År 2017, astronomer bevittnade födelsen av ett svart hål för första gången. Gravitationsvågdetektorer tog upp krusningarna på rymdtiden orsakade av att två neutronstjärnor kolliderade för att bilda det svarta hålet, och andra teleskop observerade sedan den resulterande explosionen.

Men den verkliga nitty-gritty av hur det svarta hålet bildades, materiens rörelser i ögonblick innan det förseglades inuti det svarta hålets händelsehorisont, gick obemärkt. Det beror på att gravitationsvågorna som slängdes i dessa sista ögonblick hade en så hög frekvens att våra nuvarande detektorer inte kan plocka upp dem.

Om du kunde observera vanlig materia när det förvandlas till ett svart hål, du skulle se något liknande Big Bang spelat bakåt. Forskarna som designar gravitationsvågdetektorer har jobbat hårt med att ta reda på hur vi kan förbättra våra detektorer för att göra det möjligt.

Idag publicerar vårt team en artikel som visar hur detta kan göras. Vårt förslag kan göra detektorer 40 gånger mer känsliga för de höga frekvenser vi behöver, tillåter astronomer att lyssna på materia när det bildar ett svart hål.

Det handlar om att skapa konstiga nya energipaket (eller "quanta") som är en blandning av två typer av kvantvibrationer. Enheter baserade på denna teknik kan läggas till befintliga gravitationsvågdetektorer för att få den extra känslighet som behövs.

Kvantproblem

Gravitationsvågdetektorer som Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) i USA använder lasrar för att mäta otroligt små förändringar i avståndet mellan två speglar. Eftersom de mäter förändringar 1, 000 gånger mindre än storleken på en enda proton, effekterna av kvantmekanik - fysik för enskilda partiklar eller energikvant - spelar en viktig roll i hur dessa detektorer fungerar.

Två olika typer av kvantpaket av energi är inblandade, båda förutsagda av Albert Einstein. 1905 förutspådde han att ljus kommer i energipaket som vi kallar fotoner ; två år senare, han förutspådde att värme och ljudenergi kommer i energipaket som kallas fononer .

Fotoner används i stor utsträckning i modern teknik, men fononer är mycket svårare att utnyttja. Enskilda fononer överbelastas vanligtvis av ett stort antal slumpmässiga fononer som är värmen i deras omgivning. I gravitationella vågdetektorer, fononer studsar inuti detektorns speglar, försämra deras känslighet.

För fem år sedan insåg fysiker att du kunde lösa problemet med otillräcklig känslighet vid hög frekvens med enheter som kombinera fononer med fotoner. De visade att enheter där energi transporteras i kvantpaket som delar egenskaperna hos både fononer och fotoner kan ha ganska anmärkningsvärda egenskaper.

Dessa enheter skulle innebära en radikal förändring av ett välkänt koncept som kallas "resonansförstärkning". Resonant förstärkning är vad du gör när du trycker på en lekplats swing:om du trycker i rätt tid, alla dina små knuffar skapar stora svängningar.

Den nya enheten, kallas ett "vitt ljushålrum", skulle förstärka alla frekvenser lika. Det här är som en sväng som du kan driva när som helst och ändå sluta med stora resultat.

Dock, ingen har ännu kommit fram till hur man gör en av dessa enheter, eftersom fononerna inuti det skulle bli överväldigade av slumpmässiga vibrationer orsakade av värme.

Kvantlösningar

I vårt papper, publicerad i Kommunikationsfysik , vi visar hur två olika projekt som pågår just nu kan göra jobbet.

Niels Bohr -institutet i Köpenhamn har utvecklat enheter som kallas fononiska kristaller, i vilka termiska vibrationer styrs av en kristallliknande struktur skuren i ett tunt membran. Australian Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems har också visat ett alternativt system där fononer är instängda i en ultrarent kvartslins.

Vi visar att båda dessa system uppfyller kraven för att skapa den "negativa spridningen" - som sprider ljusfrekvenser i ett omvänt regnbågsmönster - som behövs för vita ljushålor.

Båda systemen, när den läggs till på baksidan av befintliga gravitationella vågdetektorer, skulle förbättra känsligheten vid frekvenser på några kilohertz med de 40 gånger eller mer som behövs för att lyssna på födelsen av ett svart hål.

Vad kommer härnäst?

Vår forskning representerar inte en omedelbar lösning för att förbättra gravitationsvågdetektorer. Det finns enorma experimentella utmaningar när det gäller att göra sådana enheter till praktiska verktyg. Men det erbjuder en väg till en 40-faldig förbättring av gravitationella vågdetektorer som behövs för att observera födelser av svarta hål.

Astrofysiker har förutspått komplexa gravitationella vågformer som skapas av kramper av neutronstjärnor när de bildar svarta hål. Dessa gravitationsvågor kan tillåta oss att lyssna in på kärnfysiken hos en kollapsande neutronstjärna.

Till exempel, det har visat sig att de tydligt kan avslöja om neutronerna i stjärnan finns kvar som neutroner eller om de bryts upp i ett hav av kvarker, de minsta subatomära partiklarna av alla. Om vi ​​kunde observera neutroner som förvandlades till kvarker och sedan försvann i det svarta hålets singularitet, det skulle vara exakt baksidan av Big Bang där ur singulariteten, partiklarna framkom som fortsatte att skapa vårt universum.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.