Naukowcy po raz pierwszy usłyszeli arię grawitacji.
powiązana zawartość
- Pięć rzeczy, które należy wiedzieć o falach grawitacyjnych
- Siedem prostych sposobów, o których wiemy, że Einstein miał rację (na razie)
Kiedy dwie czarne dziury spiralnie skierowały się ku sobie i połączyły, stworzyły zmarszczki w materiale kosmosu w dokładnie takiej formie, jaką fizycy przewidywali przez stulecie: fale grawitacyjne. Sygnał, zaprezentowany dziś podczas szeregu międzynarodowych konferencji prasowych, otwiera drogę do zupełnie nowego zrozumienia wszechświata.
„Po raz pierwszy wszechświat przemawiał do nas za pomocą fal grawitacyjnych. Do tej pory byliśmy głusi” - powiedział dziś dyrektor konferencji LIGO David Reitze z University of Florida podczas konferencji prasowej w Waszyngtonie
U podstaw fal grawitacyjnych leży teoria grawitacji Alberta Einsteina, która mówi, że wszystko z masą wypacza samą tkankę czasoprzestrzeni. Kiedy masywne obiekty poruszają się, powodują zniekształcenia w kosmicznej tkaninie, generując fale grawitacyjne. Fale te falują przez wszechświat jak fale dźwiękowe pulsujące w powietrzu.
Teoria Einsteina przewiduje, że wszechświat jest pełen fal grawitacyjnych, ale do tej pory nie byliśmy w stanie ich wykryć, po części dlatego, że fale są wyjątkowo słabe. Ale jeszcze zanim jego ulepszone instrumenty pojawiły się w Internecie w zeszłym roku, laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) odebrało wyraźny sygnał z potężnego zderzenia dwóch czarnych dziur w odległości 1, 3 miliarda lat świetlnych.
„Wykrywanie sygnału fali grawitacyjnej, podczas gdy LIGO wciąż nie jest blisko czułości projektowej w pierwszym biegu naukowym, jest zadziwiające, w zadziwiający sposób wprawia w osłupienie” - mówi Joan Centrella, która kierowała Laboratorium Astrofizyki Grawitacyjnej w NASA Goddard Space Flight Centrum zanim zostanie zastępcą dyrektora Astrophysics Science Division w Goddard.
Ta radość rozeszła się po Livingston, Luizjanie, obserwatorium LIGO i reszcie świata, gdy zespół ogłosił. Prawie wszystko, czego astronomowie dowiedzieli się o kosmosie, pochodzi z różnych form światła, takich jak widzialne, fale radiowe i promieniowanie rentgenowskie. Ale tak jak fale sejsmiczne mogą ujawnić ukryte struktury głęboko w Ziemi, tak fale grawitacyjne niosą ze sobą informacje o ukrytych właściwościach wszechświata, których nawet światło nie może ujawnić.
„Zaczęliśmy od pracy o wysokim ryzyku i bardzo wysokiej potencjalnej korzyści”, powiedział Kip Thorne, współzałożyciel LIGO i fizyk grawitacyjny z California Institute of Technology podczas konferencji prasowej. „Jesteśmy tu dzisiaj z wielkim triumfem - zupełnie nowy sposób obserwowania wszechświata”.
Wczesne wskazówki
Polowanie na fale grawitacyjne rozpoczęło się sto lat temu, wraz z publikacją ogólnej teorii względności Einsteina. W połowie lat 70. fizycy Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor, Jr., zgromadzili niezwykle przekonujące dowody na istnienie tych zmarszczek. Zmierzyli czas, jaki zajęły dwie gęste gwiazdy neutronowe - zmiażdżone rdzenie niegdyś masywnych gwiazd - na orbitę.
