Oscillationer i rymdtid upptäcktes ett sekel efter att de förutspåddes av Einstein. En ny era inom astronomi börjar.
Forskare kunde upptäcka fluktuationer i rymdtid orsakade av sammanslagning av svarta hål. Detta hände hundra år efter att Albert Einstein förutspådde dessa "gravitationsvågor" i sin allmänna relativitetsteori, och hundra år efter att fysiker började leta efter dem.
Denna landmärkeupptäckt rapporterades idag av forskare vid LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. De bekräftade rykten som hade omgiven analysen av den första uppsättningen data som de hade samlat in i flera månader. Astrofysiker säger att upptäckten av gravitationsvågor möjliggör en ny titt på universum och gör det möjligt att känna igen avlägsna händelser som inte kan ses med optiska teleskop, men du kan känna och till och med höra deras svaga skakningar når oss genom rymden.
”Vi har upptäckt gravitationella vågor. Vi gjorde det! tillkännagav David Reitze, verkställande direktör för 1 000 medlemmar i forskargruppen, talade idag vid en presskonferens i Washington vid National Science Foundation.
Gravitationsvågor är kanske det mest svårfångade fenomenet från Einsteins förutsägelser; forskaren diskuterade detta ämne med sina samtida i årtionden. Enligt hans teori bildar rum och tid sträckningsmaterial som böjs under påverkan av tunga föremål. Att känna tyngdkraft innebär att komma in i kurvorna för denna fråga. Men kan denna rymdtid darra som en trumskinn? Einstein var förvirrad, han visste inte vad hans ekvationer innebar. Och han ändrade upprepade gånger sin ståndpunkt. Men även de starkaste anhängarna av hans teori trodde att gravitationsvågorna var för svaga för att observeras ändå. De kaskader utåt efter vissa katastrofer, och när de rör sig sträcker sig växelvis och drar ihop rumstid. Men när dessa vågor når jorden,de sträcker sig och komprimerar varje kilometer utrymme med en liten bråkdel av diametern på en atomkärna.
LIGO observationsdetektor i Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Kampanjvideo:
Det krävde tålamod och försiktighet för att upptäcka dessa vågor. LIGO-observatoriet lanserade laserstrålar fram och tillbaka längs de fyra kilometer armbågarna i två detektorer i rät vinkel, en i Hanford, Washington och den andra i Livingston, Louisiana. Detta gjordes i sökande efter sammanfallande utvidgningar och sammandragningar av dessa system under passage av gravitationsvågor. Med hjälp av toppmoderna stabilisatorer, vakuuminstrument och tusentals sensorer mätte forskarna förändringar i längden på dessa system, uppgående till endast en tusendel av protonens storlek. En sådan känslighet hos instrument var otänkbar för hundra år sedan. Det verkade också otroligt 1968, när Rainer Weiss från Massachusetts Institute of Technology utvecklade ett experiment som heter LIGO.
”Det är ett stort mirakel att de till slut lyckades. De kunde upptäcka dessa små vibrationer! - sa den teoretiska fysikern vid University of Arkansas, Daniel Kennefick, som 2007 skrev boken Resa med tankehastighet: Einstein och jakten på gravitationella vågor.
Denna upptäckt markerade början på en ny era inom gravitationell vågastronomi. Man hoppas att vi kommer att ha mer exakta idéer om svarta håls bildande, sammansättning och galaktiska roll - dessa supertäta masskulor som förvränger rymdtiden så dramatiskt att även ljus inte kan fly därifrån. När svarta hål kommer nära varandra och smälter samman, genererar de en impulssignal - rymd-tidsvängningar som ökar i amplitud och ton och slutar sedan plötsligt. Signalerna som kan spelas in av observatoriet ligger inom ljudområdet - de är dock för svaga för att bli hörda av det nakna örat. Du kan återskapa detta ljud genom att dra fingrarna över pianotangenterna. "Börja vid den lägsta tonen och arbeta upp till den tredje oktaven," sa Weiss. "Det här är vad vi hör."
Fysiker är redan förvånade över antalet och styrkan hos signaler som har spelats in just nu. Det betyder att det finns fler svarta hål i världen än vad vi tidigare trodde. "Vi har tur, men jag har alltid räknat med sådan tur", säger Caltechs astrofysiker Kip Thorne, som skapade LIGO med Weiss och Ronald Drever, som också är från Caltech. "Detta händer vanligtvis när ett helt nytt fönster öppnas i universum."
