Poznaj zespół naukowców, którzy odkryli fale grawitacyjne

To był moment, chwila, kiedy wszyscy zdawali się odpocząć od rozmowy o wojnach i polityce i spojrzeć w niebo. 11 lutego 2016 r. Główne serwisy informacyjne poinformowały, że po raz pierwszy ludzkość wykryła fale grawitacyjne przepływające przez Ziemię z najgłębszej przestrzeni kosmicznej, niezwykle ekscytujące, ale głębokie zjawisko, które po raz pierwszy przewidział Albert Einstein w 1916 r. Fale te pochodzą z dwóch czarnych dziur które zderzyły się 1, 3 miliarda lat temu, zderzenie kosmiczne, które wytworzyło dziesięć razy więcej mocy niż moc światła wszystkich gwiazd w obserwowalnym wszechświecie łącznie. Ale fale grawitacyjne, które stworzyła, rozpłynęły się w zwykły kosmos, gdy falowały w przestrzeni i czasie. Do tej pory żaden instrument nie był w stanie ich wykryć.

Z tej historii

Black Hole Blues i inne piosenki z kosmosu

Kupować

powiązana zawartość

• Naukowcy słyszą, że zderzają się jeszcze dwie starożytne czarne dziury

Chociaż osiągnięcie było możliwe dzięki ponad 1000 naukowcom i inżynierom pracującym od dziesięcioleci, głównymi kierowcami byli Kip Thorne, Ronald Drever i Barry Barish, wszyscy z Caltech; i Rainer Weiss z MIT. Aby schwytać ich niewiarygodnie mały kamieniołom, zainstalowali wyjątkowo duży detektor, laserowe interferometr laserowy Obserwatorium fal grawitacyjnych o wartości 620 milionów dolarów, czyli LIGO, które ma jedną część w Luizjanie, a drugą w stanie Waszyngton.

Thorne prowadził kampanię w ramach projektu w latach 80. i 90. XX wieku w serii głośnych wykładów na całym świecie. Szczupły i brodaty, był już legendą astrofizyki - teoretykiem o wizji tak ekspansywnej, że później pomógł w tworzeniu hollywoodzkich filmów, takich jak Międzygwiezdny . Kiedy rozpoczął karierę, wielu fizyków uważało, że fale grawitacyjne same w sobie są science fiction, pomimo przewidywań Einsteina. W ostrym zerwaniu z fizyką newtonowską ogólna teoria względności Einsteina zasugerowała, że ​​grawitacja generowała wcześniej niewykryte zmarszczki, które poruszały się w czasoprzestrzeni w sposób podobny do dźwięku.

Mierzenie tych fal wydawało się jednak prawie niemożliwe. W porównaniu z innymi siłami grawitacja jest wyjątkowo słaba. Siła elektromagnetyczna między dwoma elektronami jest o 10 ⁴⁰ (większa niż trylion razy trylion razy trylion) silniejsza niż ich przyciąganie grawitacyjne. Rejestracja fali grawitacyjnej wymagałaby niezwykle masywnych obiektów i niewyobrażalnie wrażliwych instrumentów.

Thorne twierdzi jednak, że wierzył, że fale grawitacyjne istniały, zanim zaczął doktorat w 1962 roku. W latach 70. większość innych naukowców zgodziła się z nim, przekonana przez hermetyczne modele matematyczne i eksperymenty myślowe. Muzyka tam była. Po prostu jeszcze tego nie słyszeli.

LIGO, zbudowany w połowie lat 90. i pierwszy aktywowany w 2002 r., Został zaprojektowany tak, aby był wyjątkowo wrażliwy na te małe tryle. Obserwatorium składało się z dwóch gigantycznych detektorów w kształcie litery L, oddalonych od siebie o 1865 mil. Odległość między nimi i zdalna lokalizacja dwóch miejsc uniemożliwiłyby obu instrumentom wykrycie zakłóceń spowodowanych tym samym drżeniem ziemi lub przejeżdżającą ciężarówką. Każdy detektor składał się z dwóch 2, 5-milowych ramion z laserem na skrzyżowaniu, podzielonych na dwie wiązki i zwierciadła na każdym końcu. Kiedy fala grawitacyjna przechodziła przez rurki, naukowcy przewidzieli, że nieznacznie wypaczy czasoprzestrzeń - około jednej dziesiątej tysięcznej średnicy jednego protonu. To niewielkie zniekształcenie wystarczyłoby, aby zmienić długość rur i sprawić, że laser świeci na detektorach.

