Enam kui miljard aastat tagasi, kaugel kaugel asuvas galaktikas, viisid kaks musta auku kiire sammuga viimases etapis läbi passaaži, viies lõpule nii vägivaldse lõpliku omaksvõtuga, et see vabastas rohkem energiat kui iga tähe ühine väljund iga vaadeldava universumi galaktika. Kuid erinevalt tähevalgusest oli energia tume, seda kandis nähtamatu gravitatsioonijõud. 14. septembril 2015 kell 5:51 Ida-Euroopa suveaja ajal jõudis selle energia fragment gravitatsioonilise laine kujul Maale, mis vähenes selle ulatusliku transiidi läbi ruumi ja aja jooksul vaid selle äikeselise sosinaks algus.
Seotud lugemised
Elegantne universum
OstaNiipalju kui me teame, on Maa seda tüüpi gravitatsioonihäirete all varemgi supelnud. Sageli. Erinevus on seekord selles, et kaks hämmastavalt täpset detektorit, üks Louisiana Livingstonis ja teine Washingtonis Hanfordis, seisid valmis. Kui gravitatsioonilaine mööda veeres, kõditas see detektoreid, andes eksitamatu signaali mustade aukude põrkumisest teisel pool universumit ja tähistades uue peatüki algust inimkonna kosmoseuurimisel.
Kui jaanuaris hakkasid levima kuuldused avastusest, pöörasin pilgu sellele, mis oli selgelt valehäire või nüanss, et pisut suminat segada. Teadusuuringute programmina, mis jõudis juba viiendasse kümnendisse, oli gravitatsioonilainete jaht juba ammu muutunud peamiseks avastuseks, mis alati silmapiiril hõljus. Füüsikud olid loobunud oma gravitatsioonilise Godoti ootamisest.
Kuid inimlik leidlikkus ja visadus on triumfeerinud. See on üks neist võitudest, mis annavad isegi neile meist rõõmu selgroo-kipitusest.
Siin on see lugu lühidalt.
Selle aasta novembris tähistas maailm Einsteini suurima avastuse - relatiivsusteooria üldteooria - sajandat sünnipäeva, mis tõi välja uue paradigma gravitatsiooni mõistmiseks. Isaac Newtoni lähenemisviis ennustab õigesti gravitatsioonilist külgetõmmet kahe objekti vahel, kuid ei anna aimu sellest, kuidas midagi siin tühja ruumi ulatub ja sinna midagi tõmbab . Einstein veetis kümme aastat, et teha kindlaks, kuidas gravitatsiooni edastatakse, ja jõudis lõpuks järeldusele, et ruum ja aeg moodustavad nähtamatu käe, mis teeb gravitatsiooni pakkumise.
Telli Smithsoniani ajakiri nüüd kõigest 12 dollariga
See lugu on valik Smithsoniani ajakirja aprillinumbrist
OstaValitud metafoor, ülekasutatud, kuid meeldejääv, on mõelda ruumile kui batuudile. Asetage batuudi keskele keeglikuul, mis põhjustab selle kõverumist, ja marmor tõmbub mööda kõverdatud trajektoori edasi. Samamoodi tunnistas Einstein, et Päikese taolise astronoomilise keha lähedal kõlab kosmose aegne keskkond, mis selgitab, miks Maa, nagu ka marmor, järgib kõverjoonelist trajektoori. 1919. aastaks kinnitasid astronoomilised vaatlused seda tähelepanuväärset nägemust ja tegid Einsteinist Einsteini.
Einstein lükkas oma silmapaistva avastuse veelgi kaugemale. Selleks ajaks oli ta keskendunud staatilistele olukordadele: antud ajahulgast tuleneva kosmoseaja piirkonna fikseeritud kuju määramine. Kuid Einstein pöördus seejärel dünaamiliste olukordade poole: Mis juhtuks kosmoseaja kangaga, kui mateeria liiguks ja raputaks? Ta mõistis, et nii nagu batuudil hüpitavad lapsed tekitavad pinnas laineid, mis jõuavad väljapoole, asi, mis liigub seda teed ja mis tekitab ka kosmoseaja kangas laineid, mis kobestavad ka väljapoole. Ja kuna üldrelatiivsusteabe kohaselt on kõverdatud ruumaeg gravitatsioon, on kõverdatud kosmoseaeg laine gravitatsiooni laine.