Efter att ha avlyssnat gravitationsvågor kan vi bilda helt andra idéer om rymden, och kanske kommer vi att upptäcka otänkbara kosmiska fenomen.
"Jag kan jämföra detta med det ögonblick vi först pekade ett teleskop mot himlen", säger den teoretiska astrofysikern Janna Levin från Barnard College, Columbia University. "Människor insåg att det fanns något där, och du kan se det, men de kunde inte förutsäga den otroliga uppsättningen möjligheter som finns i universum." På samma sätt, konstaterade Levin, upptäckten av gravitationsvågor kan visa att universum är "fullt av mörk materia som vi inte bara kan upptäcka med ett teleskop."
Historien om upptäckten av den första gravitationsvågen började på måndag morgon i september och började med ett klapp. Signalen var så tydlig och hög att Weiss tänkte: "Nej, det här är nonsens, det kommer ingenting att bli."
Intensitet av känslor
Denna första gravitationsvåg svepte över de uppgraderade LIGO-detektorerna - först i Livingston och sju millisekunder senare i Hanford - under en simulerad körning tidigt på morgonen den 14 september, två dagar innan den officiella datainsamlingen startade.
Detektorerna "kördes in" efter en femårig uppgradering som kostade 200 miljoner dollar. De är utrustade med nya speglar för brusreducering och ett aktivt återkopplingssystem för att dämpa främmande vibrationer i realtid. Uppgraderingen gav det uppgraderade observatoriet en högre känslighet än den gamla LIGO, som fann "absolut och ren noll", som Weiss uttryckte det, mellan 2002 och 2010.
När den starka signalen kom i september började forskare i Europa, där det var morgon i det ögonblicket, snabbt bombardera sina amerikanska kollegor med e-post. När resten av gruppen vaknade sprids nyheterna väldigt snabbt. Nästan alla var skeptiska till detta, sa Weiss, särskilt när de såg signalen. Det var en riktig läroboksklassiker, och så tyckte vissa att det var falskt.
Missuppfattningar i sökandet efter gravitationella vågor har upprepats många gånger sedan slutet av 1960-talet, när Joseph Weber från University of Maryland trodde att han hade hittat resonanta vibrationer i en aluminiumcylinder med sensorer som svar på vågor. År 2014 ägde ett experiment som heter BICEP2 rum, enligt de resultat som det tillkännagavs att de ursprungliga gravitationsvågorna upptäcktes - rymdtidssvängningarna från Big Bang, som nu har sträckt ut och permanent frusit i universums geometri. Forskare från BICEP2-teamet meddelade sin upptäckt med stor fanfare, men sedan verifierades resultaten oberoende, under vilka det visade sig att de hade fel och att denna signal kom från kosmiskt damm.
När Arizona State University-kosmolog Lawrence Krauss hörde talas om upptäckten av LIGO-teamet, trodde han först att det var en "blind grej". Under driften av det gamla observatoriet infördes simulerade signaler i hemlighet i dataströmmar för att kontrollera svaret, och de flesta av teamet visste inte om det. När Krauss lärde sig från en kunnig källa att den här gången inte var en "blind stoppning", kunde han knappast innehålla sin glada upphetsning.
Den 25 september twittrade han till sina 200 000 Twitter-anhängare:”Rykten om en gravitationsvåg upptäcktes på LIGO-detektorn. Fantastiskt om det är sant. Jag ger dig detaljerna, om det inte är ett lindeträd. " Detta följs av ett bidrag från 11 januari:”Tidigare rykten om LIGO bekräftas av oberoende källor. Följ nyheterna. Kanske upptäcks gravitationsvågor!"
Forskarnas officiella ståndpunkt var följande: sprid inte om den mottagna signalen förrän det finns hundra procent säkerhet. Thorne, bunden hand och fot av detta åtagande om hemlighet, sa inte ens någonting till sin fru.”Jag firade ensam,” sa han. Till att börja med bestämde sig forskarna för att gå tillbaka till början och analysera allt till minsta detalj för att ta reda på hur signalen sprids genom tusentals mätkanaler för olika detektorer och för att förstå om det var något konstigt just nu när signalen upptäcktes. De hittade ingenting ovanligt. De eliminerade också hackarna som borde ha vetat bäst om de tusentals dataströmmarna i experimentet. "Även när laget kastar in, är de inte perfekta och lämnar många fotspår i deras kölvatten", säger Thorne. "Och det fanns inga spår här."
