C'è stata molta eccitazione l'anno scorso quando la collaborazione LIGO ha rilevato onde gravitazionali, che sono increspature nel tessuto dello spazio stesso. E non c'è da meravigliarsi:è stata una delle scoperte più importanti del secolo. Misurando le onde gravitazionali da processi astrofisici intensi come la fusione di buchi neri, l'esperimento apre un modo completamente nuovo di osservare e comprendere l'universo.

Ma ci sono limiti a ciò che LIGO può fare. Mentre le onde gravitazionali esistono con una grande varietà di frequenze, LIGO può rilevare solo quelli all'interno di un certo intervallo. In particolare, non c'è modo di misurare il tipo di onde gravitazionali ad alta frequenza che sono state generate nel Big Bang stesso. Catturare tali onde rivoluzionerebbe la cosmologia, dandoci informazioni cruciali su come è nato l'universo. La nostra ricerca presenta un modello che un giorno potrebbe consentirlo.

Nella teoria della relatività generale sviluppata da Einstein, la massa di un oggetto curva lo spazio e il tempo – più massa, più curvatura. Questo è simile a come una persona allunga il tessuto di un trampolino quando lo calpesta. Se la persona inizia a muoversi su e giù, questo genererebbe ondulazioni nel tessuto che si sposteranno verso l'esterno dalla posizione della persona. La velocità con cui la persona sta saltando determinerà la frequenza delle increspature generate nel tessuto.

Una traccia importante del Big Bang è il fondo cosmico a microonde. Questa è la radiazione rimasta dalla nascita dell'universo, creato circa 300, 000 anni dopo il Big Bang. Ma la nascita del nostro universo ha anche creato onde gravitazionali – e queste avrebbero avuto origine solo una frazione di secondo dopo l'evento. Poiché queste onde gravitazionali contengono preziose informazioni sull'origine dell'universo, c'è molto interesse nel rilevarli. Le onde con le frequenze più alte potrebbero aver avuto origine durante le transizioni di fase dell'universo primitivo o per vibrazioni e schiocco di corde cosmiche.

Un lampo di luminosità istantaneo

Il nostro team di ricerca, dalle università di Aberdeen e Leeds, pensare che gli atomi possono avere un vantaggio nel rilevare sfuggenti, onde gravitazionali ad alta frequenza. Abbiamo calcolato che un gruppo di atomi "altamente eccitati" (chiamati atomi di Rydberg - in cui gli elettroni sono stati spinti lontano dal nucleo dell'atomo, rendendolo enorme - emetterà un brillante impulso di luce quando colpito da un'onda gravitazionale.

Per eccitare gli atomi, diamo loro una luce. Ciascuno di questi atomi ingranditi è solitamente molto fragile e la minima perturbazione li farà collassare, liberando la luce assorbita. Però, l'interazione con un'onda gravitazionale potrebbe essere troppo debole, e il suo effetto sarà mascherato dalle molte interazioni come le collisioni con altri atomi o particelle.

Piuttosto che analizzare l'interazione con i singoli atomi, modelliamo il comportamento collettivo di un grande gruppo di atomi ammassati insieme. Se il gruppo di atomi è esposto a un campo comune, come il nostro campo gravitazionale oscillante, questo indurrà gli atomi eccitati a decadere tutti allo stesso tempo. Gli atomi rilasceranno quindi un gran numero di fotoni (particelle di luce), generando un intenso impulso di luce, soprannominato "superradiante".

Poiché gli atomi di Rydberg soggetti a un'onda gravitazionale superiranno come risultato dell'interazione, possiamo supporre che un'onda gravitazionale sia passata attraverso l'insieme atomico ogni volta che vediamo un impulso luminoso.

Modificando la dimensione degli atomi, possiamo farli irradiare a diverse frequenze dell'onda gravitazionale. Questo può essere utile per il rilevamento in diverse gamme. Usando il giusto tipo di atomi, e in condizioni ideali, potrebbe essere possibile utilizzare questa tecnica per misurare le onde gravitazionali relitte dalla nascita dell'universo. Analizzando il segnale degli atomi è possibile determinare le proprietà, e quindi l'origine, delle onde gravitazionali.

Potrebbero esserci alcune sfide per questa tecnica sperimentale:la principale è portare gli atomi in uno stato altamente eccitato. Un altro è avere abbastanza atomi, poiché sono così grandi che diventano molto difficili da contenere.

Una teoria di tutto?

Al di là della possibilità di studiare le onde gravitazionali dalla nascita dell'universo, l'obiettivo finale della ricerca è rilevare le fluttuazioni gravitazionali dello spazio vuoto stesso - il vuoto. Queste sono variazioni gravitazionali estremamente deboli che si verificano spontaneamente alla scala più piccola, saltar fuori da

La scoperta di tali onde potrebbe portare all'unificazione della relatività generale e della meccanica quantistica, una delle più grandi sfide della fisica moderna. La relatività generale non ha eguali quando si tratta di descrivere il mondo su larga scala, come pianeti e galassie, mentre la meccanica quantistica descrive perfettamente la fisica su scala più piccola, come l'atomo o anche parti dell'atomo. Ma elaborare l'impatto gravitazionale della più piccola delle particelle aiuterà quindi a colmare questo divario.

Ma scoprire le onde associate a tali fluttuazioni quantistiche richiederebbe un gran numero di atomi preparati con un'enorme quantità di energia, cosa che potrebbe non essere possibile fare in laboratorio. Piuttosto che fare questo, potrebbe essere possibile utilizzare gli atomi di Rydberg nello spazio esterno. Enormi nubi di questi atomi esistono attorno alle nane bianche – stelle che hanno esaurito il carburante – e all'interno di nebulose con dimensioni quattro volte più grandi di qualsiasi cosa possa essere creata sulla Terra. La radiazione proveniente da queste sorgenti potrebbe contenere la firma delle fluttuazioni gravitazionali del vuoto, in attesa di essere svelato.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.