Aika-ajan värähtelyt löydettiin vuosisadan kuluttua siitä, kun Einstein ennusti ne. Tähtitieteessä alkaa uusi aikakausi.
Tutkijat pystyivät havaitsemaan aika-ajan vaihtelut, jotka johtuvat mustien aukkojen sulautumisesta. Tämä tapahtui sata vuotta sen jälkeen, kun Albert Einstein ennusti nämä "gravitaatioaallot" yleisessä suhteellisuusteoriassaan ja sata vuotta sen jälkeen, kun fyysikot alkoivat etsiä niitä.
LIGO-laserinterferometrisen gravitaatioaallon observatorion tutkijat raportoivat tämän merkittävän löydön tänään. He vahvistivat huhut, jotka olivat ympäröineet ensimmäisten kuukausien ajan keräämiensä tietojen analysointia. Astrofyysikot sanovat, että gravitaatioaaltojen löytäminen antaa uuden ilmeen maailmankaikkeuteen ja mahdollistaa tunnistamisen kaukaisista tapahtumista, joita ei voida nähdä optisissa teleskoopeissa, mutta voit tuntea ja jopa kuulla heidän heikon vapinansa, joka saavuttaa meidät avaruuden kautta.
”Olemme havainneet gravitaatioaaltoja. Me teimme sen! ilmoitti 1000-jäsenisen tutkimusryhmän toimitusjohtaja David Reitze puhuessaan tänään Washingtonissa pidetyssä lehdistötilaisuudessa National Science Foundation -säätiössä.
Gravitaatioaallot ovat ehkä kaikkein vaikein ilmiö Einsteinin ennusteista, tutkija keskusteli tästä aiheesta aikalaistensa kanssa vuosikymmenien ajan. Hänen teoriansa mukaan tila ja aika muodostavat venyvää ainetta, joka taipuu raskaiden esineiden vaikutuksesta. Painovoiman tunteminen tarkoittaa pääsemistä tämän asian käyrille. Mutta voiko tämä aika-aika vapista kuin rummun iho? Einstein oli hämmentynyt, hän ei tiennyt mitä yhtälöt tarkoittivat. Ja hän muutti toistuvasti näkemystään. Mutta jopa hänen teoriansa vakavimmat kannattajat uskoivat, että painovoima-aallot olivat liian heikkoja havaittavaksi joka tapauksessa. Ne nousevat ulospäin tiettyjen katastrofien jälkeen ja liikkuessaan vuorotellen venyvät ja supistuvat aika-aikaa. Mutta siihen mennessä kun nämä aallot saavuttavat Maan,ne venyttelevät ja puristavat jokaista avaruuskilometriä pienellä osalla atomin ytimen halkaisijaa.
LIGO-observatorion ilmaisin Hanfordissa, Washingtonissa
Kuva: REUTERS, Hangout
Mainosvideo:
Näiden aaltojen havaitseminen vaati kärsivällisyyttä ja varovaisuutta. LIGO-observatorio laukaisi lasersäteitä edestakaisin kahden ilmaisimen neljän kilometrin pituisia suorakulmaisia mutkia pitkin, joista toinen oli Hanfordissa Washingtonissa ja toinen Livingstonissa Louisianassa. Tämä tehtiin etsimällä näiden järjestelmien päällekkäisiä laajenemisia ja supistuksia gravitaatioaaltojen kulkiessa. Käyttämällä uusimpia stabilointiaineita, tyhjiöinstrumentteja ja tuhansia antureita tutkijat mittaivat näiden järjestelmien pituuden muutoksia, jotka olivat vain yksi tuhannesosa protonin koosta. Tällainen instrumenttien herkkyys oli käsittämätöntä sata vuotta sitten. Se näytti myös uskomattomalta vuonna 1968, kun Rainer Weiss Massachusettsin teknillisestä instituutista suunnitteli LIGO-nimisen kokeen.
”On suuri ihme, että he lopulta onnistuivat. He pystyivät havaitsemaan nämä pienet värähtelyt! " - sanoi Arkansasin yliopiston teoreettinen fyysikko Daniel Kennefick, joka kirjoitti vuonna 2007 kirjan "Matkustaminen ajatuksen nopeudella: Einstein ja gravitaatioaaltojen pyrkimys".
