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Physiker kämpfen mit Bose-Einstein-Kondensaten um die Beobachtung von Gravitationswellen

Physiker kämpfen mit Bose-Einstein-Kondensaten um die Beobachtung von Gravitationswellen



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Seit Jahren fasziniert das Bose-Einstein-Kondensat die Physiker, was es für andere Wissenschaftszweige tun könnte. Die Forscher hofften, dass sie eines Tages die Quanteneigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten nutzen könnten, um die Gravitationswellen des Weltraums zu erfassen.

Neue Studien führten jedoch zu einer enttäuschenden Schlussfolgerung: Jede Chance auf Erfolg für Bose-Einstein-Kondensate, Gravitationswellen zu erkennen, ist "außerhalb der Reichweite aktueller Methoden".

Warum Gravitationswellen studieren?

Gravitationswellen geben Astronomen eine Vielzahl von Informationen über unsere Galaxie. Sie resultieren aus Schwarzen Löchern oder Neutronensternen in den Tiefen des Weltraums. Astronomen verwenden derzeit kilometerlange Messeinrichtungen, um diese Fälle von Gravitationswellen zu verfolgen.

1916 theoretisierte Einstein, dass sich bewegende Massen wie Riesensterne Dellen in Raum und Zeit hinterlassen, die sich dann mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese "Beulen" wurden als Gravitationswellen bekannt, die sich ähnlich wie andere Wellen wie Radio, Licht und Elektromagnet bewegen.

Das Problem bei ursprünglichen Studien zu Gravitationswellen lag in ihren Schwächen.

Die meisten Gravitationswellen, die die Erde erreichen, haben nicht genug Leistung, um einen handelsüblichen Staubsauger anzutreiben. Dies hat sie zu einer großen Herausforderung für Physiker gemacht, auf die Jagd zu gehen.

Ein Beispiel im Jahr 2015 faszinierte jedoch Physiker und Astronomen gleichermaßen. Zwei riesige Schwarze Löcher verschmolzen rund 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Eines dieser Schwarzen Löcher maß die Masse von 36 Sonnen und das andere 29 Sonnen.

Als die Auswirkungen dieser Fusion im September 2015 die Erde erreichten, reichte das schwache Signal aus, um die Bewegung in zwei vier Kilometer langen Vakuumröhren in den USA zu registrieren.

Diese Instanz faszinierte Forscher der Laboratorien des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf.

"Als die Gravitationswellen die Erde erreichten, verkürzten sie in beiden Einrichtungen einen der beiden Messabstände um einen winzigen Bruchteil eines Billionstel Millimeters, während die andere senkrechte Strecke um einen ähnlichen Betrag verlängert wurde", skizzierte der HZDR-Forscher Ralf Schützhold Ergebnisse seiner Kollegen.

Nach einem Jahr der Datenanalyse hatten Forscher Gravitationswellen über 100 Jahre, nachdem Einstein sie erstmals vorhergesagt hatte, erfolgreich entdeckt. Diese Forscher haben 2017 den Nobelpreis für Physik gewonnen.

Wie Bose-Einstein-Kondensate Gravitationswellen erkennen können

Während Astrophysiker die Forschung 2016 feierten, wollten andere wissen, ob Gravitationswellen mit viel kleineren Geräten und in kleineren Einrichtungen entdeckt werden können. Sie suchten bei Bose-Einstein-Kondensaten nach einer möglichen Antwort.

Ursprünglich von Satyendranath Bose und Albert Einstein im Jahr 1924 vorhergesagt, liegen die Kondensate bei extrem niedrigen Temperaturen vor. Die meisten Atome von Metallen wie Rubidium existieren im gleichen Quantenzustand, obwohl sie bei höheren Temperaturen als Dämpfe chaotisch sind.

"Solche Kondensate können als stark verdünnter Dampf einzelner Atome angesehen werden, der extrem abgekühlt ist und daher kondensiert", erklärte Schützhold.

"Ähnlich wie bei Laserlichtpartikeln bewegen sich die Atome dieser Bose-Einstein-Kondensate sozusagen synchron", sagte Schützhold.

Die Physiker hofften, dass die Gravitationswellen die Phononen (Schallteilchen) in synchronisierten Atomkondensaten verändern könnten. Die Forscher könnten diese Veränderungen dann erkennen und messen.

"Dies ähnelt einem großen Wasserbehälter, in dem durch ein Erdbeben erzeugte Wellen die vorhandenen Wasserwellen verändern", erklärte Schützhold.

Warum Bose-Einstein-Kondensate nicht funktionieren

Die kurze Antwort, warum die Kondensate nicht verwendet werden können? Sie existieren nicht in einer Größe, die groß genug ist, um die Gravitationswellen zu registrieren.

"Heute werden Bose-Einstein-Kondensate mit beispielsweise einer Million Rubidiumatomen mit großem Aufwand erhalten, aber es würde weit mehr als eine Million Mal so viele Atome benötigen, um Gravitationswellen zu erfassen", sagte Schützhold.

Das heißt nicht, dass es eines Tages nicht möglich sein könnte, stellten die HZDR-Forscher fest. Das Team möchte sich unterkühltes Helium genauer ansehen. Während Helium nicht als echtes Bose-Einstein-Kondensat qualifiziert ist, würde es 10 Prozent der synchronisierten Atome enthalten. Die Forscher wollen untersuchen, ob dieser Prozentsatz hoch genug ist, um Gravitationswellen zu registrieren.

"Ob superfluides Helium jedoch wirklich ein Weg ist, Gravitationswellen zu erfassen, kann nur mit äußerst komplexen Berechnungen gezeigt werden", schloss Schützhold.


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