Gravitatsioonilained tähistavad üldrelatiivsuse kõige olulisemat lahkumist Newtoni gravitatsioonist. Paindlik kosmoseaeg on kindlasti raskusastme põhjalik ümbersõnastamine, kuid tuttavates olukordades, nagu Päikese või Maa gravitatsiooniline tõmbejõud, erinevad Einsteini ennustused Newtoni omadest vaevalt. Kuna aga Newtoni gravitatsioon ei mõjuta raskuse edasikandumist, pole ränd gravitatsiooniliste häirete mõistel Newtoni teoorias kohta.
Einsteinil endal oli gravitatsioonilainete ennustamise osas kahtlusi. Esmakordselt üldrelatiivsusteooria peente võrranditega kokku puutudes on keeruline eraldada abstraktsed matemaatikad mõõdetavast füüsikast. Einstein oli esimene, kes selle kiskumisega tegeles, ja seal oli jooni, mida isegi tema, relatiivsusteooria künoos, ei suutnud täielikult mõista. Kuid 1960. aastateks tõestasid täpsemaid matemaatilisi meetodeid kasutavad teadlased ilma igasuguse kahtluseta, et gravitatsioonilained olid üldise relatiivsusteooria eristav tunnus.
Gravitatsioonilainete illustratsioon (John Hersey) Kuidas saaks seda ikoonilist ennustust testida? 1974. aastal avastasid Joseph Taylor ja Russell Hulse Arecibo raadioteleskoobi abil binaarse pulsaari: kaks orbiidil liikuvat neutronitähte, mille orbitaalperioodi oli võimalik suure täpsusega jälgida. Üldrelatiivsuse järgi genereerivad orbiidil olevad tähed pidevat gravitatsioonilainete marssi, mis tühjendavad energiat, põhjustades tähtede lähemale langemist ja orbiiti kiiremini. Vaatlused kinnitasid seda ennustust T-le, pakkudes küll kaudseid tõendeid, et gravitatsioonilained on reaalsed. Hulse ja Taylor said 1993. aasta Nobeli preemia.
Saavutus muutis gravitatsioonilainete otsese tuvastamise veelgi ahvatlevamaks. Kuid ülesanne oli hirmutav. Arvutused näitavad, et kui gravitatsiooniline laine liugleb läbi kosmose, sirutatakse kõik selle teekond alternatiivselt ja surutakse mööda telgi, mis on risti laine liikumissuunaga. Otse Ameerika Ühendriikide poole suundunud gravitatsioonilaine venitaks ja pigistaks vaheldumisi New Yorgi ja California ning Texase ja Põhja-Dakota vahelist ruumi. Selliseid vahemaid täpselt jälgides peaksime seega olema võimelised kindlaks tegema laine möödumist.
Väljakutse on see, et niivõrd, kui tiigi pulbitsemine sureb laiali, sureb selle lähtest välja liikudes gravitatsiooniline pulsatsioon. Kuna suured kosmilised kokkupõrked toimuvad meist tavaliselt väga kaugel (õnneks), selleks ajaks, kui gravitatsioonilained Maale jõuavad, on nende põhjustatud venituste ja pigistamiste hulk väike - vähem kui aatomi läbimõõt. Selliste muutuste tuvastamine toimub võrdselt sellega, kui mõõdetakse kaugus Maast lähima päikesesüsteemist kaugema täheni täpsusega, mis on parem kui paberilehe paksus.
Marylandi ülikooli Joseph Weberi poolt 1960. aastatel teerajajaks tehtud esimeses katses kasutati mitmetonniseid tahke alumiiniumsilindreid lootuses, et need reageerivad õrnalt nagu hiiglaslikud häälestamishargid vastuseks mööduvale gravitatsioonilainele. 1970. aastate alguseks väitis Weber, et edu on suur aeg. Ta teatas, et gravitatsioonilained helistasid tema detektorit peaaegu iga päev. See silmapaistev saavutus innustas teisi Weberi väiteid kinnitama, kuid pärast aastaid kestnud proovimist ei suutnud keegi tabada isegi mitte ühte lainet.
