Gravitationsvågor lämnar avtryck i atomers ljus
Gravitationsvågor är små krusningar i själva rumtiden som uppstår vid våldsamma kosmiska händelser, till exempel när två svarta hål kolliderar och smälter samman. Hittills har forskare upptäckt dessa vågor genom att mäta extremt små förändringar i avstånd med kilometerlånga instrument. I en ny teoretisk studie, accepterad för publicering i tidskriften Physical Review Letters, föreslår forskare vid Stockholm University, Nordita och University of Tübingen en helt annan metod: att studera hur gravitationsvågor påverkar ljuset som sänds ut från atomer. Idén är att dessa kosmiska krusningar kan lämna små men mätbara spår i atomers ljus. Studien visar att detta i princip skulle kunna användas för att upptäcka gravitationsvågor – men än så länge är det bara en teoretisk möjlighet. Att visa metoden i ett experiment är en utmaning för framtida forskning.
Gravitationsvågor lämnar spår i atomers ljus. Credit: Stockholm University.
När en atom exciteras – alltså får extra energi – återgår den förr eller senare till sitt grundtillstånd genom att sända ut ljus med en bestämd frekvens. Denna kvantprocess kallas spontan emission och uppstår genom atomens samspel med det kvantmekaniska elektromagnetiska fältet.
I en ny teoretisk studie, accepterad för publicering i Physical Review Letters, visar forskare att gravitationsvågor kan påverka denna process.
– Gravitationsvågor modulerar kvantfältet, vilket i sin tur påverkar den spontana emissionen, säger Jerzy Paczos, doktorand vid Stockholm University. – Denna modulation kan förskjuta frekvensen hos de fotoner som sänds ut jämfört med situationen utan gravitationsvåg.
Forskargruppen förutspår att effekten gör att ljuset från atomerna blir riktningsberoende. Atomerna skickar visserligen ut fotoner i samma totala takt som vanligt – vilket är en anledning till att fenomenet hittills inte har uppmärksammats – men ljusets frekvens varierar beroende på i vilken riktning fotonen sänds ut. Detta mönster skulle kunna bära information om gravitationsvågens riktning och polarisation och därmed hjälpa forskare att skilja signalen från brus.
Lågfrekventa gravitationsvågor är ett viktigt mål för framtida rymdbaserade observatorier. Forskarna påpekar att mycket smala optiska övergångar, som används i atomklockor, ger långa interaktionstider och därför kan göra kalla atom-system till en lovande plattform för att testa idén.
En enkel liknelse är en musikspelare som spelar en ren ton. Tonen har samma styrka hela tiden, men en gravitationsvåg skulle förändra hur tonen låter i olika riktningar.
– Våra resultat kan öppna en väg mot kompakta sensorer för gravitationsvågor, där själva atomsystemet bara är några millimeter stort, säger Navdeep Arya, postdoktor vid Stockholm University. En noggrann analys av brus behövs för att avgöra hur praktiskt genomförbart detta är, men våra första uppskattningar är lovande.
Mer information
Gravitational wave imprints on spontaneous emission - Physical Review Letters
Gravitational waves leave imprints on light emitted by atoms - AlphaGalileo
Senast uppdaterad: 2026-03-27
Sidansvarig: Kommunikationsavdelningen