Tutkijat ovat kuulleet painovoiman aaria ensimmäistä kertaa.
Asiaan liittyvä sisältö
- Viisi asiaa, jotka tiedetään painovoima-aalloista
- Seitsemän yksinkertaista tapaa, joilla tiedämme, että Einstein oli oikeassa (toistaiseksi)
Kun kaksi mustaa reikää kääntyi toisiaan kohti ja yhdistyivät, ne loivat ryppyjä kosmoksen kankaaseen täsmälleen sellaisessa muodossa kuin fyysikot ovat ennustaneet vuosisadan ajan: painovoima-aallot. Tänään paljastettu sarja kansainvälisiä lehdistötilaisuuksia, merkki valmistaa tietä kokonaan uudelle maailmankaikkeuden ymmärtämiselle.
"Tämä on ensimmäinen kerta, kun maailmankaikkeus on puhunut meille painovoima-aaltojen kautta. Tähän asti olemme olleet kuuroja", LIGO-laboratorion johtaja David Reitze Floridan yliopistosta sanoi tänään lehdistötilaisuudessa Washingtonissa, DC: ssä.
Painovoima-aaltojen juurella on Albert Einsteinin painovoiman teoria, joka sanoo, että mikä tahansa massa, joka loimittaa avaruus-ajan kudoksen. Kun massiiviset esineet liikkuvat, ne aiheuttavat vääristymiä kosmisessa kankaassa tuottaen gravitaatioaaltoja. Nämä aallot rypistyvät maailmankaikkeuden tavoin kuin ilman läpi pulssoivat ääni-aallot.
Einsteinin teoria ennustaa, että maailmankaikkeus täynnä painovoima-aaltoja, mutta toistaiseksi emme ole pystyneet tunnistamaan niitä osittain siksi, että aallot ovat poikkeuksellisen heikot. Mutta jo ennen sen päivitettyjen instrumenttien julkistamista verkossa viime vuonna, Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatorio (LIGO) otti selkeän signaalin kahden mustan aukon voimakkaasta törmäyksestä, joka oli 1, 3 miljardia valovuotta päässä.
"On hämmästyttävää, että havaitaan gravitaatioaaltosignaali, vaikka LIGO ei vieläkään ole lähellä suunnittelun herkkyyttä ensimmäisessä tieteessä. Se on hyvä leuka-pudotus", sanoo Joan Centrella, joka johti NASA: n Goddard-avaruuslennon Gravitational Astrophysics Laboratoryn. Center ennen kuin hänestä tuli apulaisjohtajana astrofysiikan tiedeosasto Goddardissa.
Riemu kärjistyi LIGOn Livingstonin, Louisiana, observatorion ja muun maailman kautta ryhmän ilmoittaessa. Lähes kaikki, mitä tähtitieteilijät ovat oppineet kosmosta, on tullut erilaisista valomuodoista, kuten näkyvistä, radioaalloista ja röntgensäteistä. Mutta aivan kuten seismiset aallot voivat paljastaa piilotetut rakenteet syvällä maan sisällä, gravitaatioaallot kantavat mukanaan tietoa maailmankaikkeuden piilossa olevista ominaisuuksista, joita edes valo ei pysty paljastamaan.
"Aloitimme riskialttiilla töillä, joilla on erittäin suuri potentiaalinen voitto", LIGO-perustaja ja gravitaatiofyysikko Kip Thorne Kalifornian teknillisessä instituutissa sanoi lehdistötilaisuuden aikana. "Ja olemme täällä tänään suurella voitolla - aivan uudella tavalla tarkkailla maailmankaikkeutta."
Varhaiset vihjeet
Gravitaatioaaltojen metsästys alkoi vuosisata sitten julkaistuaan Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria. Fyysikot Russell A. Hulse ja Joseph H. Taylor, Jr, saivat 1970-luvun puolivälissä erittäin vakuuttavan näytön näiden aaltojen olemassaolosta. He mittasivat ajan, joka kului kahden tiheän neutronitähteen - kerran massiivisten tähtijen murskattuihin ytimiin - kiertämiseen toistensa kanssa.