Tämä löytö merkitsi uuden aikakauden alkua gravitaatioaaltostronomiassa. Toivomme, että meillä on tarkempia ideoita mustien aukkojen muodostumisesta, koostumuksesta ja galaktisesta roolista - nämä erittäin tiheät massapallot, jotka vääristävät aika-aikaa niin dramaattisesti, ettei edes valo pääse sieltä pois. Kun mustat aukot lähestyvät toisiaan ja sulautuvat, ne tuottavat impulssisignaalin - aika-ajan värähtelyt, jotka lisääntyvät amplitudissa ja sävyssä ja päättyvät sitten äkillisesti. Observatorion tallentamat signaalit ovat äänialueella - ne ovat kuitenkin liian heikkoja paljaalla korvalla. Voit luoda tämän äänen toistamalla sormesi pianonäppäinten yli. "Aloita alimmasta nuotista ja jatka kolmanteen oktaaviin asti", Weiss sanoi. "Tämän kuulemme."
Fyysikot ovat jo hämmästyneitä tällä hetkellä nauhoitettujen signaalien lukumäärästä ja voimakkuudesta. Tämä tarkoittaa, että maailmassa on enemmän mustia aukkoja kuin aiemmin ajateltiin. "Meillä on onnekas, mutta olen aina laskenut sellaiseen onni", kertoi Caltechin astrofyysikko Kip Thorne, joka loi LIGOn Weissin ja Ronald Dreverin kanssa, jotka ovat myös Caltechistä. "Tämä tapahtuu yleensä, kun maailmankaikkeudessa avautuu kokonaan uusi ikkuna."
Kun olet kuunnellut gravitaatioaaltoja, voimme muodostaa täysin erilaisia ajatuksia avaruudesta, ja kenties löydämme kuvittelemattomia kosmisia ilmiöitä.
"Voin verrata tätä siihen hetkeen, kun osoitimme ensin kaukoputken taivaalle", kertoi teoreettinen astrofyysikko Janna Levin Columbian yliopiston Barnard Collegesta. "Ihmiset tajusivat, että siellä oli jotain, ja voit nähdä sen, mutta he eivät voineet ennustaa maailmankaikkeudessa vallitsevaa uskomatonta joukkoa." Samoin, Levin totesi, gravitaatioaaltojen löytäminen voisi osoittaa, että maailmankaikkeus on "täynnä pimeää ainetta, jota emme voi vain havaita teleskoopilla".
Ensimmäisen painovoiman löytämisen tarina alkoi syyskuun maanantaiaamuna ja alkoi taputuksella. Signaali oli niin selkeä ja kova, että Weiss ajatteli: "Ei, tämä on hölynpölyä, siitä ei tule mitään."
Tunteiden voimakkuus
Tämä ensimmäinen painovoima pyyhkäisi päivitettyjen LIGO-ilmaisimien läpi - ensin Livingstonissa ja seitsemän millisekuntia myöhemmin Hanfordissa - simuloidun ajon aikana 14. syyskuuta aikaisin aamulla, kaksi päivää ennen virallista tiedonkeruun alkua.
Ilmaisimet "ajettiin sisään" viiden vuoden päivityksen jälkeen, joka maksoi 200 miljoonaa dollaria. Ne on varustettu uusilla peileillä melunvaimennusta varten ja aktiivisella takaisinkytkentäjärjestelmällä tukahduttamaan vieraat tärinät reaaliajassa. Päivitys antoi päivitetylle observatoriolle korkeamman herkkyystason kuin vanha LIGO, joka löysi "absoluuttisen ja puhtaan nollan", kuten Weiss sanoi, vuosina 2002-2010.
Kun voimakas signaali tuli syyskuussa, tutkijat Euroopassa, jossa oli tuolloin aamu, alkoivat pommittaa kiireesti amerikkalaisia kollegoitaan sähköpostilla. Kun loput ryhmästä heräsivät, uutiset levisivät hyvin nopeasti. Lähes kaikki olivat skeptisiä tässä, Weiss sanoi, varsinkin kun he näkivät signaalin. Se oli todellinen oppikirjaklassikko, ja jotkut ihmiset ajattelivat sen olevan väärennös.
Väärinkäsitykset gravitaatioaaltojen etsinnässä on toistettu monta kertaa 1960-luvun lopusta lähtien, jolloin Joseph Weber Marylandin yliopistosta uskoi löytäneensä resonanssivärähtelyjä alumiinisylinteristä, jossa oli antureita vasteena aaltoihin. Vuonna 2014 tapahtui BICEP2-niminen koe, jonka tulosten mukaan ilmoitettiin alkuperäisten gravitaatioaaltojen havaitsemisesta - avaruus-aika-heilahdukset Suuresta Bangista, jotka ovat nyt ulottuneet ja pysähtyneet pysyvästi maailmankaikkeuden geometriaan. BICEP2-tiimin tutkijat ilmoittivat löytöstään suurella äänenvoimakkuudella, mutta sitten niiden tulokset tarkistettiin itsenäisesti, jonka aikana kävi ilmi, että he olivat väärässä ja että tämä signaali tuli kosmisesta pölystä.
