Nihanja v prostoru-času so bila odkrita stoletje po tem, ko jih je napovedal Einstein. Začne se novo obdobje v astronomiji.
Znanstveniki so lahko zaznali nihanja v prostoru-času, ki jih je povzročilo združevanje črnih lukenj. To se je zgodilo sto let po tem, ko je Albert Einstein napovedal te "gravitacijske valove" v svoji splošni teoriji relativnosti in sto let po tem, ko so jih fiziki začeli iskati.
O tem odkritju so danes poročali raziskovalci v Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Potrdili so govorice, ki so obkrožale analizo prvega niza podatkov, ki so jih zbirali mesece. Astrofiziki pravijo, da nam odkritje gravitacijskih valov omogoča pogled na vesolje na nov način in omogoča prepoznavanje oddaljenih dogodkov, ki jih ni mogoče videti v optičnih teleskopih, lahko pa čutite in celo slišite njihove šibke tresljaje, ki nas dosežejo skozi vesolje.
»Zaznali smo gravitacijske valove. Uspelo nam je! je danes na novinarski konferenci v Washingtonu pri Nacionalni znanstveni fundaciji nastopil izvršni direktor 1000-članske raziskovalne skupine David Reitze.
Gravitacijski valovi so morda najbolj izmuzljiv pojav iz Einsteinovih napovedi, o tej temi je znanstvenik desetletja razpravljal s svojimi sodobniki. Po njegovi teoriji prostor in čas tvorita raztegovalno snov, ki se upogne pod vplivom težkih predmetov. Občutiti gravitacijo pomeni priti v krivulje te snovi. Toda ali lahko ta prostor-čas trepeta kot koža bobna? Einstein je bil zmeden, ni vedel, kaj pomenijo njegove enačbe. In večkrat je spremenil svoje stališče. Toda tudi najbolj odločni zagovorniki njegove teorije so verjeli, da so gravitacijski valovi tako ali tako prešibki. Kaskadirajo se navzven po določenih kataklizmah in se med premikanjem izmenično raztezajo in krčijo prostor-čas. Toda ko ti valovi dosežejo Zemljo,raztezajo se in stisnejo vsak kilometer prostora za majhen del premera atomskega jedra.
Opazovalni detektor LIGO v Hanfordu v Washingtonu
Foto: REUTERS, pogovor Hangout
Promocijski video:
Za odkrivanje teh valov je bilo treba potrpljenje in previdnost. Observatorij LIGO je izstrelil laserske žarke naprej in nazaj po štiri kilometre dolgih pravokotnih ovinkih dveh detektorjev, enega v Hanfordu v Washingtonu in drugega v Livingstonu v Louisiani. To je bilo storjeno v iskanju sovpadajočih se razširitev in krčenja teh sistemov med prehodom gravitacijskih valov. Z uporabo najsodobnejših stabilizatorjev, vakuumskih instrumentov in na tisoče senzorjev so znanstveniki izmerili spremembe v dolžini teh sistemov, ki so znašale le tisočinko velikosti protona. Takšna občutljivost instrumentov je bila pred sto leti nepredstavljiva. Neverjetno se je zdelo tudi leta 1968, ko je Rainer Weiss z Massachusetts Institute of Technology zasnoval eksperiment, imenovan LIGO.
»Velik čudež je, da jim je na koncu uspelo. Te majhne vibracije so lahko zaznali! - je dejal teoretični fizik z Univerze v Arkansasu Daniel Kennefick, ki je leta 2007 napisal knjigo Potovanje s hitrostjo misli: Einstein in iskanje gravitacijskih valov.
