Il y a eu beaucoup d'enthousiasme l'année dernière lorsque la collaboration LIGO a détecté des ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations dans le tissu de l'espace lui-même. Et ce n'est pas étonnant – ce fut l'une des découvertes les plus importantes du siècle. En mesurant les ondes gravitationnelles provenant de processus astrophysiques intenses comme la fusion des trous noirs, l'expérience ouvre une toute nouvelle façon d'observer et de comprendre l'univers.

Mais il y a des limites à ce que LIGO peut faire. Alors que les ondes gravitationnelles existent avec une grande variété de fréquences, LIGO ne peut détecter que ceux dans une certaine plage. En particulier, il n'y a aucun moyen de mesurer le type d'ondes gravitationnelles à haute fréquence qui ont été générées dans le Big Bang lui-même. Attraper de telles ondes révolutionnerait la cosmologie, nous donnant des informations cruciales sur la façon dont l'univers est né. Notre recherche présente un modèle qui pourrait un jour permettre cela.

Dans la théorie de la relativité générale développée par Einstein, la masse d'un objet courbe l'espace et le temps - plus il y a de masse, le plus de courbure. Ceci est similaire à la façon dont une personne étire le tissu d'un trampoline lorsqu'elle marche dessus. Si la personne commence à monter et descendre, cela générerait des ondulations dans le tissu qui se déplaceraient vers l'extérieur à partir de la position de la personne. La vitesse à laquelle la personne saute déterminera la fréquence des ondulations générées dans le tissu.

Une trace importante du Big Bang est le fond diffus cosmologique. C'est le rayonnement laissé par la naissance de l'univers, créé environ 300, 000 ans après le Big Bang. Mais la naissance de notre univers a également créé des ondes gravitationnelles – et celles-ci seraient apparues une fraction de seconde seulement après l'événement. Parce que ces ondes gravitationnelles contiennent des informations inestimables sur l'origine de l'univers, il y a beaucoup d'intérêt à les détecter. Les ondes avec les fréquences les plus élevées peuvent provenir de transitions de phase de l'univers primitif ou de vibrations et de bris de cordes cosmiques.

Un flash instantané de luminosité

Notre équipe de recherche, des universités d'Aberdeen et de Leeds, pense que les atomes peuvent avoir un avantage dans la détection d'insaisissables, ondes gravitationnelles à haute fréquence. Nous avons calculé qu'un groupe d'atomes « hautement excités » (appelés atomes de Rydberg - dans lesquels les électrons ont été poussés loin du noyau de l'atome, ce qui le rend énorme - émettra une impulsion lumineuse lumineuse lorsqu'il est frappé par une onde gravitationnelle.

Pour exciter les atomes, nous les éclairons. Chacun de ces atomes agrandis est généralement très fragile et la moindre perturbation les fera s'effondrer, libérant la lumière absorbée. Cependant, l'interaction avec une onde gravitationnelle peut être trop faible, et son effet sera masqué par les nombreuses interactions telles que les collisions avec d'autres atomes ou particules.

Plutôt que d'analyser l'interaction avec des atomes individuels, nous modélisons le comportement collectif d'un grand groupe d'atomes regroupés. Si le groupe d'atomes est exposé à un champ commun, comme notre champ gravitationnel oscillant, cela incitera les atomes excités à se désintégrer tous en même temps. Les atomes vont alors libérer un grand nombre de photons (particules lumineuses), générer une impulsion lumineuse intense, surnommé "superradiance".

Comme les atomes de Rydberg soumis à une onde gravitationnelle vont surrayer à la suite de l'interaction, nous pouvons deviner qu'une onde gravitationnelle a traversé l'ensemble atomique chaque fois que nous voyons une impulsion lumineuse.

En changeant la taille des atomes, on peut les faire rayonner à différentes fréquences de l'onde gravitationnelle. Cela peut être utile pour la détection dans différentes plages. En utilisant le bon type d'atomes, et dans des conditions idéales, il serait possible d'utiliser cette technique pour mesurer les ondes gravitationnelles reliques depuis la naissance de l'univers. En analysant le signal des atomes, il est possible de déterminer les propriétés, et donc l'origine, des ondes gravitationnelles.

Il peut y avoir quelques défis pour cette technique expérimentale :le principal est d'amener les atomes dans un état hautement excité. Un autre est d'avoir assez d'atomes, car ils sont si gros qu'ils deviennent très difficiles à contenir.

Une théorie de tout ?

Au-delà de la possibilité d'étudier les ondes gravitationnelles dès la naissance de l'univers, le but ultime de la recherche est de détecter les fluctuations gravitationnelles de l'espace vide lui-même – le vide. Ce sont des variations gravitationnelles extrêmement faibles qui se produisent spontanément à la plus petite échelle, surgissant de

La découverte de telles ondes pourrait conduire à l'unification de la relativité générale et de la mécanique quantique, l'un des plus grands défis de la physique moderne. La relativité générale est inégalée lorsqu'il s'agit de décrire le monde à grande échelle, comme les planètes et les galaxies, tandis que la mécanique quantique décrit parfaitement la physique à la plus petite échelle, tels que l'atome ou même des parties de l'atome. Mais déterminer l'impact gravitationnel de la plus petite des particules aidera donc à combler ce fossé.

Mais découvrir les ondes associées à de telles fluctuations quantiques nécessiterait un grand nombre d'atomes préparés avec une énorme quantité d'énergie, ce qui n'est peut-être pas possible en laboratoire. Plutôt que de faire ça, il pourrait être possible d'utiliser des atomes de Rydberg dans l'espace. D'énormes nuages ​​de ces atomes existent autour des naines blanches – des étoiles à court de carburant – et à l'intérieur de nébuleuses avec des tailles plus de quatre fois plus grandes que tout ce qui peut être créé sur Terre. Le rayonnement provenant de ces sources pourrait contenir la signature des fluctuations gravitationnelles du vide, en attendant d'être dévoilé.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.