Kun Arizonan osavaltion yliopiston kosmologi Lawrence Krauss kuuli LIGO-tiimin löytöstä, hän ajatteli ensin, että se oli "sokea juttu". Vanhan observatorion toiminnan aikana simuloituja signaaleja työnnettiin salaa tietovirtoihin vastauksen testaamiseksi, ja suurin osa tiimistä ei tiennyt siitä. Kun Krauss sai tietää asiantuntevasta lähteestä, että tällä kertaa se ei ollut "sokeaa täytettä", hän tuskin pystyi hillitsemään iloista innostustaan.
25. syyskuuta hän twiittasi 200 000 seuraajalleen:”Huhuja LIGO-ilmaisimessa havaitusta gravitaatioaallosta. Hämmästyttävä, jos totta. Annan sinulle yksityiskohdat, ellei se ole lehmus. " Tämän jälkeen on 11. tammikuuta tehty merkintä: "Aikaisemmat huhut LIGOsta ovat vahvistaneet riippumattomat lähteet. Seuraa uutisia. Ehkä löydetään gravitaatioaaltoja!"
Tutkijoiden virallinen kanta oli seuraava: älä pysähdy vastaanotettuun signaaliin ennen kuin sataprosenttinen varmuus on olemassa. Thorne, jota tämä salassapitovelvollisuus sitoo, ei edes sanonut vaimolleen mitään. "Juhlin yksin", hän sanoi. Ensinnäkin tutkijat päättivät palata alkuun ja analysoida kaiken pienimpään yksityiskohtiin saadakseen selville, kuinka signaali eteni tuhansien eri ilmaisimien mittauskanavien kautta, ja ymmärtääkseen, onko signaalin havaitsemisen hetkellä jotain outoa. He eivät löytäneet mitään epätavallista. He myös eliminoivat hakkerit, joiden olisi pitänyt tietää parhaiten kokeilun aikana tuhansista tietovirroista. "Vaikka joukkue heittäisi sisään, he eivät ole tarpeeksi täydellisiä ja jättävät paljon jälkiä jälkensä", Thorne sanoi. "Ja täällä ei ollut kappaleita."
Seuraavina viikkoina he kuulivat toisen, heikomman signaalin.
Tutkijat analysoivat kaksi ensimmäistä signaalia, ja he saivat yhä enemmän. Tammikuussa he esittivät tutkimustyönsä Physical Review Letters -lehdessä. Tämä numero on tänään Internetissä. Heidän arvioidensa mukaan ensimmäisen, tehokkaimman signaalin tilastollinen merkitsevyys ylittää "5-sigman", mikä tarkoittaa, että tutkijat ovat 99,9999% varmoja sen aitoudesta.
Painovoiman kuuntelu
Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt ovat niin monimutkaisia, että useimmilla fyysikoilla kesti 40 vuotta sopia: kyllä, gravitaatioaaltoja on olemassa ja ne voidaan havaita - jopa teoreettisesti.
Aluksi Einstein ajatteli, että esineet eivät voineet vapauttaa energiaa painovoimasäteilyn muodossa, mutta sitten hän muutti näkemystään. Vuonna 1918 kirjoitetussa historiallisessa työssä hän osoitti, mitkä esineet voivat tehdä tämän: käsipainon muotoiset järjestelmät, jotka pyörivät samanaikaisesti kahden akselin ympäri, esimerkiksi binäärit ja supernovat, jotka räjähtävät kuin sähinkäiset. Ne voivat tuottaa aaltoja avaruudessa.
Tietokonemalli, joka kuvaa gravitaatioaaltojen luonnetta aurinkokunnassa
Kuva: REUTERS, moniste
Mutta Einstein ja hänen kollegansa epäröivät edelleen. Jotkut fyysikot ovat väittäneet, että vaikka aaltoja olisi olemassa, maailma värisee heidän kanssaan, ja on mahdotonta tuntea niitä. Vasta vuonna 1957 Richard Feynman sulki kysymyksen osoittamalla ajatuskokeessa, että jos gravitaatioaaltoja on olemassa, ne voidaan teoreettisesti havaita. Mutta kukaan ei tiennyt kuinka yleisiä nämä käsipainojärjestelmät olivat avaruudessa tai kuinka voimakkaita tai heikkoja tuloksena olevat aallot olivat. "Viime kädessä kysymys oli: löydämmekö niitä koskaan?" Kennefick sanoi.
