Svingninger i romtid ble oppdaget et århundre etter at de ble spådd av Einstein. En ny æra innen astronomi begynner.
Forskere var i stand til å oppdage svingninger i romtid forårsaket av sammenslåing av sorte hull. Dette skjedde hundre år etter at Albert Einstein spådde disse "gravitasjonsbølgene" i sin generelle relativitetsteori, og hundre år etter at fysikere begynte å lete etter dem.
Dette landemerkets funnet ble rapportert i dag av forskere ved LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. De bekreftet ryktene som hadde omringet analysen av det første datasettet de hadde samlet i flere måneder. Astrofysikere sier at oppdagelsen av gravitasjonsbølger gir et nytt blikk på universet og gjør det mulig å gjenkjenne fjerne hendelser som ikke kan sees med optiske teleskoper, men du kan føle og til og med høre deres svake skjelv når oss gjennom rommet.
“Vi har oppdaget gravitasjonsbølger. Vi gjorde det! kunngjorde David Reitze, administrerende direktør for det 1000-medlemmer forskerteamet, som snakket i dag på en pressekonferanse i Washington ved National Science Foundation.
Gravitasjonsbølger er kanskje det mest unnvikende fenomenet fra Einsteins spådommer; forskeren diskuterte dette emnet med sine samtidige i flere tiår. I følge hans teori danner rom og tid strekkmateriale som bøyes under påvirkning av tunge gjenstander. Å føle tyngdekraften betyr å komme inn i kurvene til denne saken. Men kan denne romtiden skjelve som huden på en tromme? Einstein var forvirret, han visste ikke hva ligningene hans betydde. Og han endret gjentatte ganger synspunkt. Men selv de mest trofaste tilhengerne av hans teori mente at gravitasjonsbølger var for svake til å bli observert uansett. De kaskader utover etter visse katastrofer, og når de beveger seg, strekker de vekselvis og trekker sammen romtid. Men når disse bølgene når jorden,de strekker seg og komprimerer hver kilometer plass med en liten brøkdel av diameteren til en atomkjerne.
LIGO observatordetektor i Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Kampanjevideo:
Det tok tålmodighet og forsiktighet å oppdage disse bølgene. LIGO-observatoriet lanserte laserstråler frem og tilbake langs de fire kilometer albuene til to detektorer i rett vinkel, den ene i Hanford, Washington og den andre i Livingston, Louisiana. Dette ble gjort på jakt etter sammenfallende utvidelser og sammentrekninger av disse systemene under passering av gravitasjonsbølger. Ved å bruke toppmoderne stabilisatorer, vakuuminstrumenter og tusenvis av sensorer, målte forskerne endringene i lengden på disse systemene, og utgjorde bare en tusendel av størrelsen på et proton. En slik følsomhet av instrumenter var utenkelig for hundre år siden. Det virket også utrolig i 1968, da Rainer Weiss fra Massachusetts Institute of Technology utarbeidet et eksperiment kalt LIGO.
“Det er et stort mirakel at de til slutt lyktes. De var i stand til å oppdage disse bittesmå vibrasjonene! - sa den teoretiske fysikeren ved University of Arkansas, Daniel Kennefick, som i 2007 skrev boka Travelling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Reiser med tankehastigheten. Einstein og jakten på gravitasjonsbølger).
Denne oppdagelsen markerte begynnelsen på en ny æra innen gravitasjonsbølge-astronomi. Det er håpet at vi vil ha mer nøyaktige ideer om dannelsen, sammensetningen og den galaktiske rollen til sorte hull - disse supertette massekulene som forvrenger tid så dramatisk at selv lys ikke kan unnslippe derfra. Når sorte hull nærmer seg hverandre og smelter sammen, genererer de et impulssignal - romtidssvingninger som øker i amplitude og tone, og slutter deretter brått. Signalene som kan registreres av observatoriet er i lydområdet - de er imidlertid for svake til å bli hørt av det nakne øret. Du kan gjenskape denne lyden ved å føre fingrene over pianotastene. "Start på laveste tone og arbeid opp til tredje oktav," sa Weiss. "Dette er hva vi hører."
Fysikere er allerede overrasket over antall og styrken på signalene som er registrert for øyeblikket. Dette betyr at det er flere sorte hull i verden enn tidligere antatt. "Vi er heldige, men jeg har alltid stolt på slikt hell," sa Caltech-astrofysiker Kip Thorne, som skapte LIGO med Weiss og Ronald Drever, som også er fra Caltech. "Dette skjer vanligvis når et helt nytt vindu åpnes i universet."
