Po stoletju iskanja smo končno zaznali gravitacijske valove

Znanstveniki so gravitacijsko arijo slišali prvič.

Sorodne vsebine

• Pet o tem, kar morate vedeti o gravitacijskih valovih
• Sedem preprostih načinov, za katere vemo, da je bil Einstein pravi (zaenkrat)

Ko sta se dve črni luknji spirali drug proti drugemu in sta se združili, sta v tkanini kozmosa ustvarila nihanje v točno takšni obliki, kot so jih fiziki že stoletja predvidevali: gravitacijski valovi. Signal je bil razkrit danes med množico mednarodnih tiskovnih konferenc in odpira pot za popolnoma novo razumevanje vesolja.

"To je prvič, da nam je vesolje govorilo s pomočjo gravitacijskih valov. Do zdaj smo bili gluhi, " je danes na novinarski prireditvi v Washingtonu, DC, dejal direktor laboratorija LIGO David Reitze z Univerze na Floridi.

V središču gravitacijskih valov je teorija gravitacije Alberta Einsteina, ki pravi, da karkoli z maso izobliči samo tkivo prostora-časa. Ko se premikajo masivni predmeti, v kozmični tkanini ustvarjajo popačenja, ki ustvarjajo gravitacijske valove. Ti valovi se valijo skozi vesolje, kot zvočni valovi, ki pulzirajo po zraku.

Einsteinova teorija napoveduje, da se vesolje ponaša z gravitacijskimi valovi, vendar jih doslej nismo mogli zaznati, deloma zato, ker so valovi izjemno šibki. A še preden so lani nadgrajeni instrumenti uradno postali na spletu, je Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) sprejel jasen signal iz močnega trka dveh črnih lukenj v 1, 3 milijarde svetlobnih let.

"Presenetljiv je signal gravitacijskega vala, ko LIGO še ni blizu oblikovne občutljivosti v prvi znanstveni vožnji, je presenetljivo, na dober način je spuščanje čeljusti, " pravi Joan Centrella, ki je vodila Laboratorij za gravitacijsko astrofiziko v Nasinem vesoljskem letu Goddard. Center, preden je postal namestnik direktorja oddelka za astrofizično znanost v Goddardu.

To navdušenje se je zbralo skozi LIGO v Livingstonu, Louisiani, observatorij in po vsem svetu, ko se je ekipa oglasila. Skoraj vse, kar so astronomi izvedeli o kozmosu, izvira iz različnih oblik svetlobe, na primer vidnih, radijskih valov in rentgenskih žarkov. A tako kot seizmični valovi lahko razkrijejo skrite strukture globoko v Zemlji, gravitacijski valovi nosijo s seboj informacije o skritih lastnostih vesolja, ki jih celo svetloba ne more razkriti.

"Začeli smo z zelo tveganim delovnim mestom z zelo visokim potencialnim izplačilom, " je med novinarjem povedal Kip Thorne, soustanovitelj LIGO in gravitacijski fizik na kalifornijskem tehnološkem inštitutu. "In danes smo tu z velikim zmagoslavjem - povsem nov način opazovanja vesolja."

Zgodnje namige

Lov na gravitacijske valove se je začel pred stoletjem, z objavo splošne teorije relativnosti Einstein. Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja sta fizika Russell A. Hulse in Joseph H. Taylor, mlajši, posnela izjemno prepričljive dokaze, da te valove obstajajo. Izmerili so čas, ki je trajal, da sta dve gosto gostovali nevtronski zvezdi - zdrobljeni jedri nekdaj masivnih zvezd -, da sta krožili drug ob drugem.

Glede na Einsteinovo delo so vedeli, da morajo te zvezde sevati gravitacijsko energijo, ko se vrtijo, in izgubljena energija naj bi povzročila, da se bodo spirali drug proti drugemu. Potem ko so naslednjih nekaj let preučevali dve zvezdi, sta videli, da se je orbita zmanjšala za točno toliko, kot je napovedovala splošna relativnost.

Čeprav je ta ugotovitev prinesla duet leta 1993 Nobelovo nagrado za fiziko, večina fizikov tega ne bi imenovala kot direktno odkrivanje gravitacijskih valov.

Leta 2001 je LIGO začel delovati na dveh lokacijah na razdalji 1875 milj - ena v Livingstonu, Louisiani in druga v Hanfordu v Washingtonu. Nekaj ​​let pozneje je na spletu prišel tudi evropski gravitacijski valovni teleskop Devica. Oba sta delovala do leta 2010 oziroma 2011, preden sta se nadgradila za nadgradnje.

Medtem ko so znanstveniki upali, da bodo ta začetna opazovalna mesta zajela gravitacijske valove, so vedeli, da gre za dolg strel. Te valovanja so zelo šibki signali in instrumenti niso bili dovolj občutljivi, da bi slišali njihov šepet. Toda začetne vožnje služijo kot preizkus tehnologije za instrumente naslednje generacije.

Devica se še nadgrajuje, toda ekipa LIGO je dokončala svoje delo na obeh detektorjih leta 2015. Zdaj se imenuje Advanced LIGO, opazovalnici v Louisiani in Washingtonu so poslušali gravitacijske valove med prvim tekom opazovanja znanosti med 18. septembrom 2015 in 12. januarjem. 2016. Napovedan signal je bil sprejet tik pred prvo uradno vožnjo, saj je ekipa izvajala operativne preizkuse detektorjev.