Vuonna 1968 Rainer Weiss oli nuori professori Massachusettsin teknillisessä instituutissa ja hänet määrättiin opettamaan kurssia suhteellisuusteoriasta. Kokeilijana hän tiesi siitä vähän, mutta yhtäkkiä tuli uutisia Weberin löytämästä gravitaatioaalloista. Weber rakensi kolme työpöydän kokoista resonanssianturia alumiinista ja sijoitti ne eri Yhdysvaltojen osavaltioihin. Nyt hän sanoi, että kaikki kolme ilmaisinta tallensivat "gravitaatioaaltojen äänen".
Weissin opiskelijoita pyydettiin selittämään gravitaatioaaltojen luonne ja ilmaisemaan mielipiteensä kuulostuneesta viestistä. Tutkiessaan yksityiskohtia hän oli hämmästynyt matemaattisten laskelmien monimutkaisuudesta. "En pystynyt selvittämään mitä helvettiä Weber teki, kuinka anturit ovat vuorovaikutuksessa painovoiman kanssa. Istuin pitkään ja kysyin itseltäni: "Mikä on primitiivisintä mitä voin ajatella havaitsemaan gravitaatioaallot?" Ja sitten mieleeni tuli idea, jota kutsun LIGOn käsitteelliseksi perustaksi."
Kuvittele kolmea aika-aikaobjektia, esimerkiksi peilejä kolmion kulmissa. "Lähetä valosignaali toisiltaan", Weber sanoi. "Katso kuinka kauan siirtyminen massasta toiseen kestää ja tarkista onko aika muuttunut." Tutkija totesi, että tämä voidaan tehdä nopeasti. "Uskoin tämän opiskelijoilleni tieteellisenä tehtävänä. Kirjaimellisesti koko ryhmä pystyi tekemään nämä laskelmat."
Seuraavien vuosien aikana, kun muut tutkijat yrittivät toistaa Weberin resonanssidetektorilla tekemän kokeen tulokset, mutta epäonnistuivat jatkuvasti (ei ole selvää, mitä hän havaitsi, mutta nämä eivät olleet gravitaatioaaltoja), Weiss alkoi valmistaa paljon tarkempaa ja kunnianhimoisempaa kokeilua: gravitaatioaaltojen interferometri. Lasersäde palautuu kolmesta L-muotoisesta peilistä muodostaen kaksi sädettä. Valoaaltojen piikkien ja kaukalojen etäisyys osoittaa tarkasti niiden G-polvien pituuden, jotka luovat aika-ajan X- ja Y-akselit. Kun asteikko on paikallaan, kaksi valoaalloa pomppivat kulmista ja estävät toisensa. Ilmaisimen signaali on nolla. Mutta jos painovoima kulkee maapallon läpi, se venyttää "G" -kirjaimen yhden haaran pituuden ja pakkaa toisen (ja päinvastoin) pituuden. Kahden valonsäteen epäsuhta luo ilmaisimeen signaalin, joka osoittaa pieniä vaihteluita aika-ajalla.
Aluksi fyysiset kollegat olivat skeptisiä, mutta pian kokeilu löysi tukea Thornen henkilöstä, jonka Caltechin teoreetikkoryhmä tutki mustia aukkoja ja muita potentiaalisia gravitaatioaaltojen lähteitä sekä niiden tuottamia signaaleja. Thorne innostui Weberin kokeesta ja vastaavista venäläisten tutkijoiden ponnisteluista. Puhuessani vuonna 1975 konferenssissa Weissin kanssa "aloin uskoa, että gravitaatioaaltojen havaitseminen onnistuu", Thorne sanoi. "Ja halusin, että myös Caltech olisi mukana." Hän sopi instituutin kanssa palkkaamaan skotlantilaisen kokeilijan Ronald Drieverin, joka ilmoitti myös rakentavansa gravitaatioaaltojen interferometrin. Ajan myötä Thorne, Driver ja Weiss alkoivat työskennellä yhtenä tiiminä, joista kukin ratkaisi oman osuutensa lukemattomista ongelmista valmistautuessaan käytännön kokeiluun. Kolmikko perusti LIGOn vuonna 1984, ja kun prototyypit rakennettiin ja kasvava tiimi alkoi tehdä yhteistyötä, he saivat 100 miljoonaa dollaria rahoitusta National Science Foundationilta 1990-luvun alussa. Piirustuksia laadittiin parin jättimäisen L-muotoisen ilmaisimen rakentamiseksi. Vuosikymmenen kuluttua detektorit alkoivat toimia.