To odkritje je pomenilo začetek nove dobe v astronomiji gravitacijskih valov. Upamo, da bomo imeli natančnejše ideje o nastanku, sestavi in galaktični vlogi črnih lukenj - teh super gostih masnih kroglic, ki tako močno izkrivljajo prostor-čas, da od njih ne more ubežati niti svetloba. Ko se črne luknje približajo in se združijo, ustvarijo impulzni signal - nihanja v prostoru in času, ki se povečajo v amplitudi in tonu, nato pa se nenadoma končajo. Signali, ki jih lahko opazuje observatorij, so v območju zvoka - vendar so prešibki, da bi jih golo uho slišalo. Ta zvok lahko poustvarite tako, da s prsti potujete po tipkah klavirja. "Začnite pri najnižji noti in delajte do tretje oktave," je dejal Weiss. "To je tisto, kar slišimo."
Fiziki so že presenečeni nad številom in močjo signalov, ki so bili trenutno zabeleženi. To pomeni, da je na svetu več črnih lukenj, kot so mislili prej. "Imamo srečo, a na takšno srečo sem vedno računal," je povedal astrofizik Calteha Kip Thorne, ki je LIGO ustvaril z Weissom in Ronaldom Dreverjem, ki sta prav tako iz Caltecha. "To se običajno zgodi, ko se v vesolju odpre popolnoma novo okno."
Ob prisluškovanju gravitacijskim valovom lahko oblikujemo povsem različne predstave o vesolju in morda bomo odkrili nepredstavljive kozmične pojave.
"To lahko primerjam s trenutkom, ko smo prvič usmerili teleskop v nebo," je dejala teoretična astrofizičarka Janna Levin z Barnard College na univerzi Columbia. "Ljudje so ugotovili, da je tam nekaj, in to lahko vidite, vendar niso mogli predvideti neverjetnih možnosti, ki obstajajo v vesolju." Podobno je, je ugotovil Levin, odkritje gravitacijskih valov lahko pokazalo, da je vesolje "polno temne snovi, ki je ne moremo zaznati le s teleskopom."
Zgodba o odkritju prvega gravitacijskega vala se je začela v ponedeljek zjutraj septembra, začela pa se je s ploskanjem. Signal je bil tako jasen in glasen, da je Weiss pomislil: "Ne, to je neumnost, iz tega ne bo nič."
Intenzivnost čustev
Ta prvi gravitacijski val je med simulacijskim tekom zgodaj zjutraj 14. septembra, dva dni pred uradnim začetkom zbiranja podatkov, zajel nadgrajene LIGO-jeve detektorje - najprej v Livingstonu in sedem milisekund pozneje v Hanfordu.
Detektorji so bili "vžgani" po petletni nadgradnji, ki je stala 200 milijonov dolarjev. Opremljeni so z novimi ogledali za odpravljanje hrupa in aktivnim sistemom povratnih informacij za zatiranje tujih vibracij v realnem času. Nadgradnja je dala nadgrajeni observatorij višjo stopnjo občutljivosti kot stari LIGO, ki je med letoma 2002 in 2010 ugotovil "absolutno in čisto ničlo", kot je rekel Weiss.
Ko je septembra prišel močan signal, so znanstveniki v Evropi, kjer je bilo takrat jutro, začeli naglo bombardirati svoje ameriške kolege z elektronsko pošto. Ko so se ostali člani skupine zbudili, se je novica zelo hitro razširila. Skoraj vsi so bili do tega skeptični, je dejal Weiss, še posebej, ko so videli signal. Bila je prava klasika učbenikov, zato so nekateri mislili, da je ponaredek.
Napačne predstave pri iskanju gravitacijskih valov so bile večkrat ponovljene že od poznih šestdesetih let, ko je Joseph Weber z Univerze v Marylandu verjel, da je odkril resonančne vibracije v aluminijasti jeklenki s senzorji kot odziv na valove. Leta 2014 je potekal eksperiment, imenovan BICEP2, po rezultatih katerega je bilo objavljeno, da so bili zaznani prvotni gravitacijski valovi - nihanja v prostoru in času iz Velikega poka, ki so se zdaj raztegnila in trajno zamrznila v geometriji vesolja. Znanstveniki iz ekipe BICEP2 so z velikim pompom napovedali svoje odkritje, nato pa so njihove rezultate neodvisno preverili, med tem pa se je izkazalo, da so se zmotili in da je ta signal prišel iz vesoljnega prahu.
