Napredni laserski opazovalnik gravitacijskega valovanja Interferometer je že tretjič v letu in pol zaznal gravitacijske valove. Pred stoletjem, ki ga je predpostavil Einstein, identifikacija teh nihanj v vesolju in času - tretjič, nič manj - uresničuje obljubo o astronomskem območju, ki že desetletja navdušuje znanstvenike, vendar se je zdelo, da so le ti izven naš doseg.
Sorodne vsebine
- Kako so astrofiziki našli črno luknjo, kjer je ni mogel nihče drug
- Spoznajte ekipo znanstvenikov, ki so odkrili gravitacijske valove
- Gravitacijski valovi udarijo dvakrat
Kot astrofizik gravitacijskega vala in član znanstvenega kolaboracije LIGO sem seveda navdušen nad tem, da vizija mnogih od nas postaja resničnost. Vendar sem navajen, da se moje delo zdi bolj zanimivo in vznemirljivo kot drugi ljudje, zato je obseg, v katerem se zdi, da je ves svet očaran nad tem dosežkom, presenetil.
Navdušenje je sicer zasluženo. Z odkrivanjem teh gravitacijskih valov smo prvič ne le neposredno prepričali na prepričljiv in spektakularen način Einsteinovo teorijo splošne relativnosti, ampak smo odprli povsem novo okno, ki bo spremenilo naše razumevanje kozmosa .
Že ta odkritja so vplivala na naše razumevanje vesolja. In LIGO šele začenja.
**********
V bistvu ta nov način razumevanja vesolja izhaja iz naše novo najdene sposobnosti slišati njegovo zvočno skladbo. Gravitacijski valovi dejansko niso zvočni valovi, toda analogija je primerna. Obe vrsti valov prenašata informacije na podoben način in oba sta popolnoma neodvisna pojava od svetlobe.
Gravitacijski valovi so valovi v vesolju in času, ki se širijo navzven iz močno nasilnih in energičnih procesov v vesolju. Lahko jih ustvarijo predmeti, ki ne svetijo, in lahko potujejo skozi prah, snov ali kar koli drugega, ne da bi se absorbirali ali popačili. Imajo edinstvene podatke o svojih virih, ki nas dosežejo v neokrnjenem stanju in dajejo resnično občutek vira, ki ga ni mogoče dobiti na noben drug način.
Splošna relativnost nam med drugim pove, da lahko nekatere zvezde postanejo tako gosto, da se zaprejo od preostalega vesolja. Ti izredni predmeti se imenujejo črne luknje. Splošna relativnost je tudi napovedovala, da ko pari črnih lukenj v binarnem sistemu tesno krožijo drug ob drugem, mešajo vesolje in čas, sama tkanina kozmosa. Ta motnja vesolja in časa pošilja energijo po vesolju v obliki gravitacijskih valov.
Ta izguba energije povzroči, da se binarni sistem še bolj zaostri, dokler se sčasoma dve črni luknji ne razbijeta in tvorita eno samo črno luknjo. To spektakularno trčenje ustvarja večjo moč v gravitacijskih valovih, kot jih sevajo vse svetlobe v vesolju skupaj. Ti katastrofalni dogodki trajajo le deset milisekund, vendar so v tem času najmočnejši pojavi od velikega poka.
Ti valovi nosijo informacije o črnih luknjah, ki jih nikakor ni mogoče pridobiti drugače, saj teleskopi ne vidijo predmetov, ki ne oddajajo svetlobe. Za vsak dogodek lahko z različnimi stopnjami gotovosti izmerimo mase črnih lukenj, hitrost vrtenja ali vrtenja in podrobnosti o njihovih lokacijah in usmeritvah. Te informacije nam omogočajo, da se naučimo, kako so se ti predmeti oblikovali in razvijali skozi vesoljski čas.
Medtem ko smo že prej imeli močne dokaze o obstoju črnih lukenj, ki temeljijo na vplivu njihove gravitacije na okoliške zvezde in plin, so podrobne informacije iz gravitacijskih valov neprecenljive za spoznavanje porekla teh spektakularnih dogodkov.
Pogled iz zraka detektorja gravitacijskega valovanja LIGO v Livingstonu, Louisiana. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
Da bi odkrili te neverjetno tihe signale, so raziskovalci konstruirali dva instrumenta LIGO, enega v Hanfordu v Washingtonu in drugega na 3000 km daleč v Livingstonu v Louisiani. Zasnovani so tako, da omogočajo edinstven učinek, ki ga imajo gravitacijski valovi na karkoli naletijo. Ko gravitacijski valovi gredo mimo, spremenijo razdaljo med predmeti. Trenutno skozi vas tečejo gravitacijski valovi, ki silijo glavo, stopala in vse vmes, da se premikajo naprej in nazaj na predvidljiv - a neopazen - način.
Tega učinka ne morete občutiti ali ga celo videti z mikroskopom, ker je sprememba tako zelo majhna. Gravitacijski valovi, ki jih lahko zaznamo z LIGO, spreminjajo razdaljo med vsakim koncem 4 kilometrov dolgih detektorjev za samo 10⁻¹⁸ metrov. Kako majhen je to? Tisočkrat manjša od velikosti protona - zato ne moremo pričakovati, da jo bomo videli tudi z mikroskopom.
