Oscylacje w czasoprzestrzeni odkryto sto lat po ich przewidywaniu przez Einsteina. Rozpoczyna się nowa era w astronomii.
Naukowcom udało się wykryć fluktuacje czasoprzestrzeni spowodowane łączeniem się czarnych dziur. Stało się to sto lat po tym, jak Albert Einstein przewidział te „fale grawitacyjne” w swojej ogólnej teorii względności i sto lat po tym, jak fizycy zaczęli ich szukać.
To przełomowe odkrycie zostało dzisiaj zgłoszone przez naukowców z LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Potwierdzili plotki, które towarzyszyły analizie pierwszego zestawu danych, które gromadzili od miesięcy. Astrofizycy twierdzą, że odkrycie fal grawitacyjnych pozwala na nowe spojrzenie na wszechświat i pozwala rozpoznać odległe zdarzenia, których nie można zobaczyć w teleskopach optycznych, ale można poczuć, a nawet usłyszeć ich słabe drżenie docierające do nas w przestrzeni.
„Wykryliśmy fale grawitacyjne. Zrobiliśmy to! ogłosił David Reitze, dyrektor wykonawczy 1000-osobowego zespołu badawczego, przemawiając dziś na konferencji prasowej w Waszyngtonie w National Science Foundation.
Fale grawitacyjne są prawdopodobnie najbardziej nieuchwytnym zjawiskiem z przewidywań Einsteina; naukowiec omawiał ten temat ze swoimi współczesnymi przez dziesięciolecia. Zgodnie z jego teorią, przestrzeń i czas tworzą rozciągającą się materię, która ugina się pod wpływem ciężkich obiektów. Poczucie grawitacji oznacza wejście w zakręty tej materii. Ale czy ta czasoprzestrzeń może drżeć jak skóra bębna? Einstein był zdezorientowany, nie wiedział, co oznaczają jego równania. I wielokrotnie zmieniał swój punkt widzenia. Ale nawet najbardziej zagorzali zwolennicy jego teorii uważali, że fale grawitacyjne są i tak zbyt słabe, aby można je było zaobserwować. Po pewnych kataklizmach wypływają kaskadą na zewnątrz, a poruszając się, naprzemiennie rozciągają się i kurczą czasoprzestrzeń. Ale zanim te fale dotrą do Ziemi,rozciągają i ściskają każdy kilometr przestrzeni o niewielki ułamek średnicy jądra atomowego.
Detektor obserwatorium LIGO w Hanford w stanie Waszyngton
Zdjęcie: REUTERS, Hangout
Film promocyjny:
Wykrycie tych fal wymagało cierpliwości i ostrożności. Obserwatorium LIGO wystrzeliło wiązki laserowe tam iz powrotem wzdłuż czterokilometrowych, prostokątnych łuków dwóch detektorów, jednego w Hanford w stanie Waszyngton, a drugiego w Livingston w Luizjanie. Dokonano tego w poszukiwaniu zbieżnych ekspansji i skurczów tych układów podczas przejścia fal grawitacyjnych. Korzystając z najnowocześniejszych stabilizatorów, przyrządów próżniowych i tysięcy czujników, naukowcy zmierzyli zmiany w długości tych układów, odpowiadające zaledwie jednej tysięcznej wielkości protonu. Taka wrażliwość instrumentów była nie do pomyślenia sto lat temu. Wydawało się to również niewiarygodne w 1968 roku, kiedy Rainer Weiss z Massachusetts Institute of Technology wymyślił eksperyment nazwany LIGO.
„To wielki cud, że w końcu im się udało. Byli w stanie wykryć te drobne wibracje! - powiedział fizyk teoretyczny z University of Arkansas, Daniel Kennefick, który w 2007 roku napisał książkę Podróżowanie z prędkością myśli: Einstein i poszukiwanie fal grawitacyjnych (Podróżowanie z prędkością myśli. Einstein i poszukiwanie fal grawitacyjnych).