Laserska natančnost

Zaznavanje valovanja, ko je tekel skozi Zemljo, je zahtevalo veliko pametnega inženiringa, računalniške moči in več kot 1000 znanstvenikov, ki delajo po vsem svetu.

Znotraj vsakega opazovalnice LIGO v obliki črke L sedi laser na mestu stičišča dveh pravokotnih cevi. Laser gre skozi instrument, ki razdeli svetlobo, tako da dva snopa potujeta približno 2, 5 milje po vsaki cevi. Ogledala na koncu cevi odsevajo svetlobo nazaj proti njenemu viru, kjer čaka detektor.

Običajno na detektorju ne pristane svetloba. Ko pa gravitacijski val kljub temu prehaja, bi se moral raztezati in sekati prostor-čas v predvidljivem vzorcu, tako da učinkovito spreminja dolžine cevi za majhen znesek - v vrstnem redu tisočaka premera protona. Nato bo nekaj svetlobe pristalo na detektorju.

Da bi upoštevali neverjetno majhne spremembe, so ogledala instrumenta pritrjena na zapletene sisteme, ki jih izolirajo pred večino vibracij. Znanstveniki LIGO imajo tudi posebne računalniške programe, ki lahko filtrirajo različne vrste hrupa v ozadju, kot so občasni drhtavi, in ugotovijo, ali se kateri koli dohodni signal ujema z možnimi astronomskimi viri, izračunanimi s splošno relativnostjo.

Spletna mesta Louisiana in Washington sodelujeta, da bi preverila ogled. "Ne verjamemo, da vidimo gravitacijsko valovanje, če oba detektorja ne vidita istega signala v času, ki bi ga gravitacijski val potreboval za potovanje med obema mestoma, " pravi član skupine LIGO Amber Stuver z univerze Louisiana State. V tem primeru je val minil skozi Zemljo in zadel oba detektorja le sedem milisekund.

Ko lokacije v Louisiani in Washingtonu odkrijejo možno gravitacijsko melodijo, se znanstveniki lotijo ​​analize. LIGO je ta signal sprejel 14. septembra, vendar šele zdaj lahko z gotovostjo trdi, da so videli gravitacijske valove.

"Vzeli so nam večmesečno natančno preverjanje, ponovno preverjanje, analizo, delo z vsakim koščkom podatkov, da se prepričamo o opažanju, " je med dogodkom v DC dejal Reitze. "In prepričali smo se, da je tako." Rezultati so predstavljeni ta teden v pismih o fizičnem pregledu .

Signal gravitacijskega vala, ki so ga astronomi izvlekli iz najnovejših opazovanj, se je ujemal s pričakovanji za dve črni luknji, ki sta se spirali drug proti drugemu. Ples pošilja gravitacijske valove z predvidljivo frekvenco in močjo, odvisno od tega, kako daleč so predmeti od njih in od njihove mase.

Ko se začnejo plesati bližje, se valovne dolžine gravitacijskih valov skrčijo in njihova pesem doseže višje korake. Ko se črne luknje zaprejo za končni objem, ima signal gravitacijskega vala še eno končno visoko noto, ali "cvrkljanje", kot ga imenujejo astronomi.

Septembrski signal se lepo ujema s tem, kar bi ekipa pričakovala od dveh črnih lukenj z maso, ki je enaka približno 29 in 36-kratni masi sonca. Te črne luknje so se podrle in ustvarile novo črno luknjo 62-krat večjo od sončne mase - sevajoče 3 sončne mase v vrednosti gravitacijske energije.

Pričakujte nepričakovano

S tem začetnim odkrivanjem astronomi upajo, da bo Advanced LIGO še naprej zajemal gravitacijske valove in začel zbirati podatke za vse vrste znanstvenih raziskav, od ugotovitve, kako delujejo supernove do učenja nekaj prvih trenutkov vesolja. Medtem ko noben drug astronomski teleskop ni videl nobenega znaka trčenja s črno luknjo, bi morali nekateri drugi viri Advanced LIGO imeti teleskope, ki zajemajo svetlobo.

To se zdi še posebej obetavno glede na to, da Advanced LIGO še ni v polni občutljivosti. To bo prišlo v naslednjih nekaj letih, pravi Stuver.

Vsak od teh signalov bo astronomom dal tisto, česar še nikoli niso imeli: način preizkušanja ekstremnih primerov gravitacije in premikov nevidnih predmetov. Še bolj razburljivo je, da astronomi vedo, da nas vesolje z vsakim tehnološkim napredkom preseneti.

"Vsakič, ko smo pogledali na nov način in drugačno svetlobo, odkrijemo nekaj, česar nismo pričakovali, " pravi Stuver. "In to je nepričakovana stvar, ki spremeni naše razumevanje vesolja." potem ko so astronomi na nebu obrnili radijske antene, so odkrili nepričakovano vrsto nevtronske zvezde, imenovano pulsar. In morda poetično, to je bila pulsarna in nevtronska zvezda, ki je orbitalno plesala, kar sta Hulse in Taylor študirala v 70. letih prejšnjega stoletja.

Zdaj, ko je zarja gravitacijsko-valovna astronomija, imajo znanstveniki novo orodje za vzorčenje kozmosa. In iz zvoka tega smo pripravljeni na nekaj lepe glasbe.

Opomba urednika: Pripadnost Joan Centrella je popravljena.