvågorna nådde jorden, de förkortade en av de två mätsträckorna med en liten bråkdel av en biljondels millimeter vid båda anläggningarna, medan den andra vinkelräta sträckningen förlängdes med en liknande mängd, "säger HZDR -forskaren Ralf Schützhold, som beskriver sina kollegors resultat. Därför, den 11 februari, 2016, efter en detaljerad analys av data, forskarna rapporterade den första direktupptäckten av gravitationsvågorna som Albert Einstein förutspådde. Tre av de bidragande forskarna fick Nobelpriset i fysik 2017.

Atomer i synkronisering

Astrofysiker kan nu använda dessa vågor för att observera massiva händelser i rymden, såsom sammanslagningar av svarta hål eller supernovor. Fysiker frågar nu om det är möjligt att bygga anläggningar som är lättare att hantera än de fyra kilometer långa vinkelräta vakuumrören. Vissa föreslår att man använder Bose-Einstein-kondensat, en form av materia som Satyendranath Bose och Albert Einstein förutspådde redan 1924. "Sådana kondensat kan ses som kraftigt utspädda ångor från enskilda atomer som kyls till det yttersta och därför kondenserar, "förklarar Schützhold. Forskare i USA skapade ett Bose-Einstein-kondensat 1995.

Vid extremt låga temperaturer, bara mycket lite över den absoluta nollan på minus 273,15 grader Celsius, de flesta atomer av metaller som rubidium existerar i samma kvanttillstånd, bildar en kaotisk hodgepodge som ånga vid högre temperaturer. "Liknar laserljuspartiklar, atomerna i dessa Bose-Einstein-kondensat rör sig, så att säga, i synkronisering, "säger Schützhold. Gravitationsvågor, dock, kan ändra ljudpartiklar eller ljudkvanta, som fysiker kallar fononer, inom synkroniserade atomkondensat. "Det här liknar lite en stor kärl med vatten där vågor som genereras av en jordbävning förändrar de befintliga vattenvågorna, "säger Ralf Schützhold, beskriver processen.

Lite bevis är för litet

Dock, när chefen för HZDR:s teoretiska fysikavdelning tittade närmare på grunderna i detta fenomen, han konstaterade att sådana Bose-Einstein-kondensat måste vara flera storleksordningar större än vad som för närvarande är möjligt för att detektera gravitationella vågor som härrör från sammanslagna svarta hål. "I dag, Bose-Einstein kondenserar med, till exempel, 1 miljon rubidiumatomer erhålls med stor ansträngning, men det skulle ta mer än en miljon gånger det antalet atomer för att detektera gravitationella vågor, "säger Schützhold. Men ett slags virvel bildas i ett Bose-Einstein-kondensat där gravitationsvågor direkt genererar fononer som är lättare att observera. "Men även med sådana inhomogena Bose-Einstein-kondensat, vi är fortfarande storleksordningar från att upptäcka gravitationella vågor, säger fysikern.

HZDR -forskaren ger ändå en ledtråd om möjliga bevis:Om ädelgashelium kyls ner till mindre än två grader över absolut noll, bildas en överflödig vätska som inte är ett rent Bose-Einstein-kondensat, men innehåller knappt 10 procent av sådana synkroniserade heliumatomer. Eftersom mycket större mängder av detta överflödiga helium kan produceras, många storleksordningar mer Bose-Einstein-kondensatatomer kan skapas på detta sätt än med direkt produktion. "Om superfluid helium verkligen är ett sätt att upptäcka gravitationella vågor kan bara visas med extremt komplexa beräkningar, "säger Schützhold. Minidetektorerna för gravitationsvågor ligger därför fortfarande en tid i framtiden.