Odkrycie to zapoczątkowało nową erę w astronomii fal grawitacyjnych. Mamy nadzieję, że będziemy mieć dokładniejsze wyobrażenia o powstawaniu, składzie i galaktycznej roli czarnych dziur - tych supergęstych kul, które zniekształcają czasoprzestrzeń tak dramatycznie, że nawet światło nie może stamtąd uciec. Kiedy czarne dziury zbliżają się do siebie i łączą, generują sygnał impulsowy - oscylacje czasoprzestrzenne, które zwiększają amplitudę i ton, a następnie gwałtownie się kończą. Sygnały, które może zarejestrować obserwatorium, znajdują się w zakresie audio - są jednak zbyt słabe, aby je usłyszeć gołym uchem. Możesz odtworzyć ten dźwięk, przesuwając palcami po klawiszach fortepianu. „Zacznij od najniższego dźwięku i przejdź do trzeciej oktawy” - powiedział Weiss. „Oto, co słyszymy”.
Fizycy są już zdumieni liczbą i siłą sygnałów, które zostały w tej chwili zarejestrowane. Oznacza to, że na świecie jest więcej czarnych dziur, niż wcześniej sądzono. „Mamy szczęście, ale zawsze liczyłem na takie szczęście” - powiedział astrofizyk Caltech, Kip Thorne, który stworzył LIGO wraz z Weissem i Ronaldem Dreverem, którzy również pochodzą z Caltech. „Dzieje się tak zazwyczaj, gdy we wszechświecie otwiera się zupełnie nowe okno”.
Podsłuchiwszy fale grawitacyjne, możemy sformułować zupełnie inne wyobrażenia o przestrzeni i być może odkryjemy niewyobrażalne zjawiska kosmiczne.
„Mogę to porównać do momentu, kiedy po raz pierwszy skierowaliśmy teleskop w niebo” - powiedziała astrofizyk teoretyczna Janna Levin z Barnard College na Columbia University. „Ludzie zdali sobie sprawę, że coś tam jest i możesz to zobaczyć, ale nie mogli przewidzieć niesamowitego zestawu możliwości, które istnieją we wszechświecie”. Podobnie, zauważył Levin, odkrycie fal grawitacyjnych może pokazać, że wszechświat jest „pełen ciemnej materii, której nie możemy po prostu wykryć za pomocą teleskopu”.
Historia odkrycia pierwszej fali grawitacyjnej rozpoczęła się w poniedziałek rano we wrześniu i zaczęła się od brawa. Sygnał był tak wyraźny i głośny, że Weiss pomyślał: „Nie, to nonsens, nic z tego nie wyjdzie”.
Intensywność emocji
Ta pierwsza fala grawitacyjna przetoczyła się przez zmodernizowane detektory LIGO - najpierw w Livingston, a siedem milisekund później w Hanford - podczas symulowanego biegu wczesnym rankiem 14 września, dwa dni przed oficjalnym rozpoczęciem zbierania danych.
Detektory były „docierane” po pięcioletniej modernizacji, która kosztowała 200 milionów dolarów. Są wyposażone w nowe lusterka do redukcji szumów i aktywny system sprzężenia zwrotnego do tłumienia obcych wibracji w czasie rzeczywistym. Modernizacja dała zmodernizowanemu obserwatorium wyższy poziom czułości niż stare LIGO, które w latach 2002–2010 wskazywało „absolutne i czyste zero”, jak to ujął Weiss.
Gdy we wrześniu nadszedł silny sygnał, naukowcy w Europie, gdzie w tym momencie był ranek, zaczęli pospiesznie bombardować e-mailami swoich amerykańskich kolegów. Kiedy reszta grupy się obudziła, wiadomość rozeszła się bardzo szybko. Prawie wszyscy byli co do tego sceptyczni, powiedział Weiss, zwłaszcza gdy zobaczyli sygnał. To był prawdziwy podręcznikowy klasyk, więc niektórzy myśleli, że to podróbka.
Błędne przekonania w poszukiwaniu fal grawitacyjnych były powtarzane wielokrotnie od późnych lat 60. XX wieku, kiedy Joseph Weber z University of Maryland sądził, że odkrył drgania rezonansowe w aluminiowym cylindrze z czujnikami reagującymi na fale. W 2014 roku odbył się eksperyment o nazwie BICEP2, w wyniku którego ogłoszono, że wykryto pierwotne fale grawitacyjne - oscylacje czasoprzestrzenne z Wielkiego Wybuchu, które teraz rozciągają się i trwale zamarzają w geometrii wszechświata. Naukowcy z zespołu BICEP2 ogłosili swoje odkrycie z wielką pompą, ale potem ich wyniki zostały niezależnie zweryfikowane, podczas których okazało się, że się mylili, a sygnał ten pochodzi z kosmicznego pyłu.