Ko je kozmolog državne univerze v Arizoni Lawrence Krauss slišal za odkritje ekipe LIGO, je najprej pomislil, da gre za "slepe stvari". Med delovanjem starega observatorija so bili simulirani signali prikradano vstavljeni v podatkovne tokove, da bi preverili odziv, večina ekipe pa za to ni vedela. Ko je Krauss od dobro obveščenega vira izvedel, da tokrat ne gre za "slepo polnjenje", je komaj zadržal svoje veselo navdušenje.
25. septembra je s svojimi 200.000 sledilci tvitnil: »Govorice o gravitacijskem valu, zaznanem na detektorju LIGO. Neverjetno, če drži. Podrobnosti vam dam, če ne gre za lipo. " Sledi vpis 11. januarja: »Prejšnje govorice o LIGO potrjujejo neodvisni viri. Spremljajte novice. Morda so odkriti gravitacijski valovi!"
Uradno stališče znanstvenikov je bilo naslednje: ne širite se po prejetem signalu, dokler ni stoodstotne gotovosti. Thorne, ki ga je ta zavezanost skrivnosti vezala na roke in noge, niti ni rekel nič svoji ženi. "Praznoval sem sam," je dejal. Za začetek so se znanstveniki odločili, da se vrnejo na sam začetek in vse analizirajo do najmanjših podrobnosti, da bi ugotovili, kako se signal širi skozi tisoče merilnih kanalov različnih detektorjev, in razumeli, ali je bilo v trenutku, ko je bil signal zaznan, nekaj čudnega. Ugotovili niso nič nenavadnega. Odpravili so tudi hekerje, ki bi morali v eksperimentu najbolje poznati tisoče podatkovnih tokov. "Tudi ko ekipa vrže žogo, ni dovolj popolna in pušča veliko sledov," je dejal Thorne. "In tu ni bilo sledi."
V naslednjih tednih so slišali še en, šibkejši signal.
Znanstveniki so analizirali prva dva signala in prejemali so jih vedno več. Januarja so svoje raziskovalne prispevke predstavili v Physical Review Letters. Ta številka je danes na internetu. Po njihovih ocenah statistična pomembnost prvega, najmočnejšega signala presega "5-sigmo", kar pomeni, da so raziskovalci 99,9999% prepričani v njegovo pristnost.
Poslušanje gravitacije
Einsteinove enačbe splošne relativnosti so tako zapletene, da je večina fizikov potrebovala 40 let, da so se strinjali: da, gravitacijski valovi obstajajo in jih je mogoče zaznati - tudi teoretično.
Sprva je Einstein mislil, da predmeti ne morejo sproščati energije v obliki gravitacijskega sevanja, nato pa je spremenil svoje stališče. V svojem zgodovinskem delu, napisanem leta 1918, je pokazal, kateri predmeti lahko to storijo: sistemi dumbbellov, ki se istočasno vrtijo okoli dveh osi, na primer binarne datoteke in supernove, ki eksplodirajo kot petard. Prav oni lahko ustvarjajo valove v prostoru-času.
Računalniški model, ki ponazarja naravo gravitacijskih valov v sončnem sistemu
Foto: REUTERS, izroček
Toda Einstein in njegovi kolegi so še naprej oklevali. Nekateri fiziki trdijo, da tudi če valovi obstajajo, bo svet vibriral z njimi in nemogoče jih bo čutiti. Richard Feynman je šele leta 1957 vprašanje zaključil, tako da je v miselnem eksperimentu pokazal, da teoretično lahko zaznajo gravitacijske valove, če obstajajo. Toda nihče ni vedel, kako pogosti so bili ti sistemi ročk v vesolju ali kako močni ali šibki so bili posledični valovi. "Na koncu je bilo vprašanje: ali jih lahko kdaj najdemo?" Je rekel Kennefick.