Etter å ha avlyttet gravitasjonsbølger, kan vi danne helt andre ideer om rommet, og kanskje vil vi oppdage ufattelige kosmiske fenomener.
"Jeg kan sammenligne dette med det øyeblikket vi først pekte et teleskop mot himmelen," sa den teoretiske astrofysikeren Janna Levin fra Barnard College, Columbia University. "Folk skjønte at det var noe der, og du kan se det, men de kunne ikke forutsi det utrolige settet med muligheter som finnes i universet." Levin bemerket også at oppdagelsen av gravitasjonsbølger kan vise at universet er "fullt av mørk materie som vi ikke bare kan oppdage med et teleskop."
Historien om oppdagelsen av den første gravitasjonsbølgen begynte mandag morgen i september, og den begynte med et klapp. Signalet var så klart og høyt at Weiss tenkte: "Nei, dette er tull, ingenting vil komme av det."
Intensitet av følelser
Denne første gravitasjonsbølgen feide over de oppgraderte LIGO-detektorene - først i Livingston og syv millisekunder senere i Hanford - under en simulert løp tidlig om morgenen 14. september, to dager før den offisielle starten på datainnsamlingen.
Detektorene ble "innkjørt" etter en femårig oppgradering som kostet 200 millioner dollar. De er utstyrt med nye speil for støydemping og et aktivt tilbakemeldingssystem for å undertrykke uvanlige vibrasjoner i sanntid. Oppgraderingen ga det oppgraderte observatoriet et høyere følsomhetsnivå enn den gamle LIGO, som fant "absolutt og rent null", som Weiss uttrykte det, mellom 2002 og 2010.
Da det sterke signalet kom i september, begynte forskere i Europa, der det var morgen i det øyeblikket, raskt å bombardere sine amerikanske kolleger med e-post. Da resten av gruppen våknet, spredte nyheten seg veldig raskt. Nesten alle var skeptiske til dette, sa Weiss, spesielt da de så signalet. Det var en ekte læreboksklassiker, og derfor trodde noen at det var falskt.
Misforståelser i jakten på gravitasjonsbølger har blitt gjentatt mange ganger siden slutten av 1960-tallet, da Joseph Weber fra University of Maryland mente han hadde funnet resonansvibrasjoner i en aluminiumsylinder med sensorer som svar på bølger. I 2014 fant et eksperiment kalt BICEP2 sted, ifølge resultatene ble det kunngjort at de opprinnelige gravitasjonsbølgene ble oppdaget - romtidssvingninger fra Big Bang, som nå har strukket seg ut og permanent frosset i geometrien til universet. Forskere fra BICEP2-teamet kunngjorde oppdagelsen med stor fanfare, men deretter ble resultatene deres uavhengig verifisert, hvor det viste seg at de tok feil, og at dette signalet kom fra kosmisk støv.
Da Arizona State University-kosmolog Lawrence Krauss hørte om oppdagelsen av LIGO-teamet, trodde han først at det var en "blind ting". Under driften av det gamle observatoriet ble simulerte signaler hemmelig satt inn i datastrømmer for å teste responsen, og de fleste av teamet visste ikke om det. Da Krauss fikk vite av en kunnskapsrik kilde at det ikke var "blindstopp" denne gangen, kunne han knapt beholde sin glade spenning.
25. september twitret han til sine 200 000 Twitter-følgere:”Ryktene om en gravitasjonsbølge oppdaget på LIGO-detektoren. Utrolig hvis det er sant. Jeg gir deg detaljene, hvis det ikke er et lindetre. " Dette etterfølges av en oppføring fra 11. januar: “Tidligere rykter om LIGO blir bekreftet av uavhengige kilder. Følg med på nyhetene. Kanskje oppdages gravitasjonsbølger!"
Forskernes offisielle stilling var som følger: ikke dvel ved det mottatte signalet før det er hundre prosent sikkerhet. Thorne, bundet hånd og fot av denne forpliktelsen til hemmelighold, sa ikke engang noe til sin kone. "Jeg feiret alene," sa han. Til å begynne med bestemte forskerne seg for å gå helt tilbake til begynnelsen og analysere alt til minste detalj for å finne ut hvordan signalet spredte seg gjennom tusenvis av målekanaler til forskjellige detektorer, og for å forstå om det var noe rart for øyeblikket signalet ble oppdaget. De fant ingenting utenom det vanlige. De eliminerte også hackerne som burde ha visst best om de tusenvis av datastrømmene i eksperimentet. "Selv når laget kaster inn, er de ikke perfekte nok og legger igjen mange fotspor i kjølvannet," sa Thorne. "Og det var ingen spor her."
