Gravitationswellen oder Wellen in der Raumzeit gleiten ständig durch die Erde und bergen Geheimnisse über das Universum. Aber bis vor ein paar Jahren konnten wir diese Wellen überhaupt nicht erkennen, und selbst jetzt haben wir nur die grundlegendste Fähigkeit, die Dehnung und das Zusammendrücken des Kosmos zu erkennen.
Ein vorgeschlagener neuer Gravitationswellenjäger, der messen würde, wie Licht- und Schwerkraftteilchen interagieren, könnte dies jedoch ändern. Dabei könnte es große Fragen zur Dunklen Energie und zur Expansion des Universums beantworten.
Die drei heutigen Detektoren auf der Erde, die alle zusammen als Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) und Jungfrau bezeichnet werden, arbeiten nach demselben Prinzip: Wenn sich eine Gravitationswelle durch die Erde bewegt, dehnt sie sich schwach aus und drückt die Raumzeit zusammen. Durch die Messung, wie lange ein Laserlicht benötigt, um sich über große Entfernungen zu bewegen, bemerken die Detektoren, wenn sich die Größe dieser Raumzeit ändert. Die Änderungen sind jedoch winzig und erfordern außerordentlich empfindliche Geräte und statistische Methoden zur Erkennung.
In dieser neuen Arbeit schlugen drei Forscher eine radikal neue Methode vor: die Jagd auf Gravitationswellen, indem sie nach Effekten direkter Wechselwirkungen zwischen Gravitonen - theoretischen Teilchen, die Gravitationskraft tragen - und Photonen, den Teilchen, aus denen Licht besteht, suchen. Wenn Sie diese Photonen untersuchen, nachdem sie mit Gravitonen interagiert haben, sollten Sie in der Lage sein, die Eigenschaften einer Gravitationswelle zu rekonstruieren, so Subhashish Banerjee, Mitautor der neuen Arbeit und Physiker am Indian Institute of Technology in Jodhpur, Indien. Ein solcher Detektor wäre viel billiger und einfacher zu bauen als bestehende Detektoren, sagte Banerjee.
"Das Messen von Photonen ist etwas, das die Leute sehr gut kennen", sagte Banerjee gegenüber Live Science. "Es ist sehr gut studiert und definitiv weniger herausfordernd als ein LIGO-Setup."
Niemand weiß genau, wie Gravitonen und Photonen interagieren würden, vor allem, weil Gravitonen noch völlig theoretisch sind. Niemand hat jemals einen isoliert. Die Forscher hinter dieser neuen Arbeit haben jedoch eine Reihe theoretischer Vorhersagen getroffen: Wenn ein Gravitonenstrom auf einen Photonenstrom trifft, sollten diese Photonen streuen. Und diese Streuung würde ein schwaches, vorhersagbares Muster erzeugen - ein Muster, das Physiker mithilfe von Techniken, die von Quantenphysikern entwickelt wurden, die Licht untersuchen, verstärken und untersuchen könnten.
Die Verknüpfung der Physik der winzigen Quantenwelt mit der großräumigen Physik der Schwerkraft und Relativitätstheorie ist seit Albert Einsteins Zeit ein Ziel der Wissenschaftler. Aber obwohl der neu vorgeschlagene Ansatz zur Untersuchung von Gravitationswellen Quantenmethoden verwenden würde, würde er diese winzige bis große Lücke allein nicht vollständig überbrücken, sagte Banerjee.
"Es wäre jedoch ein Schritt in diese Richtung", fügte er hinzu.
Die Untersuchung der direkten Wechselwirkungen von Gravitonen könnte jedoch einige andere tiefe Rätsel um das Universum lösen, sagte er.
In ihrer Arbeit zeigten die Autoren, dass die Art und Weise, wie das Licht gestreut wird, von den spezifischen physikalischen Eigenschaften der Gravitonen abhängt. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sind Gravitonen masselos und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Laut einer Sammlung von Theorien, die zusammen als "massive Schwerkraft" bekannt sind, haben Gravitonen Masse und bewegen sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Einige Forscher glauben, dass diese Ideen Probleme wie dunkle Energie und die Expansion des Universums lösen könnten. Das Erkennen von Gravitationswellen mithilfe von Photonenstreuung, so Banerjee, könnte den Nebeneffekt haben, Physikern zu sagen, ob die massive Schwerkraft korrekt ist.
Niemand weiß, wie empfindlich ein Photon-Graviton-Detektor dieser Art sein würde, sagte Banerjee. Das würde stark von den endgültigen Designeigenschaften des Detektors abhängen, und derzeit befinden sich keine im Bau. Er und seine beiden Co-Autoren hoffen jedoch, dass die Experimentatoren bald eine zusammenstellen werden.