Leta 1968 je bil Rainer Weiss mlad profesor na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu in bil je zadolžen za poučevanje predmeta splošne relativnosti. Kot eksperimentator je o tem vedel malo, toda nenadoma se je pojavila novica o Weberjevem odkritju gravitacijskih valov. Weber je iz aluminija izdelal tri resonančne detektorje v velikosti mize in jih postavil v različne ameriške zvezne države. Zdaj je dejal, da so vsi trije detektorji zabeležili "zvok gravitacijskih valov".
Weissove študente so prosili, naj pojasnijo naravo gravitacijskih valov in izrazijo svoje mnenje o zvenelem sporočilu. Pri preučevanju podrobnosti je bil presenečen nad zapletenostjo matematičnih izračunov. »Nisem mogel ugotoviti, kaj za vraga počne Weber, kako senzorji delujejo z gravitacijskim valom. Dolgo sem sedel in se vprašal: "Kaj je najbolj primitivnega, kar se mi zdi, da bi zaznal gravitacijske valove?" In potem se mi je porodila ideja, ki ji pravim konceptualna osnova LIGO."
Predstavljajte si tri predmete v prostoru-času, recimo, zrcala na vogalih trikotnika. "Pošiljajte svetlobni signal enemu drugemu," je dejal Weber. "Oglejte si, kako dolgo traja prehod z ene mase na drugo in preverite, ali se je čas spremenil." Izkazalo se je, je znanstvenik opozoril, da je to mogoče storiti hitro. »To sem svojim študentom zaupal kot znanstveno nalogo. Te izračune je lahko izvedla dobesedno celotna skupina."
V naslednjih letih, ko so drugi raziskovalci poskušali ponoviti rezultate Weberjevega eksperimenta z resonančnim detektorjem, vendar je ves čas odpovedoval (ni jasno, kaj je opazil, vendar to niso bili gravitacijski valovi), je Weiss začel pripravljati veliko natančnejši in ambicioznejši eksperiment: interferometer gravitacijskega vala. Laserski žarek odbija tri ogledala v obliki črke L in tvori dva žarka. Razmiki med vrhovi in koriti svetlobnih valov natančno kažejo dolžino kolen "G", ki ustvarjajo X in Y osi prostora-časa. Ko lestvica miruje, se dva svetlobna vala odbijeta od vogalov in se medsebojno izničita. Signal v detektorju je nič. Če pa gravitacijski val prehaja skozi Zemljo, raztegne dolžino enega kraka črke "G" in stisne dolžino drugega (in obratno). Neusklajenost dveh svetlobnih žarkov ustvarja signal v detektorju, ki prikazuje rahla nihanja v prostoru-času.
Sprva so bili kolegi fiziki dvomljivi, a kmalu je poskus našel podporo pri osebi Thorne, katere skupina teoretikov iz Caltecha je raziskovala črne luknje in druge potencialne vire gravitacijskih valov ter signale, ki jih ustvarjajo. Thorna so navdihnili Weberjev eksperiment in podobna prizadevanja ruskih znanstvenikov. Potem ko sem leta 1975 na konferenci z Weissom govoril, "sem začel verjeti, da bo odkrivanje gravitacijskih valov uspešno," je dejal Thorne. "In želel sem, da bi tudi Caltech sodeloval pri tem." Z inštitutom se je dogovoril za najem škotskega eksperimentatorja Ronalda Drieverja, ki je prav tako napovedal, da bo zgradil gravitacijsko valovni interferometer. Sčasoma so Thorne, Driver in Weiss začeli delovati kot ena ekipa, ki je vsaka rešila svoj del neštetih problemov v pripravah na praktični eksperiment. Trio je ustanovil LIGO leta 1984, in ko so bili izdelani prototipi in je začela sodelovati vedno večja ekipa, je v začetku devetdesetih let prejela 100 milijonov dolarjev financiranja od Nacionalne znanstvene fundacije. Načrti so bili izdelani za izdelavo para velikanskih detektorjev v obliki črke L. Desetletje kasneje so detektorji začeli delovati.