Under veckorna som följde hörde de en annan, svagare signal.
Forskare analyserade de två första signalerna och de fick mer och mer. I januari presenterade de sina forskningspapper i Physical Review Letters. Denna fråga finns på Internet idag. Enligt deras uppskattningar överstiger den statistiska signifikansen för den första, mest kraftfulla signalen "5-sigma", vilket innebär att forskare är 99,9999% säkra på dess äkthet.
Lyssna på gravitationen
Einsteins ekvationer av allmän relativitet är så komplexa att det tog de flesta fysiker 40 år att komma överens: ja, gravitationsvågor finns och kan detekteras - även teoretiskt.
Först trodde Einstein att föremål inte kunde frigöra energi i form av gravitationsstrålning, men sedan ändrade han sin synvinkel. I sitt historiska arbete, skrivet 1918, visade han vilka objekt som kan göra detta: hantelformade system som samtidigt roterar runt två axlar, till exempel binärer och supernovor som exploderar som smällare. Det är de som kan generera vågor i rymdtid.
Datormodell som illustrerar gravitationsvågor i solsystemet
Foto: REUTERS, utdelning
Men Einstein och hans kollegor fortsatte att tveka. Vissa fysiker har hävdat att även om det finns vågor kommer världen att vibrera med dem och det kommer att vara omöjligt att känna dem. Det var först 1957 som Richard Feynman stängde frågan genom att i ett tankeexperiment visa att om gravitationsvågor finns kan de teoretiskt upptäckas. Men ingen visste hur vanliga dessa hantelsystem var i yttre rymden eller hur starka eller svaga de resulterande vågorna var. "I slutändan var frågan: kommer vi någonsin att kunna hitta dem?" Sa Kennefick.
1968 var Rainer Weiss en ung professor vid Massachusetts Institute of Technology och fick i uppdrag att undervisa en kurs i allmän relativitet. Som en experimentare visste han lite om det, men plötsligt kom nyheter om Webers upptäckt av gravitationsvågor. Weber byggde tre resonansdetektorer på skrivbordstyp av aluminium och placerade dem i olika amerikanska stater. Nu sa han att alla tre detektorerna spelade in "ljudet av gravitationella vågor."
Weisss studenter ombads att förklara gravitationsvågornas natur och uttrycka sin åsikt om det meddelande som lät. Han studerade detaljerna och blev förvånad över komplexiteten i de matematiska beräkningarna.”Jag kunde inte ta reda på vad i helvete Weber gjorde, hur sensorerna interagerar med gravitationsvågen. Jag satt länge och frågade mig själv:”Vad är det mest primitiva jag kan tänka mig för att upptäcka gravitationsvågor?” Och då kom en idé till mig, som jag kallar den konceptuella grunden för LIGO.”
Föreställ dig tre objekt i rymdtid, säg speglar i hörnen av en triangel. "Skicka en ljussignal från den ena till den andra", sa Weber. "Se hur lång tid det tar att flytta från en massa till en annan och kontrollera om tiden har förändrats." Det visar sig, konstaterade forskaren, att detta kan göras snabbt.”Jag anförtros detta till mina studenter som ett vetenskapligt uppdrag. Bokstavligen kunde hela gruppen göra dessa beräkningar."
Under de följande åren, när andra forskare försökte replikera resultaten av Webers experiment med en resonansdetektor, men ständigt misslyckades (det är inte klart vad han observerade, men dessa var inte gravitationsvågor), började Weiss förbereda ett mycket mer exakt och ambitiöst experiment: gravitationsvåginterferometern. Laserstrålen studsar av tre L-formade speglar för att bilda två strålar. Avståndet mellan topparna och trågarna för ljusvågor visar exakt längden på "G" -knäna som skapar X- och Y-axlarna för rymdtid. När vågen är stilla studsar de två ljusvågorna ut ur hörnen och avbryter varandra. Signalen i detektorn är noll. Men om en gravitationsvåg passerar genom jorden sträcker den längden på ena armen av bokstaven "G" och komprimerar längden på den andra (och vice versa i sin tur). Ojämnheten mellan de två ljusstrålarna skapar en signal i detektorn som visar små variationer i rymdtid.