Opierając się na pracy Einsteina, wiedzieli, że te gwiazdy powinny promieniować energią grawitacyjną podczas wirowania, i że utracona energia powinna spowodować ich spiralne obracanie się ku sobie. Po przestudiowaniu dwóch gwiazd przez kilka następnych lat zauważyli, że orbita zmniejszyła się dokładnie o wartość przewidywaną na podstawie ogólnej teorii względności.
Chociaż to odkrycie przyniosło duetowi nagrodę Nobla z 1993 roku w dziedzinie fizyki, większość fizyków nie nazwałaby tego bezpośrednim wykryciem fal grawitacyjnych.
W 2001 r. LIGO rozpoczęła działalność w dwóch lokalizacjach w odległości 1875 mil - jednej w Livingston w Luizjanie, a drugiej w Hanford w Waszyngtonie. Kilka lat później pojawił się również europejski teleskop fali grawitacyjnej Virgo. Oba działały odpowiednio do 2010 r. I 2011 r., Zanim przełączyły się w tryb offline na aktualizacje.
Chociaż naukowcy mieli nadzieję, że te początkowe obserwatoria uchwycą fale grawitacyjne, wiedzieli, że był to długi strzał. Te fale są bardzo słabymi sygnałami, a instrumenty nie były wystarczająco czułe, aby usłyszeć ich szepty. Ale pierwsze serie służą jako testy technologii dla instrumentów nowej generacji.
Panna jest wciąż ulepszana, ale zespół LIGO zakończył pracę nad obydwoma detektorami w 2015 r. Teraz, nazwane Advanced LIGO, obserwatoria Luizjany i Waszyngtonu nasłuchiwały fal grawitacyjnych podczas pierwszego okresu obserwacji naukowej między 18 września 2015 r. A 12 stycznia, 2016. Ogłoszony dziś sygnał został odebrany tuż przed pierwszym oficjalnym uruchomieniem, ponieważ zespół przeprowadzał testy operacyjne detektorów.
Precyzja laserowa
Wyczuwanie fali przechodzącej przez Ziemię wymagało sprytnej inżynierii, mocy komputera i ponad 1000 naukowców pracujących na całym świecie.
Wewnątrz każdego obserwatorium LIGO w kształcie litery L laser znajduje się w miejscu styku dwóch prostopadłych rur. Laser przechodzi przez przyrząd, który rozdziela światło, tak że dwie wiązki podróżują około 2, 5 mil w dół każdej lampy. Lustra na końcach lamp odbijają światło z powrotem w kierunku jego źródła, gdzie czeka detektor.
Zazwyczaj żadne światło nie ląduje na detektorze. Ale kiedy fala grawitacyjna mija, powinna rozciągać się i zgniatać czasoprzestrzeń w przewidywalny wzór, skutecznie zmieniając długości rurek o niewielką ilość - rzędu jednej tysięcznej średnicy protonu. Następnie pewne światło wyląduje na detektorze.
Aby uwzględnić niewiarygodnie małą zmianę, lusterka instrumentu są przymocowane do złożonych systemów, które izolują je od większości wibracji. Naukowcy z LIGO dysponują również specjalnymi programami komputerowymi, które mogą filtrować różne rodzaje szumów tła, takich jak okazjonalne wstrząsy, i ustalać, czy przychodzący sygnał pasuje do możliwych źródeł astronomicznych obliczonych na podstawie ogólnej teorii względności.
Witryny w Luizjanie i Waszyngtonie współpracują w celu weryfikacji obserwacji. „Nie wierzymy, że widzimy falę grawitacyjną, chyba że oba detektory zobaczą ten sam sygnał w czasie, jaki fala grawitacyjna zajmie przemieszczeniu się między dwoma miejscami”, mówi członek zespołu LIGO Amber Stuver z Uniwersytetu Stanowego w Luizjanie. W tym przypadku fala przeszła przez Ziemię i uderzyła w dwa detektory w odległości zaledwie siedmiu milisekund od siebie.