Nota redaktora, 28 lutego 2017 r .: Ten artykuł pierwotnie odnosi się do elektromagnetycznego „przyciągania” między dwoma elektronami, ale „siła” jest lepszym słowem, aby je opisać.

Subskrybuj teraz magazyn Smithsonian za jedyne 12 USD

Ten artykuł jest wyborem z grudniowego wydania magazynu Smithsonian

Kupować

Początkowa runda eksperymentów LIGO ponad dziesięć lat temu nie odebrała sygnału. Ale w wielkim podwojeniu początkowego zakładu naukowcy przekonali Narodową Fundację Nauki do wydania kolejnych 200 milionów dolarów na modernizację LIGO, a do 2015 r. Prace zostały zakończone. Zespół badawczy obejmował obecnie ponad 1000 naukowców z 90 instytucji na całym świecie. Oczekiwania były przytłaczające. W sierpniu ubiegłego roku Weiss powiedział Janna Levin - astrofizyk z Kolumbii, który pisał książkę o LIGO zatytułowaną Black Hole Blues i inne piosenki z kosmosu - „Jeśli nie wykryjemy czarnych dziur, to będzie to porażka”.

W poniedziałek 14 września 2015 r. Fala grawitacyjna pojawiła się gdzieś głęboko na niebie południowym. Pingował instrument w Luizjanie, po czym przeleciał przez Stany Zjednoczone, aby pingować instrument w stanie Waszyngton siedem milisekund później. O 5:51 sprzęt LIGO w końcu nagrał ten drobny ćwierkający dźwięk.

Jak to ujął Levin, wielkim osiągnięciem LIGO było dodanie ścieżki dźwiękowej do tego, co wcześniej było niemym filmem. Dziewięćdziesiąt pięć procent wszechświata jest ciemne, co oznacza, że ​​wykracza poza pomiar naszych najbardziej zaawansowanych teleskopów i urządzeń radarowych. Ta słaba fala grawitacyjna pozwoliła naukowcom po raz pierwszy wykryć parę czarnych dziur - i były one znacznie większe niż oczekiwano. Jedna była 29 razy większa od masy, a druga 35 razy większa od masy Słońca.

Kiedy Thorne i Weiss po raz pierwszy zobaczyli dzienniki, martwili się, że hakerzy umieścili w nich uszkodzone dane. (Drever nie był w stanie podzielić się swoją odpowiedzią: przez lata źle się czuł i był w domu opieki w swojej rodzinnej Szkocji.) Zajęło tygodnie badań, zanim naukowcy pogodzili się z ich osiągnięciem.

26 grudnia 2015 r. LIGO zarejestrowało fale grawitacyjne z innego połączenia czarnej dziury. Naukowcy wciąż pracują nad dopracowaniem instrumentów, które, jak twierdzą, poprawią się dopiero w pomiarach odległych kosmicznych odległości.

Wykrywanie czarnych dziur, choć naprawdę doniosłe, to dopiero początek. Coraz częściej odkrywamy, ile nie wiemy. To prawdziwe podniecenie dla Thorne'a, Weissa i ich kolegów. Co jeśli ciemna materia wchodzi w grawitację w sposób, jakiego nikt nigdy nie rozważał? Jeśli wychwycimy fale grawitacyjne tuż po Wielkim Wybuchu, czego nauczy nas to o naturze wszechświata? Dzięki LIGO możemy teraz zacząć słyszeć fascynujące kompozycje dzwoniące między gwiazdami, wciąż nieznaną muzykę tego, co jeszcze tam jest

„Dali ludzkości zupełnie nowy sposób patrzenia na wszechświat”. Stephen Hawking gratuluje Kipowi Thorne, Rainerowi Weissowi, Barry'emu Barishowi i Ronaldowi Dreverowi, pierwszym naukowcom, którzy wykryli fale grawitacyjne, w magazynie Smithsonian American Ingenuity Awards 2016. W tym roku geniusze stojący za LIGO ogłosili, że w końcu znaleźli to, co Albert Einstein przewidział sto lat temu.