Weberi visad uskumused oma tulemustesse aitasid juba ammu pärast kogutud tõendusmaterjali teisiti vihjata vaatenurgale, mis on põldu värvinud aastakümneid. Aastate jooksul uskusid paljud teadlased, nagu ka Einstein, et isegi kui gravitatsioonilained oleksid reaalsed, on need lihtsalt liiga nõrgad, et neid kunagi tuvastada. Need, kes asusid neid otsima, olid lollide käsul ja neid, kes uskusid avastamisnõudeid, petta.
1970. aastateks pöördusid vähesed, kellel oli endiselt gravitatsioonilise laine viga, paljutõotavamale avastamisskeemile, milles laserite abil võrreldi kahte pikka identset tunnelit, mis on orienteeritud üksteise suhtes 90 kraadi. Mööduv gravitatsioonilaine venitaks ühte tunnelit, samal ajal teist pigistades, muutes pisut mööda kummagi lastud laserkiirte läbitud vahemaad. Kui neid kahte laserikiiri hiljem uuesti rekombineeritakse, on saadud valgusmuster tundlik minutikiiruste suhtes iga kiirguse läbimisel. Kui gravitatsiooniline laine veereb mööda, jätaks isegi selle tekitatud miinusmõju häiretesse modifitseeritud lasermustri.
See on ilus idee. Kuid läheduses asuvad tungrauad, mürisevad veoautod, tuuleiilid või langevad puud võivad sellist katset häirida. Pikkuse erinevuste otsimisel vähem kui miljardi miljardi meetrini muutub ülitähtis võime kaitsta seadet iga võimaliku keskkonnatoimetuse eest, hoolimata sellest, et see on väike. Selle pealtnäha ületamatu nõudega varustati naysayerid veel rohkem laskemoona. Gravitatsioonilaine tabamine muudaks Hortoni kuulmise Kesksugusteks, isegi kui New Yorgi metroo möirgav din ületaks, pelgalt lapsemängu.
Sellele vaatamata unistasid Ameerika füüsikud Kip Thorne ja Rainer Weiss, hiljem liitusid Šoti füüsik Ronald Drever, laseripõhise gravitatsioonilise lainedetektori ehitamisest ja panid rattad liikuma, et see unistus saaks reaalsuseks.
Aastal 2002, pärast paarikümne aasta pikkust teadus- ja arendustegevust ning enam kui 250 miljoni dollari suurust investeeringut National Science Foundationilt, viidi Louisiana osariigis Livingstonis kasutusele kaks LIGO moodustavat teaduslikku ja tehnoloogilist imet (Laser Interferomeetri gravitatsioonilainete vaatluskeskus) ja Hanford, Washington. Neli kilomeetrit pikkuses hiiglasliku tähe L kujul evakueeritud tunnelites paikneks umbes 50 000 korda tugevamat laserkiirt kui tavalisel laseri osutil. Laservalgus põrkub edasi-tagasi maailma kõige sujuvamate peeglite vahel, mis asetsevad kummagi käe vastaskülgedele, otsides pisikest ebakõla aja jooksul, mis kulub mõlemal teekonna lõpuleviimisel.
Teadlased ootasid. Ja ootasin. Kuid kaheksa aasta pärast ei midagi. Kindlasti pettumus, kuid nagu uurimisrühmad väitsid, pole üllatav. Arvutused näitasid, et LIGO oli vaevalt gravitatsioonilainete tuvastamiseks vajalikul tundlikkuse lävel. Nii suleti 2010. aastal LIGO mitmesuguste versiooniuuenduste jaoks, mille maht ületas 200 miljonit dollarit, ja 2015. aasta sügisel lülitati sisse mitu korda tundlikum LIGO. Šokeerivalt, vähem kui kaks päeva hiljem, raputas ootamatu värisemine Louisiana detektorit ja seitse millisekundit hiljem tõmbus Washingtoni detektor peaaegu täpselt samamoodi. Õrna vibratsiooni muster vastas sellele, mida arvutisimulatsioonid ennustasid gravitatsioonilistele lainetele, mis tekivad koos kokkupõrkevate mustade aukude tiirlevate orbiitide viimaste visketega.