I ukene som fulgte hørte de et annet, svakere signal.
Forskere analyserte de to første signalene, og de fikk mer og mer. I januar presenterte de sine forskningsoppgaver i Physical Review Letters. Dette problemet er på Internett i dag. Ifølge deres estimater overstiger den statistiske signifikansen til det første, kraftigste signalet "5-sigma", noe som betyr at forskere er 99,9999% sikre på dens autentisitet.
Lytte til tyngdekraften
Einsteins ligninger om generell relativitet er så kompliserte at det tok de fleste fysikere 40 år å være enige: ja, gravitasjonsbølger eksisterer og kan oppdages - til og med teoretisk.
Først trodde Einstein at objekter ikke kunne frigjøre energi i form av gravitasjonsstråling, men så forandret han synspunkt. I sitt historiske arbeid, skrevet i 1918, viste han hvilke gjenstander som kan gjøre dette: manualformede systemer som roterer samtidig rundt to akser, for eksempel binærfiler og supernovaer som eksploderer som smekkere. Det er de som kan generere bølger i romtid.
Datamodell som illustrerer arten av gravitasjonsbølger i solsystemet
Foto: REUTERS, utdeling
Men Einstein og kollegene fortsatte å nøle. Noen fysikere har hevdet at selv om bølger eksisterer, vil verden vibrere med dem, og det vil være umulig å føle dem. Det var først i 1957 at Richard Feynman avsluttet spørsmålet ved å demonstrere i et tankeeksperiment at hvis gravitasjonsbølger eksisterer, kan de teoretisk oppdages. Men ingen visste hvor vanlige disse manualsystemene var i verdensrommet, eller hvor sterke eller svake de resulterende bølgene var. "Til slutt var spørsmålet: kan vi noen gang finne dem?" Sa Kennefick.
I 1968 var Rainer Weiss en ung professor ved Massachusetts Institute of Technology og fikk i oppdrag å undervise i et kurs i generell relativitet. Som eksperimentator visste han lite om det, men plutselig var det nyheter om Webers oppdagelse av gravitasjonsbølger. Weber bygde tre resonansdetektorer på skrivebordstørrelse av aluminium og plasserte dem i forskjellige amerikanske stater. Nå sa han at alle de tre detektorene registrerte "lyden av gravitasjonsbølger."
Studentene til Weiss ble bedt om å forklare arten av gravitasjonsbølger og uttrykke sin mening om meldingen. Han studerte detaljene og ble overrasket over kompleksiteten i de matematiske beregningene. “Jeg kunne ikke finne ut hva Weber gjorde, hvordan sensorene samhandler med gravitasjonsbølgen. Jeg satt lenge og spurte meg selv: "Hva er det mest primitive jeg kan tenke meg å oppdage gravitasjonsbølger?" Og så kom en idé til meg, som jeg kaller det konseptuelle grunnlaget for LIGO."
Se for deg tre objekter i romtid, for eksempel speil i hjørnene av en trekant. "Send et lyssignal fra det ene til det andre," sa Weber. "Se hvor lang tid det tar å bevege seg fra en masse til en annen, og sjekk om tiden har endret seg." Det viser seg, bemerket forskeren, at dette kan gjøres raskt. “Jeg overlot dette til studentene mine som en vitenskapelig oppgave. Bokstavelig talt var hele gruppen i stand til å gjøre disse beregningene."
I de påfølgende årene, da andre forskere prøvde å replikere resultatene av Webers eksperiment med en resonansdetektor, men stadig mislyktes (det er ikke klart hva han observerte, men dette var ikke gravitasjonsbølger), begynte Weiss å forberede et mye mer nøyaktig og ambisiøst eksperiment: gravitasjonsbølgeinterferometeret. Laserstrålen spretter av tre L-formede speil for å danne to stråler. Avstanden mellom toppene og trauene av lysbølger indikerer nøyaktig lengden på "G" -knærne som skaper X- og Y-aksene i romtiden. Når vekten er stille, spretter de to lysbølgene ut av hjørnene og avbryter hverandre. Signalet i detektoren er null. Men hvis en gravitasjonsbølge passerer gjennom jorden, strekker den lengden på den ene armen av bokstaven "G" og komprimerer lengden på den andre (og omvendt i sin tur). Misforholdet mellom de to lysstrålene skaper et signal i detektoren som viser små svingninger i romtid.
