Svingninger i rumtid blev opdaget et århundrede, efter at de blev forudsagt af Einstein. En ny æra inden for astronomi begynder.
Forskere var i stand til at opdage udsving i rumtid forårsaget af sammensmeltning af sorte huller. Dette skete hundrede år efter, at Albert Einstein forudsagde disse "gravitationsbølger" i sin generelle relativitetsteori, og hundrede år efter, at fysikere begyndte at lede efter dem.
Denne milepælsopdagelse blev rapporteret i dag af forskere ved LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. De bekræftede rygterne, der havde omgivet analysen af det første sæt data, de havde indsamlet i flere måneder. Astrofysikere siger, at opdagelsen af tyngdekraftsbølger tillader et nyt kig på universet og gør det muligt at genkende fjerne begivenheder, der ikke kan ses med optiske teleskoper, men du kan føle og endda høre deres svage rystelser når os gennem rummet.
”Vi har registreret tyngdekraftsbølger. Vi gjorde det! annoncerede David Reitze, administrerende direktør for det 1.000-medlemmer forskerteam, i dag på en pressekonference i Washington på National Science Foundation.
Gravitationsbølger er måske det mest undvigende fænomen fra Einsteins forudsigelser; videnskabsmanden diskuterede dette emne med sine samtidige i årtier. Ifølge hans teori danner rum og tid strækmateriale, der bøjes under indflydelse af tunge genstande. At føle tyngdekraften betyder at komme ind i kurvene i denne sag. Men kan denne rumtid ryste som en trommes hud? Einstein var forvirret, han vidste ikke, hvad hans ligninger betød. Og han ændrede gentagne gange sit synspunkt. Men selv de dygtigste tilhængere af hans teori mente, at tyngdekraftsbølger alligevel var for svage til at blive observeret. De kaskader udad efter visse katastrofer, og når de bevæger sig, strækker de sig skiftevis og trækker rumtid. Men når disse bølger når jorden,de strækker sig og komprimerer hver kilometer plads med en lille brøkdel af en atomkerns diameter.
LIGO observatori detektor i Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Salgsfremmende video:
Det krævede tålmodighed og forsigtighed at opdage disse bølger. LIGO-observatoriet lancerede laserstråler frem og tilbage langs fire kilometer lange retvinklede bøjninger af to detektorer, den ene i Hanford, Washington og den anden i Livingston, Louisiana. Dette blev gjort på jagt efter sammenfaldende udvidelser og sammentrækninger af disse systemer under passage af tyngdebølger. Ved hjælp af avancerede stabilisatorer, vakuuminstrumenter og tusindvis af sensorer målte forskerne ændringer i længden af disse systemer og udgjorde kun en tusindedel af størrelsen på en proton. En sådan følsomhed af instrumenter var utænkelig for hundrede år siden. Det syntes også utroligt i 1968, da Rainer Weiss fra Massachusetts Institute of Technology udtænkte et eksperiment kaldet LIGO.
”Det er et stort mirakel, at de til sidst lykkedes. De var i stand til at opdage disse små vibrationer! - sagde den teoretiske fysiker ved University of Arkansas, Daniel Kennefick, som i 2007 skrev bogen Travelling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves.
Denne opdagelse markerede begyndelsen på en ny æra i tyngdekraftsbølge-astronomi. Man håber, at vi får mere nøjagtige ideer om dannelsen, sammensætningen og den galaktiske rolle af sorte huller - disse supertætte massekugler, der forvrænger rumtid så dramatisk, at selv lys ikke kan flygte derfra. Når sorte huller kommer tæt på hinanden og smelter sammen, genererer de et impulssignal - rumtids-svingninger, der øges i amplitude og tone og derefter pludselig slutter. Signalerne, der kan optages af observatoriet, er inden for lydområdet - de er dog for svage til at blive hørt af det blotte øre. Du kan genskabe denne lyd ved at køre fingrene over klaverknapperne.”Start ved den laveste tone, og arbejd op til den tredje oktav,” sagde Weiss. "Dette er hvad vi hører."
Fysikere er allerede forbløffede over antallet og styrken af signaler, der er optaget i øjeblikket. Det betyder, at der er flere sorte huller i verden end tidligere antaget.”Vi er heldige, men jeg har altid regnet med sådan held,” sagde Caltech-astrofysiker Kip Thorne, der skabte LIGO med Weiss og Ronald Drever, som også er fra Caltech. "Dette sker normalt, når et helt nyt vindue åbnes i universet."