Minu sees asuv sõber, kes on vannutatud saladusele, kuid on nõus andma mitte nii peent vihjet, ütles mulle: "Kujutage vaid ette, et meie kõige metsikum unistus on teoks saanud." Kuid see oli gravitatsioonilise laine jackpoti löömine. mis andis teadlastele pausi. See oli peaaegu liiga täiuslik.
LIGO seade sõltub täpselt projekteeritud ja täiesti puhastest peeglitest. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Mõnekuulise intensiivse ja hoolika pingutusega uurida hoolikalt kõiki muid selgitusi, olgu need siis ka ebatõenäolised, ja ainult üks järeldus jäi seisma. Signaal oli tõeline. Sajand pärast seda, kui Einstein ennustas nende olemasolu, tähistas enam kui 1000 LIGO eksperimendil töötavat teadlast gravitatsioonilainete esimest otsest avastamist. Nad olid tabanud enam kui miljard aastat tagasi lahti lastud gravitatsioonilise tsunami hetkeseisu, tumeda ühinemise võimaluse kusagil sügavas lõunataevas.
Ametlik pressiteade 11. veebruaril Washingtonis DC oli elektriline. Minu enda asutuses, Columbia ülikoolis, pidime viima menetluse otseülekande ülikoolilinnaku ühte suurimasse kohta ja sarnaseid lugusid mängiti ülikoolides kogu maailmas. Lühikest hetke trügisid gravitatsioonilained presidendiprognoosi.
Põnevus oli õigustatud. Ajalugu vaatab avastusele tagasi ühena neist vähestest käändepunktidest, mis muudavad teaduse käiku. Alates esimesest inimesest taeva poole vaadates oleme uurinud universumit valguse lainete abil. Teleskoop suurendas seda võimet oluliselt ja koos sellega kohtasime uute kosmiliste maastike hiilgust. 20. sajandi jooksul laiendasime valgussignaalide liike - infrapuna-, raadio-, ultraviolett-, gamma- ja röntgenkiirgust -, mis tahes tüüpi valgust, kuid mille lainepikkus on väljaspool palja silmaga levilaiku. Ja nende uute proovide abil sai kosmiline maastik veelgi rikkamaks.
Gravitatsioonilained on täiesti teistsugused kosmilised sondid, millel on potentsiaal tuua veelgi dramaatilisemaid tagajärgi. Valgust saab blokeerida. Läbipaistmatu materjal, nagu aknavari, võib nähtava valguse blokeerida. Metallist puur võib blokeerida raadiolaineid. Gravitatsioon seevastu läbib kõik, praktiliselt muutumatuna.
Ja nii saame oma sondina gravitatsioonilainete abil uurida valgust, mis on valguse suhtes piiritlemata, näiteks kaootiline kosmoseaja rüselus, kui kaks musta auku põrkuvad, või võib-olla suure paugu enda metsik müristamine 13, 8 miljardit aastat tagasi. Juba on vaatlus kinnitanud mõtet, et mustad augud võivad moodustada kahendpaare. Veel tüütum on see, et võime leida tumeda maastiku, kus asustatud on asju, mida me pole veel ette kujutanud.
Kuna detektorite võrk kogu maailmas - Itaalias, Saksamaal, peagi Jaapanis ja tõenäoliselt Indias - koondab oma andmeid, loodetavasti liitub tulevikus kosmoses tegutseva tohutu detektoriga meie kosmoseproovivõttur veel ühe hiiglasliku hüppe. edasi. Mis on täiesti põnev. Pole midagi inspireerivamat kui meie võime keset meie pidevalt esinevaid maapealseid võitlusi otsida üles, imestada ning leidlikkusele ja pühendumusele näha natuke kaugemal.
**********