Kiedy kosmolog z Arizona State University Lawrence Krauss usłyszał o odkryciu zespołu LIGO, po raz pierwszy pomyślał, że to „ślepa rzecz”. Podczas pracy starego obserwatorium symulowane sygnały były potajemnie wprowadzane do strumieni danych w celu sprawdzenia odpowiedzi, a większość zespołu nie wiedziała o tym. Kiedy Krauss dowiedział się od znającego się na rzeczy źródła, że tym razem nie był to „ślepy farsz”, z trudem mógł powstrzymać radosne podniecenie.
25 września napisał na Twitterze do swoich 200 000 obserwujących: „Pogłoski o fali grawitacyjnej wykrytej w detektorze LIGO. Niesamowite, jeśli to prawda. Podam ci szczegóły, jeśli to nie jest lipa. " Następnie pojawia się wpis z 11 stycznia: „Wcześniejsze plotki o LIGO potwierdzają niezależne źródła. Śledź wiadomości. Być może odkryto fale grawitacyjne!"
Oficjalne stanowisko naukowców było następujące: nie rozpowiadajcie o odebranym sygnale, dopóki nie będzie stuprocentowej pewności. Thorne, związany tym zobowiązaniem do zachowania tajemnicy, nawet nie powiedział nic swojej żonie. „Świętowałem sam” - powiedział. Na początek naukowcy postanowili cofnąć się do samego początku i przeanalizować wszystko w najdrobniejszych szczegółach, aby dowiedzieć się, w jaki sposób sygnał rozchodził się przez tysiące kanałów pomiarowych różnych detektorów i dowiedzieć się, czy w momencie wykrycia sygnału było coś dziwnego. Nie znaleźli nic niezwykłego. Wyeliminowali także hakerów, którzy powinni byli wiedzieć najlepiej o tysiącach strumieni danych w eksperymencie. „Nawet gdy zespół się do tego włącza, nie są wystarczająco doskonali i zostawiają po sobie wiele śladów” - powiedział Thorne. „I nie było tu żadnych śladów”.
W następnych tygodniach usłyszeli kolejny, słabszy sygnał.
Naukowcy przeanalizowali pierwsze dwa sygnały i otrzymywali coraz więcej. W styczniu przedstawili swoje prace badawcze w Physical Review Letters. Ten numer jest dziś dostępny w Internecie. Według ich szacunków istotność statystyczna pierwszego, najpotężniejszego sygnału przekracza „5-sigma”, co oznacza, że badacze są na 99,9999% pewni jego autentyczności.
Słuchanie grawitacji
Równania Einsteina ogólnej teorii względności są tak złożone, że większości fizyków potrzebowało 40 lat, aby się z nimi zgodzić: tak, fale grawitacyjne istnieją i można je wykryć - nawet teoretycznie.
Początkowo Einstein myślał, że obiekty nie mogą uwolnić energii w postaci promieniowania grawitacyjnego, ale potem zmienił swój punkt widzenia. W swojej pracy historycznej, napisanej w 1918 roku, pokazał, jakie obiekty mogą to zrobić: układy w kształcie hantli, które obracają się jednocześnie wokół dwóch osi, na przykład układy podwójne i supernowe, które eksplodują jak petardy. To oni mogą generować fale w czasoprzestrzeni.
Model komputerowy ilustrujący naturę fal grawitacyjnych w Układzie Słonecznym
Zdjęcie: REUTERS, Handout
Ale Einstein i jego koledzy nadal się wahali. Niektórzy fizycy argumentowali, że nawet jeśli istnieją fale, świat będzie wibrował wraz z nimi i nie będzie można ich poczuć. Dopiero w 1957 roku Richard Feynman zamknął tę kwestię, wykazując w eksperymencie myślowym, że jeśli istnieją fale grawitacyjne, to teoretycznie można je wykryć. Ale nikt nie wiedział, jak powszechne były te systemy hantli w przestrzeni kosmicznej ani jak silne lub słabe były powstałe fale. „Ostatecznie pytanie brzmiało: czy możemy je kiedykolwiek znaleźć?” Powiedział Kennefick.