Efter at have aflyttet gravitationelle bølger kan vi danne helt forskellige ideer om rummet, og måske vil vi opdage utænkelige kosmiske fænomener.
”Jeg kan sammenligne dette med det øjeblik, vi først pegede et teleskop op mod himlen,” sagde den teoretiske astrofysiker Janna Levin fra Barnard College, Columbia University. "Folk indså, at der var noget der, og du kan se det, men de kunne ikke forudsige det utrolige sæt muligheder, der findes i universet." Ligeledes bemærkede Levin, at opdagelsen af gravitationsbølger kunne vise, at universet er "fuld af mørkt stof, som vi ikke bare kan registrere med et teleskop."
Historien om opdagelsen af den første tyngdebølge begyndte mandag morgen i september, og den begyndte med et klapp. Signalet var så klart og højt, at Weiss tænkte: "Nej, det er noget vrøvl, der kommer intet ud af det."
Intensitet af følelser
Denne første tyngdekraftsbølge fejede over de opgraderede LIGO-detektorer - først i Livingston og syv millisekunder senere i Hanford - under en simuleret kørsel tidligt om morgenen den 14. september, to dage før den officielle start af dataindsamlingen.
Detektorerne blev "indkørt" efter en fem-årig opgradering, der kostede $ 200 millioner. De er udstyret med nye spejle til støjreduktion og et aktivt feedback-system til at undertrykke fremmede vibrationer i realtid. Opgraderingen gav det opgraderede observatorium et højere følsomhedsniveau end den gamle LIGO, der fandt "absolut og rent nul", som Weiss udtrykte det, mellem 2002 og 2010.
Da det stærke signal kom i september, begyndte forskere i Europa, hvor det var morgen i det øjeblik, hurtigt at bombardere deres amerikanske kolleger med e-mails. Da resten af gruppen vågnede, spredte nyheden sig meget hurtigt. Næsten alle var skeptiske over for dette, sagde Weiss, især da de så signalet. Det var en ægte lærebogsklassiker, og så nogle troede, det var en falsk.
Misforståelser i søgen efter tyngdebølger er gentaget mange gange siden slutningen af 1960'erne, da Joseph Weber fra University of Maryland mente, at han havde fundet resonansvibrationer i en aluminiumscylinder med sensorer som reaktion på bølger. I 2014 fandt et eksperiment kaldet BICEP2 sted, i henhold til de resultater, som det blev meddelt, at de oprindelige tyngdebølger blev opdaget - rumtids-svingninger fra Big Bang, som nu er strakt ud og permanent frosset i universets geometri. Forskere fra BICEP2-teamet annoncerede deres opdagelse med stor fanfare, men derefter blev deres resultater uafhængigt verificeret, hvor det viste sig, at de havde forkert, og at dette signal kom fra kosmisk støv.
Da Arizona State University-kosmolog Lawrence Krauss hørte om opdagelsen af LIGO-teamet, troede han først, at det var en "blind ting". Under driften af det gamle observatorium blev simulerede signaler hemmeligt indsat i datastrømme for at teste svaret, og det meste af holdet vidste ikke om det. Da Krauss lærte af en kyndig kilde, at denne gang ikke var "blind fyld", kunne han næppe indeholde sin glade spænding.
Den 25. september tweeterede han til sine 200.000 Twitter-tilhængere: “Rygter om en tyngdekraftsbølge, der blev opdaget på LIGO-detektoren. Fantastisk hvis det er sandt. Jeg giver dig detaljerne, hvis det ikke er et lindetræ. " Dette efterfølges af et bidrag fra 11. januar:”Tidligere rygter om LIGO bekræftes af uafhængige kilder. Følg nyhederne. Måske bliver gravitationelle bølger opdaget!"
Forskernes officielle holdning var som følger: spred ikke om det modtagne signal, før der er hundrede procent sikkerhed. Thorne, bundet hånd og fod af denne forpligtelse til hemmeligholdelse, sagde ikke engang noget til sin kone.”Jeg fejrede alene,” sagde han. Til at begynde med besluttede forskerne at gå tilbage til begyndelsen og analysere alt i mindste detalje for at finde ud af, hvordan signalet spredte sig gennem tusindvis af målekanaler i forskellige detektorer og for at forstå, om der var noget underligt i det øjeblik signalet blev opdaget. De fandt intet usædvanligt. De fjernede også hackere, der burde have vidst bedst om de tusinder af datastrømme i eksperimentet.”Selv når holdet kaster ind, er de ikke perfekte nok og efterlader mange fodspor i deres kølvand,” sagde Thorne. "Og der var ingen spor her."
