Zwaartekrachtgolven, of rimpelingen in de ruimtetijd, glijden de hele tijd door de aarde en dragen geheimen over het universum met zich mee. Maar tot een paar jaar geleden konden we deze golven helemaal niet detecteren, en zelfs nu hebben we alleen het meest basale vermogen om het uitrekken en samenknijpen van de kosmos te detecteren.
Een voorgestelde nieuwe gravitatiegolfjager, die zou meten hoe lichtdeeltjes en zwaartekracht op elkaar inwerken, zou daar verandering in kunnen brengen. Daarbij kon het grote vragen over donkere energie en de uitbreiding van het universum beantwoorden.
De drie detectoren op aarde van tegenwoordig, allemaal samen Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en Virgo genoemd, werken volgens hetzelfde principe: als een zwaartekrachtgolf door de aarde beweegt, strekt deze zich zwak uit en knijpt de ruimtetijd. Door te meten hoe lang een laserlicht nodig heeft om over lange afstanden te reizen, merken de detectoren wanneer de grootte van die ruimtetijd verandert. Maar de veranderingen zijn miniem en vereisen buitengewoon gevoelige apparatuur en statistische methoden om te detecteren.
In dit nieuwe artikel stelden drie onderzoekers een radicaal nieuwe methode voor: jagen op gravitatiegolven door te zoeken naar effecten van directe interacties tussen gravitonen - theoretische deeltjes die zwaartekracht dragen - en fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat. Door die fotonen te bestuderen nadat ze interactie hebben gehad met gravitonen, zou je in staat moeten zijn om eigenschappen van een zwaartekrachtgolf te reconstrueren, aldus Subhashish Banerjee, co-auteur van het nieuwe papier en natuurkundige aan het Indian Institute of Technology in Jodhpur, India. Zo'n detector zou veel goedkoper en gemakkelijker te bouwen zijn dan bestaande detectoren, zei Banerjee.
"Het meten van fotonen is iets dat mensen heel goed weten", vertelde Banerjee aan WordsSideKick.com. "Het is buitengewoon goed bestudeerd en zeker minder uitdagend dan een LIGO-opstelling."
Niemand weet precies hoe gravitonen en fotonen op elkaar inwerken, grotendeels omdat gravitonen nog steeds volledig theoretisch zijn. Niemand heeft er ooit een geïsoleerd. Maar de onderzoekers achter dit nieuwe artikel hebben een reeks theoretische voorspellingen gedaan: wanneer een stroom gravitonen een stroom fotonen raakt, zouden die fotonen zich moeten verspreiden. En die verstrooiing zou een zwak, voorspelbaar patroon opleveren - een patroon dat natuurkundigen zouden kunnen versterken en bestuderen met behulp van technieken die zijn ontwikkeld door kwantumfysici die licht bestuderen.
Het koppelen van de fysica van de kleine kwantumwereld aan de grootschalige fysica van zwaartekracht en relativiteit is een doel van wetenschappers sinds de tijd van Albert Einstein. Maar hoewel de nieuw voorgestelde benadering voor het bestuderen van zwaartekrachtgolven kwantummethoden zou gebruiken, zou het die kleine tot grote kloof alleen niet volledig overbruggen, zei Banerjee.
'Het zou echter een stap in die richting zijn', voegde hij eraan toe.
Het onderzoeken van de directe interacties van gravitonen kan echter enkele andere diepe mysteries over het universum oplossen, zei hij.
In hun paper toonden de auteurs aan dat de manier waarop de lichtverstrooiing zou afhangen van de specifieke fysische eigenschappen van gravitonen. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie zijn gravitonen massaloos en reizen ze met de snelheid van het licht. Maar volgens een verzameling theorieën, samen bekend als 'massieve zwaartekracht', hebben gravitonen massa en bewegen langzamer dan de lichtsnelheid. Deze ideeën zouden volgens sommige onderzoekers problemen zoals donkere energie en de uitdijing van het heelal kunnen oplossen. Het detecteren van zwaartekrachtsgolven met behulp van fotonverstrooiing, zei Banerjee, zou het neveneffect kunnen hebben om natuurkundigen te vertellen of enorme zwaartekracht correct is.
Niemand weet hoe gevoelig zo'n foton-gravitondetector zou zijn, zei Banerjee. Dat zou veel afhangen van de uiteindelijke ontwerpeigenschappen van de detector, en op dit moment is er geen in aanbouw. Hij zei echter dat hij en zijn twee co-auteurs hopen dat experimentalisten er binnenkort een gaan samenstellen.
