Neuartiges Mössbauer-Schema zur Gravitationswellenerkennung vorgeschlagen

Wissenschaftler am Institut für Hochenergiephysik (IHEP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben eine innovative Methode zur Detektion von Gravitationswellen vorgeschlagen, die auf der Nutzung der Mößbauer-Resonanz basiert. Ihre Ergebnisse, die kürzlich veröffentlicht In Wissenschafts-Bulletinheben einen neuen Ansatz hervor, der die Erforschung von Gravitationswellen revolutionieren könnte.

Analog zur Bewegungsempfindlichkeit von Froschaugen ist der brandneue stationäre Mößbauer-Aufbau besonders auf zeitvariante Energieverschiebungen abgestimmt, die durch Raum-Zeit-Schwingungen verursacht werden, und ermöglicht die Rekonstruktion sowohl der Richtung als auch der Polarisation von Gravitationswellen.

Der Mößbauer-Effekt, bei dem es sich um die rückstoßfreie Emission und Absorption von Röntgenphotonen durch in einem Gitter gebundene Atomkerne handelt, war eine Schlüsselentdeckung, die 1961 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Dieser für seine außergewöhnliche Präzision bekannte Effekt wurde erstmals im berühmten Harvard-Tower-Experiment zur Prüfung der Gravitationsrotverschiebung eingesetzt und wird seitdem in den Material- und Chemiewissenschaften sowie bei der Entwicklung der Mößbauer-Spektroskopie breit angewendet.

In diesem neuesten Vorschlag untersuchen die IHEP-Wissenschaftler das Potenzial eines stationären Mößbauer-Systems, bei dem durch Höhenschwankungen verursachte gravitative Frequenzverschiebungen die traditionelle Dopplerverschiebung ersetzen könnten, die in der differentiellen Mößbauer-Spektrometrie verwendet wird. Für Isotope wie 109Ag, die eine extrem schmale relative Linienbreite von 10-22 besitzen, ermöglicht diese Methode die räumliche Lokalisierung der Mößbauer-Resonanz mit einer Genauigkeit von 10 Mikrometern.

„Wir haben erkannt, dass das lokale Gravitationsfeld ein hervorragendes Messgerät zur Energiekalibrierung ist, wenn es um Gravitationsverschiebungen geht“, sagten Prof. Yu Gao und Prof. Huaqiao Zhang (IHEP). Die Idee entstand während einer Diskussion darüber, ob Kernsysteme die Photonenenergieverschiebung innerhalb eines Gravitationswellenhintergrunds untersuchen können.

Beim Vorbeiflug von Gravitationswellen kommt es zu Energiefluktuationen in den Mößbauer-Photonen. Unter dem Einfluss des lokalen Gravitationsfelds führen diese Fluktuationen zu vertikalen Verschiebungen des Resonanzflecks. Den Berechnungen des Teams zufolge könnte der Aufbau bei ausreichender räumlicher Auflösung eine bemerkenswerte Empfindlichkeit gegenüber Gravitationswellen erreichen.

„Die Mössbauer-Spektroskopie ist mit ihrer beispiellosen Präzision zu einem unverzichtbaren Werkzeug in verschiedenen Forschungsbereichen geworden“, sagte Prof. Wei Xu vom IHEP. „Durch die Integration dieses neuen Detektionsszenarios wollen wir dieses Konzept in einer modernen Laborumgebung verwirklichen.“

Moderne Hochenergiedetektoren mit ihrer überlegenen räumlichen und zeitlichen Auflösung ermöglichen eine Echtzeitüberwachung der Mößbauer-Resonanz. Das Papier schlägt einen neuartigen Aufbau vor, bei dem die Detektoren kreisförmig um eine aktivierte Silberquelle angeordnet sind, wodurch die Empfindlichkeit nicht nur für die Stärke der Gravitationswellen, sondern auch für ihre Ausbreitungsrichtung und ihren Polarisationswinkel erhöht wird.