W 1968 roku Rainer Weiss był młodym profesorem w Massachusetts Institute of Technology i został przydzielony do poprowadzenia kursu z ogólnej teorii względności. Jako eksperymentator niewiele wiedział o tym, ale nagle pojawiła się wiadomość o odkryciu fal grawitacyjnych przez Webera. Weber zbudował trzy detektory rezonansu wielkości biurka z aluminium i umieścił je w różnych stanach Ameryki. Teraz powiedział, że wszystkie trzy detektory zarejestrowały „dźwięk fal grawitacyjnych”.
Uczniowie Weissa zostali poproszeni o wyjaśnienie natury fal grawitacyjnych i wyrażenie opinii na temat brzmiącej wiadomości. Studiując szczegóły, był zdumiony złożonością obliczeń matematycznych. „Nie mogłem się dowiedzieć, co do cholery robi Weber, jak czujniki oddziałują na falę grawitacyjną. Siedziałem przez długi czas i zadawałem sobie pytanie: „Jaka jest najbardziej prymitywna rzecz, jaką mogę wymyślić, aby wykryć fale grawitacyjne?” I wtedy przyszedł mi do głowy pomysł, który nazywam koncepcyjną podstawą LIGO.”
Wyobraź sobie trzy obiekty w czasoprzestrzeni, powiedzmy, lustra w rogach trójkąta. - Wyślij sygnał świetlny od jednego do drugiego - powiedział Weber. „Zobacz, ile czasu zajmie przejście z jednej masy do drugiej i sprawdź, czy czas się zmienił”. Okazuje się, jak zauważył naukowiec, że można to zrobić szybko. „Powierzyłem to moim studentom jako zadanie naukowe. Dosłownie cała grupa była w stanie wykonać te obliczenia”.
W kolejnych latach, gdy inni badacze próbowali powtórzyć wyniki eksperymentu Webera z detektorem rezonansowym, ale bezustannie kończyło się to niepowodzeniem (nie jest jasne, co obserwował, ale nie były to fale grawitacyjne), Weiss zaczął przygotowywać znacznie dokładniejszy i ambitniejszy eksperyment: interferometr fal grawitacyjnych. Wiązka laserowa odbija się od trzech luster w kształcie litery L, tworząc dwie wiązki. Rozmieszczenie szczytów i dolin fal świetlnych dokładnie wskazuje długość kolan „G”, które tworzą osie X i Y czasoprzestrzeni. Gdy waga jest nieruchoma, dwie fale świetlne odbijają się od rogów i znoszą się nawzajem. Sygnał w detektorze wynosi zero. Ale jeśli fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię, rozciąga długość jednego ramienia litery „G” i ściska długość drugiego (i odwrotnie). Niedopasowanie dwóch wiązek światła powoduje powstanie w detektorze sygnału, wykazującego niewielkie wahania czasoprzestrzeni.
Początkowo koledzy fizycy byli sceptyczni, ale wkrótce eksperyment znalazł poparcie w osobie Thorn, której grupa teoretyków z Caltech badała czarne dziury i inne potencjalne źródła fal grawitacyjnych, a także generowane przez nie sygnały. Thorne został zainspirowany eksperymentem Webera i podobnymi wysiłkami rosyjskich naukowców. Po przemówieniu w 1975 roku na konferencji z Weissem: „Zacząłem wierzyć, że wykrywanie fal grawitacyjnych zakończy się sukcesem” - powiedział Thorne. „I chciałem, żeby Caltech też się w to zaangażował”. Umówił się z instytutem, aby zatrudnić szkockiego eksperymentatora Ronalda Drievera, który również ogłosił, że zbuduje interferometr fal grawitacyjnych. Z biegiem czasu Thorne, Driver i Weiss zaczęli pracować jako zespół, każdy z nich sam rozwiązując niezliczone problemy, przygotowując się do praktycznego eksperymentu. Trio utworzyło LIGO w 1984 r., A kiedy zbudowano prototypy i rosnący zespół zaczął współpracować, na początku lat 90. otrzymali 100 milionów dolarów od National Science Foundation. Przygotowano plany budowy pary gigantycznych detektorów w kształcie litery L. Dziesięć lat później detektory zaczęły działać.