Hanfordissa ja Livingstonissa ilmaisimien jokaisen neljän kilometrin mutkan keskellä on tyhjiö, jonka ansiosta laser, sen säde ja peilit eristetään maksimaalisesti planeetan jatkuvista tärinöistä. Voidakseen vakuuttaa vieläkin enemmän, LIGO-tutkijat tarkkailevat ilmaisimiaan toiminnan aikana tuhansilla instrumenteilla mittaamalla kaiken mahdollisen: seisminen aktiivisuus, ilmakehän paine, salama, kosmiset säteet, laitteiden tärinä, äänet lasersäteen alueella ja niin edelleen. Sitten he suodattavat nämä ylimääräiset taustamelun tietoistaan. Ehkä tärkeintä on, että niillä on kaksi ilmaisinta, ja tämän avulla voit verrata vastaanotettua dataa tarkistamalla ne samansuuntaisten signaalien esiintymisen varalta.
Luotun tyhjiön sisällä, vaikka laserit ja peilit olisivat täysin eristettyjä ja vakiintuneita, "outoja asioita tapahtuu koko ajan", sanoo LIGO-projektin varapuheenjohtaja Marco Cavaglià. Tutkijoiden on seurattava näitä "kultakaloja", "haamuja", "käsittämättömiä merihirviöitä" ja muita vieraita värähtelyilmiöitä selvittämällä niiden lähde sen poistamiseksi. Yksi vaikea tapaus tapahtui validointivaiheessa, kertoi LIGO-tiimin tutkija Jessica McIver, joka tutkii tällaisia vieraita signaaleja ja häiriöitä. Aineistoissa esiintyi usein jaksoittaisia yhden taajuuden ääniä. Kun hän ja hänen kollegansa muuntivat peilien värähtelyt äänitiedostoiksi, "puhelin soi selvästi", McIver sanoi.”Se osoittautuiettä viestinnän mainostajat soittivat puhelimeen lasersalin sisällä."
Seuraavien kahden vuoden aikana tutkijat jatkavat modernisoidun LIGO-laserinterferometrisen gravitaatioaaltojen observatorion ilmaisimien herkkyyden parantamista. Ja Italiassa kolmas interferometri, Advanced Virgo, alkaa toimia. Yksi vastaus, jonka saadut tiedot auttavat antamaan, on mustien aukkojen muodostuminen. Ovatko ne aikaisimpien massiivisten tähtien romahtamisen seurausta vai ovatko ne seurausta törmäyksistä tiheissä tähtijoukoissa? "Nämä ovat vain kaksi oletusta, luulen, että on enemmän, kun kaikki rauhoittuvat", Weiss sanoo. Kun LIGO alkaa kerätä uusia tilastoja tulevan työnsä aikana, tutkijat alkavat kuunnella tarinoita mustien aukkojen alkuperästä, joita avaruus kuiskaa heille.
Muodoltaan ja kooltaan ensimmäinen, voimakkain pulssisignaali sai alkunsa 1,3 miljardia valovuotta, josta ikuisen hitaan tanssin jälkeen keskinäisen painovoiman vaikutuksesta kaksi mustaa aukkoa, kukin noin 30 kertaa aurinkomassa, sulautuivat lopulta. Mustat reiät kiertelivät yhä nopeammin, kuten poreallas, tulossa vähitellen lähemmäksi. Sitten tapahtui sulautuminen, ja silmänräpäyksessä he vapauttivat gravitaatioaaltoja, joiden energia oli verrattavissa kolmen auringon energiaan. Tästä fuusiosta tuli kaikkien aikojen voimakkain energinen ilmiö.
"Emme ole koskaan nähneet merta myrskyn aikana", Thorne sanoi. Hän on odottanut tätä myrskyä avaruudessa 1960-luvulta lähtien. Tunne, jonka Thorne koki aaltojen liikkuessa, ei ollut aivan jännitystä, hän sanoo. Se oli jotain muuta: syvimmän tyydytyksen tunne.