Znanstveniki LIGO, ki delajo na njenem optičnem vzmetenju. (Laboratorij LIGO, CC BY-ND) Za merjenje takšne minutne razdalje LIGO uporablja tehniko, imenovano "interferometrija." Raziskovalci so luč iz enega laserja razdelili na dva dela. Vsak del nato potuje po eni od dveh pravokotni ročici, ki sta dolgi 2, 5 milje. Končno se oba združita in se lahko medsebojno vmešavata. Instrument je previdno kalibriran, tako da, če gravitacijski val ni, poseganje laserja povzroči skoraj popolno odpoved - iz interferometra ne pride svetloba.
Vendar bo minljiv gravitacijski val raztegnil eno roko hkrati, ko stisne drugo roko. S spremenjenimi relativnimi dolžinami roke interferenca laserske svetlobe ne bo več popolna. Ta drobna sprememba količine motenj dejansko napreduje LIGO in ta meritev nam pove, kakšna mora biti podrobna oblika minljivega gravitacijskega vala.
Poslušaj
Zvok trka dveh črnih lukenj:Vsi gravitacijski valovi imajo obliko »čirkanja«, kjer se amplituda (podobna glasnosti) in frekvenca ali višina signalov sčasoma povečujeta. Vendar pa so značilnosti vira zajete v natančnih podrobnostih tega čirka in kako se razvija s časom.
Oblika gravitacijskih valov, ki jih opazujemo, nam lahko pokaže podrobnosti o izvoru, ki ga ni bilo mogoče izmeriti na noben drug način. S prvimi tremi samozavestnimi odkrivanji Advanced LIGO smo že ugotovili, da so črne luknje pogostejše, kot smo jih kdajkoli pričakovali, in da je najpogostejša sorta, ki nastane neposredno ob propadu masivnih zvezd, lahko bolj množična kot prej mislila je, da je mogoče. Vse te informacije nam pomagajo razumeti, kako se množične zvezde razvijajo in umirajo.
Tri potrjene zaznave LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) in eno odkritje nižje zaupnosti (LVT151012) kažejo na populacijo binarnih črnih lukenj zvezdne mase, ki so po združitvi večje od 20 sončnih mas - večje od tega je bilo znano že prej. (LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet), CC BY-ND) **********
Ta najnovejši dogodek, ki smo ga zaznali 4. januarja 2017, je najbolj oddaljen vir, ki smo ga opazili doslej. Ker gravitacijski valovi potujejo s svetlobno hitrostjo, ko gledamo zelo oddaljene predmete, se ozremo tudi nazaj v čas. Ta najnovejši dogodek je tudi najstarejši vir gravitacijskih valov, ki smo ga odkrili do zdaj, zgodil se je pred več kot dve milijardi let. Takrat je bilo vesolje samo za 20 odstotkov manjše, kot je danes, večcelično življenje na Zemlji še ni nastalo.
Masa končne črne luknje, ki je zaostala po tem zadnjem trku, je 50-krat večja od mase našega sonca. Pred prvim zaznanim dogodkom, ki je tehtal 60-krat večjo maso sonca, astronomi niso mislili, da bi se lahko na ta način oblikovale tako velike črne luknje. Medtem ko je bil drugi dogodek le 20 sončnih mas, zaznavanje tega dodatnega zelo množičnega dogodka kaže na to, da takšni sistemi ne obstajajo le, ampak so lahko razmeroma pogosti.
Poleg svoje mase se lahko vrtijo tudi črne luknje, njihovi vrti pa vplivajo na obliko njihove gravitacijske valovne emisije. Učinke vrtenja je težje izmeriti, vendar ta najnovejši dogodek kaže ne le za vrtenje, temveč tudi za spin, ki ni usmerjen okoli iste osi kot binarna orbita. Če lahko primer takšne neskladnosti okrepimo z opazovanjem prihodnjih dogodkov, bo to imelo pomembne posledice za naše razumevanje, kako se oblikujejo ti pari črnih lukenj.
V prihodnjih letih bomo imeli več instrumentov, kot je LIGO, ki poslušajo gravitacijske valove v Italiji, na Japonskem in v Indiji, o teh virih pa se bomo naučili še več. Kolegi in jaz še nestrpno pričakujemo prvo odkrivanje binarne datoteke, ki vsebuje vsaj eno nevtronsko zvezdo - vrsto goste zvezde, ki ni bila dovolj masivna, da bi se zrušila vse do črne luknje.
Večina astronomov je predvidevala, da bodo pred pari črnih lukenj opazili pare nevtronskih zvezd, tako da bi njihova stalna odsotnost predstavljala izziv teoretikom. Njihovo morebitno odkrivanje bo olajšalo številne nove možnosti za odkritja, vključno z možnostjo boljšega razumevanja izjemno gostih snovi in potencialno opazovanje edinstvenega svetlobnega podpisa z uporabo običajnih teleskopov iz istega vira kot signal gravitacijskega vala.
Pričakujemo tudi, da bomo v naslednjih nekaj letih iz vesolja zaznali gravitacijske valove z zelo natančnimi naravnimi urami, imenovanimi pulsari, ki v zelo rednih intervalih pošiljajo eksplozije sevanja. Sčasoma načrtujemo, da bomo v orbito postavili izredno velike interferometre, kjer se lahko izognejo trdovratnemu ropotanju Zemlje, ki je omejen vir hrupa za napredne LIGO detektorje.
Skoraj vsakič, ko so znanstveniki zgradili nove teleskope ali pospeševalnike delcev, so odkrili stvari, ki jih nihče ni mogel predvideti. Navdušujoče kot znane možnosti za odkritje so na tem novem področju gravitacijsko-valovne astrofizike, kot teoretika me najbolj navdušujejo neznana čudeža, ki nas še čakajo.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Sean McWilliams, docent za fiziko in astronomijo, Univerza v Zahodni Virginiji