W Hanford i Livingston w centrum każdego z czterokilometrowych zakrętów detektorów znajduje się próżnia, dzięki czemu laser, jego wiązka i zwierciadła są maksymalnie odizolowane od ciągłych drgań planety. Aby zapewnić jeszcze więcej, naukowcy LIGO monitorują swoje detektory podczas ich pracy za pomocą tysięcy instrumentów, mierząc wszystko, co mogą: aktywność sejsmiczną, ciśnienie atmosferyczne, wyładowania atmosferyczne, promieniowanie kosmiczne, wibracje sprzętu, dźwięki w obszarze wiązki lasera i tak dalej. Następnie odfiltrowują ten niechciany szum tła ze swoich danych. Być może najważniejsze jest to, że mają dwa detektory, a to pozwala porównać odebrane dane, sprawdzając je pod kątem obecności pokrywających się sygnałów.
W wytworzonej próżni, nawet gdy lasery i lustra są całkowicie odizolowane i ustabilizowane, „przez cały czas dzieją się dziwne rzeczy” - mówi Marco Cavaglià, zastępca rzecznika prasowego projektu LIGO. Naukowcy muszą wyśledzić te „złote rybki”, „duchy”, „niezrozumiałe potwory morskie” i inne obce zjawiska wibracyjne, aby znaleźć ich źródło, aby je wyeliminować. Jeden trudny przypadek miał miejsce na etapie walidacji, powiedziała Jessica McIver, naukowiec z zespołu LIGO, który bada takie obce sygnały i interferencje. W danych często pojawiały się serie okresowych dźwięków o pojedynczej częstotliwości. Kiedy ona i jej koledzy zamieniali wibracje lusterek na pliki audio, „telefon wyraźnie dzwonił” - powiedział McIver. Okazało sięże to reklamodawcy komunikacji dzwonili przez telefon w pokoju laserowym”.
W ciągu najbliższych dwóch lat naukowcy będą kontynuować doskonalenie czułości detektorów zmodernizowanego Laserowego Interferometrycznego Obserwatorium Fali Grawitacyjnych LIGO. We Włoszech trzeci interferometr o nazwie Advanced Virgo zacznie działać. Jedną z odpowiedzi, której pomogą uzyskane dane, jest sposób powstawania czarnych dziur. Czy są one wynikiem zapadania się najwcześniejszych masywnych gwiazd, czy też są wynikiem zderzeń w gęstych gromadach gwiazd? „To tylko dwa założenia, przypuszczam, że będzie ich więcej, gdy wszyscy się uspokoją” - mówi Weiss. Gdy LIGO zacznie gromadzić nowe statystyki w trakcie swoich nadchodzących prac, naukowcy zaczną słuchać opowieści o pochodzeniu czarnych dziur, które kosmos będzie im szeptał.
Pod względem kształtu i rozmiaru, pierwszy, najgłośniejszy sygnał pulsacyjny pochodził z 1,3 miliarda lat świetlnych, skąd, po wiecznym powolnym tańcu, pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego, ostatecznie połączyły się dwie czarne dziury, każda o masie około 30 razy większej od Słońca. Czarne dziury krążyły coraz szybciej, jak wir, stopniowo zbliżając się. Potem nastąpiło połączenie iw mgnieniu oka uwolnili fale grawitacyjne o energii porównywalnej z energią trzech Słońc. Ta fuzja stała się najpotężniejszym zjawiskiem energetycznym, jakie kiedykolwiek zarejestrowano.
„To tak, jakbyśmy nigdy nie widzieli oceanu podczas burzy” - powiedział Thorne. Czekał na tę burzę w czasoprzestrzeni od lat sześćdziesiątych XX wieku. Mówi, że uczucie, którego Thorne doświadczył, gdy nadciągały fale, nie było podekscytowaniem. To było coś innego: uczucie najgłębszej satysfakcji.