https://frosthead.com

Pärast sajandi otsimist tuvastasime lõpuks gravitatsioonilised lained

Teadlased on raskusjõu aroomi kuulnud esimest korda.

Seotud sisu

  • Viis asja, mida tuleks teada gravitatsiooniliste lainete kohta
  • Seitse lihtsat viisi, kuidas me teame, et Einsteinil oli õigus (praegu)

Kui kaks musta auku keerlesid üksteise poole ja ühinesid, tekitasid nad kosmose kangas väntsutusi täpselt sellises vormis, nagu füüsikud on sajandi jooksul ennustanud: gravitatsioonilained. Täna rahvusvaheliste pressikonverentside ajal avalikustatud signaal sillutab teed täiesti uuele arusaamisele universumist.

"See on esimene kord, kui universum on meiega gravitatsioonilainete kaudu rääkinud. Siiani oleme olnud kurdid, " ütles Florida ülikooli LIGO laboratooriumi direktor David Reitze täna Washingtonis, DC-il toimunud pressiüritusel.

Gravitatsioonilainete juureks on Albert Einsteini gravitatsiooniteooria, mis ütleb, et kõik, mis on massiga, väänab ruumi-aja enda kanga. Massiivsete objektide liikumisel tekitavad nad kosmilises kangas moonutusi, tekitades gravitatsioonilaineid. Need lained vuravad läbi universumi nagu õhu kaudu pulseerivad helilained.

Einsteini teooria ennustab, et universum on täis gravitatsioonilaineid, kuid seni polnud me suutnud neid tuvastada, osaliselt seetõttu, et lained on erakordselt nõrgad. Kuid juba enne selle ajakohastatud mõõteriistade jõudmist eelmisel aastal ametlikult võrku sai laserinterferomeetri gravitatsioonilainete vaatluskeskus (LIGO) selge signaali kahe 1, 3 miljardi valgusaasta kaugusel asuva musta augu võimsa kokkupõrke kohta.

"See, et LIGO ei ole esimesel teadusajal ikka veel projekteerimistundlikkuse lähedal, on hämmastav, see on heas mõttes lõualuu langemine, " ütleb Joan Centrella, kes juhtis NASA Goddardi kosmoselennu Gravitatsioonilise astrofüüsika laborit. Enne Goddardis astrofüüsika teadusosakonna direktori asetäitjaks saamist.

See virgutus tungis läbi LIGO Livingstoni, Louisiana observatooriumi ja kogu muu maailma, kui meeskond oma teadaannet tegi. Peaaegu kõik, mida astronoomid on kosmose kohta teada saanud, on pärit erinevatest valguse vormidest, nagu näiteks nähtav, raadiolained ja röntgenikiirgus. Kuid nii nagu seismilised lained võivad sügaval Maa sees varjatud struktuure paljastada, kannavad gravitatsioonilained endaga teavet universumi varjatud omaduste kohta, mida isegi valgus ei suuda paljastada.

"Alustasime väga riskantse tööga, millel oli väga suur potentsiaalne tulu, " ütles LIGO kaasasutaja ja California tehnoloogiainstituudi gravitatsioonifüüsik Kip Thorne pressiürituse ajal. "Ja me oleme täna siin suure võidukäiguga - täiesti uus viis universumi vaatlemiseks."

Varased vihjed

Gravitatsioonilainete jaht algas sajand tagasi Einsteini üldise relatiivsusteooria avaldamisega. 1970. aastate keskel kogusid füüsikud Russell A. Hulse ja Joseph H. Taylor, Jr, äärmiselt veenvaid tõendeid nende laiskumiste olemasolu kohta. Nad mõõtsid aega, mis kulus kahe tiheda neutronitähe - ükskord massiivsete tähtede purustatud südamike - üksteise orbiidil liikumiseks.

Einsteini tööle tuginedes teadsid nad, et need tähed peaksid pöörledes kiirgama gravitatsioonienergiat ja kadunud energia peaks neid üksteise suhtes spiraalima. Pärast kahe tähe uurimist järgnevaks paariks aastaks nägid nad, et orbiit vähenes täpselt üldrelatiivsusteooriaga ennustatud summa võrra.

Kui see leid teenis duo jaoks 1993. aasta Nobeli füüsikapreemia, siis enamik füüsikuid ei nimetaks seda gravitatsioonilainete otseseks tuvastamiseks.

2001. aastal alustas LIGO tegevust kahes kohas, 1 875 miili kaugusel - üks Livingstonis, Louisiana ja teine ​​Hanfordis, Washingtonis. Mõni aasta hiljem jõudis võrku ka Euroopa gravitatsioonilaine teleskoop Virgo. Mõlemad tegutsesid vastavalt kuni 2010. ja 2011. aastani, enne kui said võrguühenduseta versiooniuuendusi.

Ehkki teadlased lootsid, et need esialgsed observatooriumid löövad gravitatsioonilaineid, teadsid nad, et see on pikk võte. Need vibratsioonid on väga nõrgad signaalid ja instrumendid polnud piisavalt tundlikud, et nende sosinaid kuulda oleks. Kuid esialgsed katsed on järgmise põlvkonna instrumentide tehnoloogia katsetamine.

Neitsit täiendatakse endiselt, kuid LIGO meeskond lõpetas oma töö mõlema detektoriga 2015. aastal. Nüüd nimega Advanced LIGO, kuulasid Louisiana ja Washingtoni observatooriumid esimese teaduse vaatlustsükli vahel 18. septembrist 2015 kuni 12. jaanuarini gravitatsioonilaineid. 2016. täna väljakuulutatud signaal saadi kätte vahetult enne seda esimest ametlikku sõitu, kuna meeskond korraldas detektorite töökatseid.

