Painovoima-aallot tai aalto-ajan aallot liukuvat koko ajan Maan läpi kuljettaen salaisuuksia maailmankaikkeudesta. Mutta vasta muutama vuosi sitten, emme pystyneet havaitsemaan näitä aaltoja ollenkaan, ja jopa nyt, meillä on vain alkeellisin kyky havaita kosmoksen venytys ja puristuminen.
Ehdotettu uusi painovoima-aalto metsästäjä, joka mittaa kuinka valon ja painovoiman hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa, voisi kuitenkin muuttaa sen. Prosessissa se voisi vastata isoihin kysymyksiin tummasta energiasta ja maailmankaikkeuden laajenemisesta.
Tänään kolme maan päällä olevaa ilmaisinta, joita yhdessä kutsutaan laserinterferometriksi Gravitaatioaalto-observatorioksi (LIGO) ja Neitsyt, toimivat saman periaatteen mukaisesti: Kun painovoima-aalto liikkuu maan läpi, se venyy ja puristaa heikosti avaruus-aikaa. Mittaamalla kuinka kauan laservalo kestää pitkiä matkoja, ilmaisimet havaitsevat, kun kyseisen avaruus-ajan koko muuttuu. Mutta muutokset ovat pieniä, ja niiden havaitseminen vaatii poikkeuksellisen herkkiä laitteita ja tilastollisia menetelmiä.
Tässä uudessa artikkelissa kolme tutkijaa ehdotti radikaalia uutta menetelmää: painovoima-aaltojen metsästämistä etsimällä gravitaatioiden - teoreettisten hiukkasten, jotka kantavat gravitaatiovoimaa - ja fotonien välisen suoran vuorovaikutuksen vaikutuksia, jotka muodostavat valon. Tutkimalla näitä fotoneja sen jälkeen kun ne ovat olleet vuorovaikutuksessa gravitonien kanssa, sinun pitäisi pystyä rekonstruoimaan painovoima-aallon ominaisuudet, sanoo Subhashish Banerjee, uuden kirjan tekijä ja fyysikko Intian tekniikan instituutissa Jodhpurissa, Intiassa. Tällainen ilmaisin olisi huomattavasti halvempi ja helpompi rakentaa kuin olemassa olevat ilmaisimet, Banerjee sanoi.
"Fotonien mittaaminen on jotain, jonka ihmiset tietävät erittäin hyvin", Banerjee kertoi Live Science: lle. "Se on erittäin tutkittu, ja se on ehdottomasti vähemmän haastava kuin LIGO-tyyppinen asennus."
Kukaan ei tiedä tarkalleen kuinka gravitonit ja fotonit toimisivat vuorovaikutuksessa, lähinnä siksi, että gravitonit ovat edelleen täysin teoreettisia. Kukaan ei ole koskaan eristänyt ketään. Mutta tämän uuden tutkimuksen takana olevat tutkijat tekivät sarjan teoreettisia ennusteita: Kun gravitonivirta osuu fotonivirtoon, näiden fotonien tulisi hajottaa. Ja että sironta tuottaisi heikon, ennustettavan kuvion - kuviofyysikot voisivat vahvistaa ja tutkia valoa tutkivien kvanttifyysikkojen kehittämien tekniikoiden avulla.
Pienen kvanttimaailman fysiikan yhdistäminen laajamittaisiin painovoiman ja suhteellisuustekijöiden fysiikkaan on ollut tutkijoiden tavoitteena Albert Einsteinin ajoista lähtien. Mutta vaikka äskettäin ehdotettu lähestymistapa gravitaatioaaltojen tutkimiseen käyttäisi kvantimenetelmiä, se ei täysin pystyisi kaventamaan tätä pienestä suureen mittaavaa aukkoa yksinään, Banerjee sanoi.
"Se olisi kuitenkin askel siihen suuntaan", hän lisäsi.
Gravitonien suoran vuorovaikutuksen koetteleminen saattaa kuitenkin ratkaista joitain muita maailmankaikkeuden syviä mysteerejä, hän sanoi.
Kirjoittajat osoittivat paperissaan, että tapa, jolla valonsironta riippuu gravitonien erityisistä fysikaalisista ominaisuuksista. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitonit ovat massattomia ja kulkevat valon nopeudella. Mutta teorioiden kokoelman mukaan, jotka tunnetaan yhdessä nimellä "massiivinen painovoima", gravitoneilla on massa ja ne liikkuvat hitaammin kuin valon nopeus. Jotkut tutkijat ajattelevat, että nämä ideat voisivat ratkaista ongelmat, kuten tumma energia ja maailmankaikkeuden laajeneminen. Banerjeen mukaan gravitaatioaaltojen havaitseminen fotonisironnalla voi olla sivuvaikutus kertoa fyysikoille, onko massiivinen painovoima oikea.
Kukaan ei tiedä, kuinka herkkä tällainen fotonigravitonilmaisin lopulta olisi, Banerjee sanoi. Se riippuisi paljon ilmaisimen lopullisista suunnitteluominaisuuksista, ja tällä hetkellä mikään ei ole rakenteilla. Hän kuitenkin toivoi, että hänen ja kahden yhteistyökumppaninsa mukaan kokeilijat alkavat koota yhden pian.