Først var andre fysikere skeptiske, men snart fant eksperimentet støtte hos personen til Thorne, hvis gruppe teoretikere fra Caltech undersøkte sorte hull og andre potensielle kilder til gravitasjonsbølger, samt signalene de genererer. Thorne ble inspirert av Webers eksperiment og lignende innsats av russiske forskere. Etter å ha snakket i 1975 på en konferanse med Weiss,”begynte jeg å tro at deteksjonen av gravitasjonsbølger ville være vellykket,” sa Thorne. "Og jeg ville at Caltech også skulle være med på dette." Han avtalt med instituttet å ansette den skotske eksperimentatoren Ronald Driever, som også kunngjorde at han ville bygge et gravitasjonsbølgeinterferometer. Over tid begynte Thorne, Driver og Weiss å jobbe som ett team, hver av dem løste sin andel av utallige problemer som forberedelse til et praktisk eksperiment. Trioen dannet LIGO i 1984, og da prototyper ble bygget og et voksende team begynte å samarbeide, mottok de 100 millioner dollar i finansiering fra National Science Foundation på begynnelsen av 1990-tallet. Tegninger ble tegnet for bygging av et par gigantiske L-formede detektorer. Et tiår senere begynte detektorene å jobbe.
I Hanford og Livingston, i midten av hver av de fire kilometer svingene til detektorene, er det et vakuum, takket være at laseren, dens stråle og speil er maksimalt isolert fra de konstante vibrasjonene på planeten. For å forsikre enda mer, overvåker LIGO-forskere detektorene sine under operasjonen med tusenvis av instrumenter, og måler alt de kan: seismisk aktivitet, atmosfæretrykk, lyn, kosmiske stråler, vibrasjon av utstyr, lyder i laserstrålens område og så videre. De filtrerer deretter ut disse fremmede bakgrunnsstøyene fra dataene sine. Kanskje det viktigste er at de har to detektorer, og dette lar deg sammenligne de mottatte dataene og sjekke dem for tilstedeværelsen av sammenfallende signaler.
Inne i vakuumet som er skapt, selv når lasere og speil er helt isolert og stabilisert, "skjer det rare ting hele tiden," sier Marco Cavaglià, nestleder for LIGO-prosjektet. Forskere må spore disse "gullfiskene", "spøkelsene", "uforståelige sjømonstrene" og andre fremmede vibrasjonsfenomener, og finne ut kilden for å eliminere den. Ett vanskelig tilfelle skjedde i valideringsfasen, sa Jessica McIver, forsker ved LIGO-teamet, som studerer slike fremmede signaler og forstyrrelser. En rekke periodiske enkeltfrekvensstøy dukket ofte opp i dataene. Da hun og kollegene konverterte speilvibrasjonene til lydfiler, "ringte telefonen tydelig," sa McIver. "Det viste segat det var annonsørene av kommunikasjon som ringte på telefonen inne i laserrommet."
I løpet av de neste to årene vil forskere fortsette å forbedre følsomheten til detektorene til det moderniserte Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory LIGO. Og i Italia vil et tredje interferometer, kalt Advanced Virgo, begynne å virke. Et svar som dataene som er oppnådd vil være med på å gi, er hvordan sorte hull dannes. Er de et produkt av sammenbruddet til de tidligste massive stjernene, eller er de et resultat av kollisjoner i tette stjerneklynger? "Dette er bare to antagelser. Jeg antar at det vil være flere når alle roer seg," sier Weiss. Når LIGO begynner å samle ny statistikk i løpet av sitt kommende arbeid, vil forskere begynne å lytte til historier om opprinnelsen til sorte hull som rommet vil hviske til dem.
I form og størrelse stammer det første, høyest pulserende signalet fra 1,3 milliarder lysår, hvor, etter en evighet med langsom dans, under påvirkning av gjensidig gravitasjonsattraksjon, to sorte hull, hver omtrent 30 ganger solens masse, til slutt smeltet sammen. Sorte hull sirklet raskere og raskere, som et boblebad, som gradvis kommer nærmere. Så var det en sammenslåing, og i løpet av et øyeblikk frigjorde de gravitasjonsbølger med en energi som var sammenlignbar med den for tre soler. Denne fusjonen ble det mektigste energiske fenomenet som noen gang er registrert.
"Det er som om vi aldri har sett havet under en storm," sa Thorne. Han har ventet på denne stormen i romtid siden 1960-tallet. Følelsen som Thorne opplevde da bølgene rullet inn var ikke spenning, sier han. Det var noe annet: en følelse av dypeste tilfredshet.