Laseritäpsus

Maast läbi kulgeva laine tundmine nõudis palju nutikat tehnikat, arvuti jõudu ja enam kui 1000 teadlast, kes töötavad kogu maailmas.

L-kujulise LIGO observatooriumi sees istub kahe risti asetseva toru kohtumispunktis laser. Laser läbib valgust hajutava instrumendi, nii et kaks kiirt kulgevad igast torust umbes 2, 5 miili allapoole. Torude otstes olevad peeglid peegeldavad valgust tagasi selle allika poole, kus detektor ootab.

Tavaliselt ei satu detektorisse ükski tuli. Kuid kui gravitatsiooniline laine möödub, peaks see venima ja hajutama aegruumi etteaimatava mustrina, muutes torude pikkust pisikese summa võrra - prootoni läbimõõduga suurusjärgus üks tuhandik. Siis maandub detektorisse mõni tuli.

Uskumatult väikese muudatuse arvessevõtmiseks on instrumendi peeglid kinnitatud keerukate süsteemide külge, mis eraldavad neid enamikust vibratsioonidest. LIGO teadlastel on ka spetsiaalsed arvutiprogrammid, mis suudavad filtreerida mitmesuguseid taustmürasid, näiteks juhuslikke värinaid, ja teha kindlaks, kas mõni sissetulev signaal vastab võimalikele üldrelatiivsusteooria abil arvutatud astronoomilistele allikatele.

Louisiana ja Washingtoni saidid teevad vaatluse kontrollimiseks koostööd. "Me ei usu, et näeme gravitatsioonilainet, kui mõlemad detektorid ei näe sama signaali aja jooksul, mis gravitatsioonilainel kulub kahe saidi vahel liikumiseks, " ütleb LIGO meeskonna liige Amber Stuver Louisiana osariigi ülikoolist. Sel juhul läbis laine Maad ja tabas kahte detektorit vaid seitsme millisekundi kaugusel.

Kui Louisiana ja Washingtoni saidid on tuvastanud võimaliku gravitatsioonilise häälestuse, astuvad teadlased analüüsi kallale. LIGO võttis selle signaali kätte 14. septembril, kuid suudab alles nüüd suure kindlusega öelda, et nad nägid gravitatsioonilaineid.

"Vaatluseks veendumiseks kulus mitu kuud hoolikat kontrollimist, uuesti kontrollimist, analüüsi, iga andmete töötlemist, " leidis Reitze DC-sündmuse ajal. "Ja me oleme end selles veennud, et see nii on." Tulemused ilmuvad sel nädalal väljaandes Physical Review Letters .

ligo-la.jpg Õhupilt LIGO detektorist Livingstonis, Louisiana osariigis. (LIGO labor)

Gravitatsiooniline lainesignaal, mille astronoomid viimastest vaatlustest välja tõmbasid, vastasid ootustele, mis tekkisid kahe üksteise suhtes spiraalselt liikuva musta augu kohta. Tants saadab gravitatsioonilaineid etteaimatava sageduse ja tugevusega, sõltuvalt objektide vahekaugusest ja nende massist.

Lähemale tantsima asudes kahanevad gravitatsioonilainete lainepikkused ja nende laul jõuab kõrgematele sagedustele. Kui mustad augud sulguvad lõplikuks omaks, on gravitatsioonilaine signaalil üks viimane kõrge noot ehk “säuts”, nagu astronoomid seda nimetavad.

Septembri signaal rivistub ilusti sellega, mida meeskond eeldaks kahelt mustalt augult, mille mass on umbes 29 ja 36-kordne päikese mass. Need mustad augud klammerdusid kokku, et luua uus must auk, mis on 62 korda suurem kui päikese mass - kiirgades ära 3 päikesemassi väärtuses gravitatsioonienergiat.

Oota ootamatut

Selle esmase tuvastamisega loodavad astronoomid, et Advanced LIGO jätkab gravitatsioonilainete hõivamist ja andmete kogumist igasuguste teaduslike uuringute jaoks, alates supernoovade toimimisest kuni universumi esimeste hetkede tundmiseni. Kui ükski teine ​​astronoomiline teleskoop ei näinud selle musta augu kokkupõrke kohta mingeid märke, peaksid mõnedel teistel Advanced LIGO otsitavatel allikatel olema valgust püüdvatele teleskoopidele nähtavad kolleegid.

See tundub eriti paljutõotav, kui arvestada, et Advanced LIGO pole veel isegi täielikult tundlik. See tuleb lähiaastatel, ütleb Stuver.

Kõik need signaalid annavad astronoomidele selle, mida neil kunagi varem polnud: viis raskusjõu ekstreemsete juhtude ja nähtamatute objektide liikumise proovimiseks. Veelgi põnevam on, et astronoomid teavad, et iga tehnoloogilise arenguga on universumil võimalus meid üllatada.

"Iga kord, kui oleme vaadanud uutmoodi ja erinevat tüüpi valgust, avastame midagi, mida me ei osanud oodata, " ütleb Stuver. "Ja just see ootamatu asi muudab meie arusaama universumist revolutsiooniliseks." Mitte kaua pärast seda, kui astronoomid keerasid raadioantennid taevale, avastasid nad ootamatu tüüpi neutrontähe, mida nimetatakse pulsariks. Ja võib-olla poeetiliselt oli Hulse ja Taylor 1970ndatel uurinud orbitaaltantsu teinud pulsar- ja neutronitähte.

Nüüd, gravitatsioonilise lainega astronoomia koidikul, on teadlastel uus vahend kosmosest proovide võtmiseks. Ja kõla järgi on meil tegemist kauni muusikaga.

Toimetaja märkus: Joan Centrella kuuluvus on parandatud.

Pärast sajandi otsimist tuvastasime lõpuks gravitatsioonilised lained