Gdy miejsca w Luizjanie i Waszyngtonie wykryją możliwą melodię grawitacyjną, naukowcy zabierają się do analizy. LIGO odebrał ten sygnał 14 września, ale dopiero teraz jest w stanie z dużą pewnością stwierdzić, że widzieli fale grawitacyjne.
„Zajęło nam miesiące starannego sprawdzania, ponownego sprawdzania, analizy, pracy z każdym kawałkiem danych, aby upewnić się co do obserwacji”, powiedział Reitze podczas wydarzenia DC. „I przekonaliśmy się, że tak jest”. Wyniki pojawią się w tym tygodniu w listach z przeglądu fizycznego .
Widok z lotu ptaka detektora LIGO w Livingston w Luizjanie. (LIGO Laboratory) Sygnał fali grawitacyjnej, który astronomowie wyciągnęli z ostatnich obserwacji, był zgodny z tym, czego oczekiwali dla dwóch czarnych dziur spiralnie skierowanych ku sobie. Taniec wysyła fale grawitacyjne z przewidywalną częstotliwością i siłą, w zależności od odległości obiektów od ich masy.
Kiedy zaczynają tańczyć bliżej, długości fal fal grawitacyjnych kurczą się, a ich pieśń osiąga wyższe tony. Kiedy czarne dziury zbliżają się do ostatecznego uścisku, sygnał fali grawitacyjnej ma jedną ostatnią wysoką nutę, lub „ćwierkanie”, jak to nazywają astronomowie.
Wrześniowy sygnał pięknie łączy się z tym, czego zespół oczekiwałby od dwóch czarnych dziur o masach równych około 29 i 36-krotności masy Słońca. Te czarne dziury zatrzasnęły się, tworząc nową czarną dziurę 62 razy większą niż masa Słońca - promieniując z niej 3 masy Słońca o wartości energii grawitacyjnej.
Oczekuj nieoczekiwanego
Dzięki temu wstępnemu wykryciu astronomowie mają nadzieję, że Advanced LIGO będzie nadal przechwytywać fale grawitacyjne i rozpocząć gromadzenie danych do wszelkiego rodzaju badań naukowych, od dowiedzenia się, jak działają supernowe, po poznanie pierwszych chwil wszechświata. Chociaż żaden inny teleskop astronomiczny nie widział śladu zderzenia czarnej dziury, niektóre inne poszukiwane przez Advanced LIGO źródła powinny mieć odpowiedniki widoczne dla teleskopów przechwytujących światło.
Wydaje się to szczególnie obiecujące, biorąc pod uwagę, że Advanced LIGO nie ma jeszcze pełnej czułości. To przyjdzie za kilka lat, mówi Stuver.
Każdy z tych sygnałów da astronomom to, czego nigdy wcześniej nie mieli: sposób na zbadanie ekstremalnych przypadków grawitacji i ruchów niewidzialnych obiektów. Jeszcze bardziej ekscytujące astronomowie wiedzą, że z każdym postępem technologicznym wszechświat może nas zaskoczyć.
„Za każdym razem, gdy patrzymy w nowy sposób i na inne światło, odkrywamy coś, czego nie spodziewaliśmy się znaleźć”, mówi Stuver. „I to jest ta nieoczekiwana rzecz, która rewolucjonizuje nasze rozumienie wszechświata”. Niedługo po tym jak astronomowie obrócili anteny radiowe na niebie, odkryli nieoczekiwany typ gwiazdy neutronowej zwanej pulsarem. I być może poetycko była to gwiazda pulsarowa i neutronowa wykonująca taniec orbitalny, który Hulse i Taylor studiowali w latach siedemdziesiątych.
Teraz, wraz z nadejściem astronomii fal grawitacyjnych, naukowcy mają nowe narzędzie do próbkowania kosmosu. Z jego brzmienia czeka nas piękna muzyka.
Od redakcji: Przynależność Joan Centrella została poprawiona.