Einsteinin työn perusteella he tiesivät, että näiden tähtien tulisi säteillä painovoimaenergiaa kehrätessään, ja kadonneen energian pitäisi aiheuttaa niiden spiraalin toisiinsa. Tutkittuaan seuraavia vuosia kahta tähteä, he näkivät, että kiertorata laski tarkalleen yleisrelatiivisuuden ennustaman määrän verran.
Vaikka tämä löytö ansaitsi duolle vuoden 1993 Nobelin fysiikan palkinnon, suurin osa fyysikoista ei kutsunut sitä gravitaatioaaltojen suoriksi havaitsemiseksi.
Vuonna 2001 LIGO aloitti toimintansa kahdessa paikassa, 1 875 mailin päässä toisistaan - toisessa Livingstonissa, Louisianassa ja toisessa Hanfordissa, Washingtonissa. Muutama vuosi myöhemmin myös eurooppalainen gravitaatioaallon kaukoputki Virgo tuli verkkoon. Molemmat toimivat vuoteen 2010 ja 2011 vuoteen ennen siirtymistä offline-tilaan päivityksiä varten.
Vaikka tutkijat toivoivat näiden alkuperäisten observatorioiden kaappaavan painovoima-aaltoja, he tiesivät sen olevan kaukainen laukaus. Nämä aallot ovat erittäin heikkoja signaaleja, ja instrumentit eivät olleet riittävän herkkiä kuullakseen niiden kuiskauksia. Mutta ensimmäiset ajot toimivat seuraavan sukupolven instrumenttien tekniikan testinä.
Neitsyt päivitetään edelleen, mutta LIGO-joukkue valmistui työhönsä molemmilla ilmaisimilla vuonna 2015. Nykyään nimeltään Advanced LIGO, Louisiana ja Washingtonin observatoriat kuuntelivat painovoima-aaltoja ensimmäisen tiedehavaintoajon aikana 18. syyskuuta 2015 - 12. tammikuuta, 2016. Tänään ilmoitettu signaali otettiin vastaan juuri ennen ensimmäistä virallista ajoa, koska ryhmä suoritti ilmaisimien toimintatestejä.
Laser-tarkkuus
Aallon tunnistaminen sen kulkiessa Maan läpi vaati paljon älykästä tekniikkaa, tietokonevoimaa ja yli 1000 tutkijaa, jotka työskentelevät ympäri maailmaa.
Kunkin L-muotoisen LIGO-observatorion sisällä laser istuu kahden kohtisuoran putken kohtauspisteessä. Laser kulkee instrumentin läpi, joka jakaa valon, niin että kaksi sädettä kulkee suunnilleen 2, 5 mailia alaspäin jokaisesta putkesta. Putkien päissä olevat peilit heijastavat valoa takaisin kohti lähdeään, missä ilmaisin odottaa.
Tyypillisesti valoa ei laskeudu ilmaisimeen. Mutta kun painovoima-aalto kuitenkin kulkee, sen tulisi venyä ja sirotella avaruusaikaa ennakoitavissa olevassa kuviossa, muuttamalla putkien pituuksia tehokkaasti pienellä määrällä - luokkaa protonin halkaisijaltaan tuhannesosaan. Sitten valoa laskeutuu ilmaisimeen.
Uskomattoman pienen muutoksen huomioon ottamiseksi instrumentin peilit on kiinnitetty monimutkaisiin järjestelmiin, jotka eristävät ne useimmista värähtelyistä. LIGO-tutkijoilla on myös erityisiä tietokoneohjelmia, jotka voivat suodattaa erilaisia taustameluja, kuten satunnaisia vapinaa, ja määrittää, vastaako jokin saapuva signaali mahdollisia tähtitieteellisiä lähteitä, jotka on laskettu käyttämällä yleistä suhteellisuusteoriaa.
Louisiana ja Washington-sivustot toimivat yhdessä havaitsemisen varmistamiseksi. "Emme usko, että näemme painovoima-aallon, elleivät molemmat ilmaisimet näe samaa signaalia ajassa, jonka painovoima-aalto kulkee kahden paikan välillä kulkemiseen", sanoo LIGO-ryhmän jäsen Amber Stuver Louisiana State Universitystä. Tässä tapauksessa aalto kulki maan läpi ja osui kahteen ilmaisimeen vain seitsemän millisekunnin päässä toisistaan.
