Een nieuw project gefinancierd door NASA zet in op quantummechanica om de technische beperkingen van huidige detectoren voor zwaartekrachtgolven te omzeilen.
Sinds de eerste succesvolle detectie van zwaartekrachtgolven in 2015 is de astronomie in dit vakgebied aanzienlijk geëvolueerd. Desondanks blijft het bouwen van detectoren die de extreme precisie vereisen voor deze metingen een grote technische uitdaging. Om dit op te lossen, heeft het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) een beurs toegekend aan een team onder leiding van Paul Stankus van het Brookhaven National Laboratory, dat een concept ontwikkelt gebaseerd op quantummechanica universetoday.com.
De beperkingen van huidige technologie
De huidige detectoren voor zwaartekrachtgolven kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën. Enerzijds zijn er grondstations zoals LIGO, die zich richten op relatief hoge frequenties (tussen 10 en 10.000 Hz), vaak veroorzaakt door botsingen van neutronensterren of zwarte gaten met een stellaire massa. Anderzijds zijn er Pulsar Timing Arrays (PTA's), die over decennia heen nano-Hertz-achtergrondruis detecteren door de timing van dode, draaiende sterren te observeren.
Er is momenteel een gat in de detectiecapaciteit op het niveau van micro-Hertz. Hoewel LISA, een toekomstige interferometer in de ruimte, milli-Hertz-golven van supermassieve zwarte gaten zal detecteren, blijft de overbrugging naar de PTA-frequenties problematisch. Volgens berichtgeving van zijn ruimte-interferometers technisch zeer complex omdat ze een foutloze laserverbinding vereisen tussen spiegels die miljoenen kilometers van elkaar verwijderd zijn, wat in de praktijk bijna onmogelijk is om te handhaven.
Een nieuwe benadering via astrometrie
Het voorstel van Paul Stankus breekt met de traditionele methode van laserverbindingen tussen ruimtevaartuigen. In plaats van de afstand tussen twee punten te meten, stelt het team voor om de astrometrische signatuur van de zwaartekrachtgolven zelf te observeren. Wanneer een zwaartekrachtgolf door ons zonnestelsel trekt, vervormt deze tijdelijk de ruimtetijd, waardoor sterren op de achtergrond een minuscule, gecoördineerde "wobble" of schommeling vertonen. Om deze beweging vast te leggen, wil het team gebruikmaken van quantumfenomenen.
Bredere ontwikkelingen in quantumdetectie
Naast het NASA-project zijn er wereldwijd diverse doorbraken in quantummetrologie die de zoektocht naar kosmische signalen ondersteunen. Onderzoekers van Imperial College London hebben bijvoorbeeld een prototype-quantsensor ontwikkeld die ruis kan elimineren door twee lange-basis atoominterferometers te vergelijken. Deze techniek maakt het mogelijk om signalen te herstellen die anders volledig zouden worden overstemd door interferentie, wat cruciaal is voor het opsporen van donkere materie en signalen uit het vroege universum sciencedaily.com.
Ook op theoretisch vlak wordt geëxperimenteerd met de interactie tussen licht en zwaartekracht. Professor Ralf Schützhold van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf heeft een experiment voorgesteld waarbij zwaartekrachtgolven actief beïnvloed zouden kunnen worden met laserlicht. Door kleine hoeveelheden energie over te dragen tussen licht en zwaartekracht, zouden wetenschappers de quantumstructuur van zwaartekracht zelf kunnen onderzoeken sciencedaily.com.
De rol van machine learning en theorie
De analyse van de verzamelde data wordt steeds complexer. In een onderzoek gepubliceerd in Quantum Machine Intelligence is gekeken naar 'quantum variational rewinding', een hybride quantum-klassiek algoritme voor het detecteren van anomalieën in tijdreeksen. In gesimuleerde, ruisvrije omgevingen bleek dit algoritme in staat om bevestigde zwaartekrachtgolven met perfecte nauwkeurigheid te onderscheiden van achtergrondruis springer.com.
Tegelijkertijd proberen theoretici de quantumvingerafdruk van zwaartekracht te ontrafelen. Zo is er een theoretisch kader voorgesteld waarbij een quantumoscillator-detector wordt gekoppeld aan lineair gepolariseerde zwaartekrachtgolven om 'gravity-induced entanglement' (GIE) te observeren arxiv.org. Het detecteren van deze verstrengeling zou een direct bewijs kunnen leveren voor de quantisering van zwaartekracht.