V Hanfordu in Livingstonu je v središču vsakega od štirikilometrskih ovinkov detektorjev vakuum, zahvaljujoč kateremu so laser, njegov žarek in ogledala maksimalno izolirani od stalnih vibracij planeta. Da bi zavarovali še več, znanstveniki LIGO med delom s tisoči instrumentov spremljajo svoje detektorje in merijo vse, kar lahko: potresno aktivnost, atmosferski tlak, strele, kozmične žarke, vibracije opreme, zvoke v območju laserskega žarka itd. Nato iz svojih podatkov filtrirajo te tuje hrupe v ozadju. Morda je glavno, da imajo dva detektorja, kar vam omogoča primerjavo prejetih podatkov in njihovo preverjanje glede prisotnosti sovpadajočih signalov.
Marco Cavaglià, namestnik tiskovnega predstavnika projekta LIGO, se v notranjosti vakuuma, tudi ko so laserji in ogledala popolnoma izolirani in stabilizirani, ves čas dogaja "nenavadne stvari". Znanstveniki morajo slediti tem "zlatim ribicam", "duhovom", "nerazumljivim morskim pošastim" in drugim tujim vibracijskim pojavom, da bi odkrili njihov vir. V fazi potrjevanja se je zgodil en težaven primer, je povedala Jessica McIver, raziskovalka iz skupine LIGO, ki preučuje takšne tuje signale in motnje. V podatkih se je pogosto pojavljala vrsta periodičnih enofrekvenčnih zvokov. Ko sta s sodelavci vibracije ogledal pretvorila v zvočne datoteke, je "telefon zvonil izrazito," je dejal McIver. "Izkazalo se jeda so oglaševalci komunikacij klicali po telefonu znotraj laserske sobe.
V naslednjih dveh letih bodo znanstveniki še naprej izboljševali občutljivost detektorjev posodobljenega Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory LIGO. In v Italiji bo začel delovati tretji interferometer, imenovan Advanced Virgo. Odgovor, ki ga bodo dobili pridobljeni podatki, je, kako nastajajo črne luknje. Ali so plod propada najzgodnejših masivnih zvezd ali so posledica trkov znotraj gostih zvezdnih kopic? "To sta le dve predpostavki, menda bo še več, ko se vsi pomirijo," pravi Weiss. Ko bo LIGO med prihodnjim delom začel zbirati nove statistične podatke, bodo znanstveniki začeli poslušati zgodbe o izvoru črnih lukenj, ki jim jih bo šepetal prostor.
Po obliki in velikosti je prvi, najglasnejši impulzni signal nastal 1,3 milijarde svetlobnih let, od koder sta se po večnosti počasnega plesa pod vplivom vzajemne gravitacijske privlačnosti dve črni luknji, vsaka približno 30-krat večja od mase sonca, končno združili. Črne luknje so vse hitreje krožile, kot vrtinec, postopoma se bližale. Potem je prišlo do združitve in v trenutku so sprožili gravitacijske valove z energijo, primerljivo z energijo treh Soncev. Ta fuzija je postala najmočnejši energetski pojav, kar smo jih kdaj zabeležili.
"Kot da nikoli nismo videli oceana med nevihto," je dejal Thorne. Na to nevihto v vesolju-času čaka že od šestdesetih let prejšnjega stoletja. Občutek, ki ga je Thorne izkusil, ko so se valovi valili, ni bil navdušen, pravi. Bilo je nekaj drugega: občutek najglobljega zadovoljstva.