Först var andra fysiker skeptiska, men snart fann experimentet stöd hos Thorne, vars grupp teoretiker från Caltech undersökte svarta hål och andra potentiella källor till gravitationella vågor, liksom de signaler de genererar. Thorne inspirerades av Webers experiment och liknande ansträngningar av ryska forskare. Efter att ha talat 1975 på en konferens med Weiss, "började jag tro att detekteringen av gravitationsvågor skulle vara framgångsrik", sa Thorne. "Och jag ville att Caltech också skulle vara med på detta." Han avtalade med institutet att anställa den skotska experimenteraren Ronald Driever, som också meddelade att han skulle bygga en gravitationsvåginterferometer. Med tiden började Thorne, Driver och Weiss arbeta som ett team, var och en av dem löste sin egen andel av otaliga problem som förberedelse för ett praktiskt experiment. Trion bildade LIGO 1984, och när prototyper byggdes och ett växande team började fick de 100 miljoner dollar i finansiering från National Science Foundation i början av 1990-talet. Ritningar ritades för att bygga ett par gigantiska L-formade detektorer. Ett decennium senare började detektorerna arbeta.
I Hanford och Livingston, i mitten av var och en av detektorns fyra kilometer böjningar, finns ett vakuum, tack vare vilket lasern, dess stråle och speglar maximalt isoleras från planetens konstanta vibrationer. För att försäkra ännu mer övervakar LIGO-forskare sina detektorer under drift med tusentals instrument och mäter allt de kan: seismisk aktivitet, atmosfärstryck, blixtar, kosmiska strålar, vibrationer i utrustningen, ljud i laserstrålens område och så vidare. De filtrerar sedan bort dessa främmande bakgrundsbrus från sina data. Det viktigaste är kanske att de har två detektorer, och detta gör att du kan jämföra de mottagna uppgifterna och kontrollera dem om det finns sammanfallande signaler.
Inuti det vakuum som skapas, även när lasrarna och speglarna är helt isolerade och stabiliserade, "händer konstiga saker hela tiden", säger Marco Cavaglià, biträdande talesman för LIGO-projektet. Forskare måste spåra dessa "guldfiskar", "spöken", "obegripliga havsmonster" och andra främmande vibrationsfenomen, ta reda på källan för att eliminera den. Ett svårt fall inträffade under valideringsfasen, säger Jessica McIver, en forskare med LIGO-teamet, som studerar sådana yttre signaler och störningar. En serie periodiska enstaka frekvensljud uppträdde ofta i data. När hon och hennes kollegor konverterade speglarnas vibrationer till ljudfiler, "ringde telefonen tydligt", sa McIver. "Det visade sigatt det var annonsörerna för kommunikation som ringde via telefon inne i laserrummet.
Under de närmaste två åren kommer forskare att fortsätta förbättra känsligheten hos detektorerna i det moderniserade laserinterferometriska gravitationella vågobservatoriet LIGO. Och i Italien kommer en tredje interferometer, kallad Advanced Virgo, att börja arbeta. Ett svar som de erhållna uppgifterna hjälper till är hur svarta hål bildas. Är de resultatet av kollapsen av de tidigaste massiva stjärnorna, eller är de resultatet av kollisioner i täta stjärnkluster? "Det här är bara två antaganden, jag antar att det kommer att bli fler när alla blir lugna", säger Weiss. När LIGO börjar samla in ny statistik under sitt kommande arbete kommer forskare att börja lyssna på berättelser om ursprunget till svarta hål som rymden viskar till dem.
Att döma av dess form och storlek härrörde den första, högst pulsade signalen från 1,3 miljarder ljusår varifrån, efter en evighet av långsam dans, under påverkan av ömsesidig gravitationell attraktion, två svarta hål, vardera cirka 30 gånger solmassan, slutligen slogs samman. Svarta hål cirklade snabbare och snabbare, som en bubbelpool, som gradvis kom närmare. Sedan skedde en sammanslagning, och på ett ögonblick släppte de gravitationsvågor med en energi som var jämförbar med den för tre solar. Denna fusion blev det kraftfullaste energiska fenomen som någonsin registrerats.
"Det är som om vi aldrig har sett havet under en storm", sa Thorne. Han har väntat på denna storm i rymdtid sedan 1960-talet. Känslan Thorne upplevde när vågorna rullade in var inte precis spänning, säger han. Det var något annat: en känsla av djupaste tillfredsställelse.