I de efterfølgende uger hørte de et andet, svagere signal.
Forskere analyserede de to første signaler, og de modtog mere og mere. I januar præsenterede de deres forskningsopgaver i Physical Review Letters. Dette spørgsmål findes på Internettet i dag. Ifølge deres estimater overstiger den statistiske signifikans af det første, mest kraftfulde signal "5-sigma", hvilket betyder, at forskere er 99,9999% sikre på dets ægthed.
Lytter til tyngdekraften
Einsteins ligninger af generel relativitet er så komplekse, at det tog de fleste fysikere 40 år at være enige: ja, gravitationsbølger findes og kan detekteres - selv teoretisk.
Først tænkte Einstein, at genstande ikke kunne frigive energi i form af tyngdekraftstråling, men så ændrede han sit synspunkt. I sit historiske arbejde, skrevet i 1918, viste han, hvilke genstande der kan gøre dette: håndvægtformede systemer, der roterer samtidigt omkring to akser, for eksempel binærfiler og supernovaer, der eksploderer som fyrværkeri. Det er de, der kan generere bølger i rumtid.
Computermodel, der illustrerer arten af tyngdebølger i solsystemet
Foto: REUTERS, uddeling
Men Einstein og hans kolleger fortsatte med at tøve. Nogle fysikere har hævdet, at selvom der findes bølger, vil verden vibrere med dem, og det vil være umuligt at føle dem. Det var først i 1957, at Richard Feynman lukkede spørgsmålet ved i et tankeeksperiment at demonstrere, at hvis der findes gravitationsbølger, kan de teoretisk detekteres. Men ingen vidste, hvor almindelige disse håndvægtssystemer var i det ydre rum, eller hvor stærke eller svage de resulterende bølger var. "I sidste ende var spørgsmålet: vil vi nogensinde være i stand til at finde dem?" Sagde Kennefick.
I 1968 var Rainer Weiss en ung professor ved Massachusetts Institute of Technology og fik til opgave at undervise i et kursus i generel relativitet. Som eksperimentator vidste han lidt om det, men pludselig var der nyheder om Webers opdagelse af tyngdebølger. Weber byggede tre resonansdetektorer på skrivebord i aluminium og placerede dem i forskellige amerikanske stater. Nu sagde han, at alle tre detektorer optog "lyden af tyngdebølger."
Weisss studerende blev bedt om at forklare arten af tyngdekraftsbølger og udtrykke deres mening om den besked, der lyder. Han studerede detaljerne og var forbløffet over kompleksiteten af de matematiske beregninger.”Jeg kunne ikke finde ud af, hvad fanden Weber gjorde, hvordan sensorerne interagerer med tyngdekraftsbølgen. Jeg sad længe og spurgte mig selv:”Hvad er det mest primitive, jeg kan tænke på at opdage gravitationsbølger?” Og så kom en idé til mig, som jeg kalder det konceptuelle grundlag for LIGO.”
Forestil dig tre objekter i rumtid, siger spejle i hjørnerne af en trekant.”Send et lyssignal fra den ene til den anden,” sagde Weber. "Se, hvor lang tid det tager at flytte fra en masse til en anden, og kontroller, om tiden er ændret." Det viser sig, bemærkede forskeren, at dette kan gøres hurtigt.”Jeg overlod dette til mine studerende som en videnskabelig opgave. Bogstaveligt talt var hele gruppen i stand til at foretage disse beregninger."
I de efterfølgende år, da andre forskere forsøgte at gentage resultaterne af Webers eksperiment med en resonansdetektor, men konstant mislykkedes (det er ikke klart, hvad han observerede, men disse var ikke gravitationsbølger), begyndte Weiss at forberede et meget mere præcist og ambitiøst eksperiment: tyngdekraftsinterferometeret. Laserstrålen hopper af tre L-formede spejle for at danne to stråler. Afstanden mellem toppe og trug af lysbølger angiver nøjagtigt længden af "G" -knæene, der skaber X- og Y-akserne i rumtiden. Når skalaen er stille, springer de to lysbølger væk fra hjørnerne og annullerer hinanden. Signalet i detektoren er nul. Men hvis en gravitationsbølge passerer gennem jorden, strækker den længden af den ene arm af bogstavet "G" og komprimerer længden af den anden (og omvendt igen). Misforholdet mellem de to lysstråler skaber et signal i detektoren, der viser små udsving i rumtid.
Først var andre fysikere skeptiske, men snart fandt eksperimentet støtte hos Thorne, hvis gruppe teoretikere fra Caltech undersøgte sorte huller og andre potentielle kilder til tyngdebølger samt de signaler, de genererer. Thorne blev inspireret af Webers eksperiment og lignende indsats fra russiske forskere. Efter at have talt i 1975 på en konference med Weiss,”begyndte jeg at tro, at detektering af tyngdebølger ville være vellykket,” sagde Thorne. "Og jeg ville også have, at Caltech skulle være involveret i dette." Han aftalte med instituttet at ansætte den skotske eksperimentator Ronald Driever, som også meddelte, at han ville bygge et gravitationsbølgeinterferometer. Over tid begyndte Thorne, Driver og Weiss at arbejde som et hold, hvor hver af dem løste deres egen andel af utallige problemer som forberedelse til et praktisk eksperiment. Trioen dannede LIGO i 1984, og da der blev bygget prototyper og et voksende team begyndte, modtog de 100 millioner dollars i finansiering fra National Science Foundation i begyndelsen af 1990'erne. Tegninger blev tegnet til opførelse af et par kæmpe L-formede detektorer. Et årti senere begyndte detektorerne at arbejde.
I Hanford og Livingston, i midten af hver af de fire kilometer bøjninger af detektorerne, er der et vakuum, takket være hvilket laseren, dens stråle og spejle maksimalt er isoleret fra planetens konstante vibrationer. For at forsikre endnu mere overvåger LIGO-forskere deres detektorer, mens de arbejder med tusindvis af instrumenter og måler alt, hvad de kan: seismisk aktivitet, atmosfærisk tryk, lyn, kosmiske stråler, udstyrsvibrationer, lyde i en laserstråle og så videre. De filtrerer derefter denne uønskede baggrundsstøj fra deres data. Måske er det vigtigste, at de har to detektorer, og dette giver dig mulighed for at sammenligne de modtagne data og kontrollere dem for tilstedeværelsen af sammenfaldende signaler.
Inde i det vakuum, der er skabt, selv når lasere og spejle er fuldstændig isoleret og stabiliseret,”sker der underlige ting hele tiden,” siger Marco Cavaglià, stedfortrædende talsmand for LIGO-projektet. Forskere skal spore disse "guldfisk", "spøgelser", "uforståelige havmonstre" og andre fremmede vibrationsfænomener og finde ud af deres kilde for at eliminere det. Et vanskeligt tilfælde opstod under valideringsfasen, sagde Jessica McIver, en forsker med LIGO-teamet, der studerer sådanne fremmede signaler og interferens. En række periodiske enkeltfrekvensstøj dukkede ofte op i dataene. Da hun og hendes kolleger konverterede spejlets vibrationer til lydfiler, "ringede telefonen tydeligt," sagde McIver. "Det viste sigat det var annoncørerne for kommunikation, der ringede til telefonen inde i laserrummet."
I de næste to år vil forskere fortsætte med at forbedre følsomheden af detektorerne i det moderniserede Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory LIGO. Og i Italien begynder et tredje interferometer, kaldet Advanced Virgo, at arbejde. Et svar, som de opnåede data hjælper med at give, er, hvordan sorte huller dannes. Er de et produkt af sammenbruddet af de tidligste massive stjerner, eller er de et resultat af kollisioner i tætte stjerneklynger?”Dette er kun to antagelser, jeg antager, at der vil være flere, når alle bliver rolige,” siger Weiss. Da LIGO begynder at samle nye statistikker i løbet af sit kommende arbejde, vil forskere begynde at lytte til historier om oprindelsen af sorte huller, som rummet vil hviske til dem.
I form og størrelse stammer det første, kraftigste pulserende signal fra 1,3 milliarder lysår, hvorfra to evige langsomt dans under indflydelse af gensidig tyngdekraft til sidst fusionerede to sorte huller, hver ca. 30 gange solens masse. Sorte huller cirkulerede hurtigere og hurtigere som en boblebad, der gradvist kommer tættere på. Derefter var der en fusion, og på et øjeblik blinkede de tyngdekraftsbølger med en energi svarende til den for de tre soler. Denne fusion blev det mest magtfulde energiske fænomen, der nogensinde er registreret.
”Det er som om vi aldrig har set havet under en storm,” sagde Thorne. Han har ventet på denne storm i rumtid siden 1960'erne. Den følelse, som Thorne oplevede, da bølgerne rullede ind, var ikke spænding, siger han. Det var noget andet: en følelse af dybeste tilfredshed.