Kun Louisiana ja Washington-sivustot havaitsevat mahdollisen painovoimaäänen, tutkijat työskentelevät analyysin parissa. LIGO otti tämän signaalin 14. syyskuuta, mutta pystyy vasta nyt varmuudella sanomaan, että he näkivät painovoima-aallot.
"Kesti kuukausia huolellista tarkastusta, uusintarkastusta, analysointia, työskentelyä jokaisen tiedon kanssa varmistaaksemme havaitsemisen", Reitze kertoi DC-tapahtuman aikana. "Ja olemme vakuuttaneet itsemme siitä." Tulokset näkyvät tällä viikolla Physical Review Letters -lehdessä .
Ilmakuva LIGO-ilmaisimesta Livingstonista, Louisiana. (LIGO-laboratorio) Painovoima-aaltosignaali, jonka tähtitieteilijät vetivät uusimmista havainnoista, vastasivat sitä, mitä he odottivat kahdelle toisiaan kiertävälle mustalle aukolle. Tanssi lähettää gravitaatioaaltoja ennustettavalla taajuudella ja voimakkuudella riippuen siitä, kuinka kaukana toisistaan esineet ovat ja niiden massasta.
Kun he alkavat tanssia lähemmäksi, painovoima-aaltojen aallonpituudet kutistuvat ja heidän laulunsa saavuttaa korkeamman sävelkorkeuden. Kun mustat aukot sulkeutuvat lopulliseen omaksumiseen, painovoima-aaltosignaalilla on yksi viimeinen korkea nootti, tai ”sirku”, kuten tähtitieteilijät sitä kutsuvat.
Syyskuun signaali linjautuu kauniisti siihen, mitä joukkue odottaa kahdelta mustalta aukolta, joiden massat ovat noin 29 ja 36 kertaa auringon massa. Nuo mustat aukot löysivät yhdessä luodakseen uuden mustan aukon, joka on 62-kertainen auringon massaan nähden - säteileen pois 3 aurinkomassan arvoista painovoimaenergiaa.
Odottaa odottamatonta
Tämän ensimmäisellä havainnoinnilla tähtitieteilijät toivovat, että Advanced LIGO jatkaa gravitaatioaaltojen kaappaamista ja alkaa kerätä tietoja kaikenlaisille tieteellisille tutkimuksille supernoovien toiminnan selvittämisestä maailmankaikkeuden ensimmäisten hetkien oppimiseen. Vaikka mikään muu tähtitieteellinen kaukoputki ei nähnyt mitään merkkejä tästä mustan aukon törmäyksestä, joillakin muista Advanced LIGO: n etsimistä lähteistä pitäisi olla vastineita, jotka näkyvät valoa kaappaville teleskoopeille.
Tämä vaikuttaa erityisen lupaavalta ottaen huomioon, että Advanced LIGO ei ole vielä edes täysin herkkä. Se tulee lähivuosina, Stuver sanoo.
Jokainen näistä signaaleista antaa tähtitieteilijöille sen, mitä heillä ei ole koskaan ollut: tapa koettaa painovoiman ääritapaukset ja näkymättömien esineiden liikkeet. Vieläkin mielenkiintoisempi, tähtitieteilijät tietävät, että jokaisen teknologisen kehityksen myötä maailmankaikkeus on tapa yllättää meidät.
"Joka kerta kun olemme etsineet uudella tavalla ja erilaisessa valossa, löydämme jotain, mitä emme odottaneet löytävänsä", Stuver sanoo. "Ja juuri tämä odottamaton asia mullistaa ymmärrystämme maailmankaikkeudesta." Ei kauan sen jälkeen kun tähtitieteilijät käänsivät radioantenneja taivaalle, he löysivät odottamattoman tyyppisen neutronitähteen, nimeltään pulsar. Ja ehkä poeettisesti, se oli pulsar- ja neutronitähti, joka suoritti kiertotanssia ja jota Hulse ja Taylor tutkivat 1970-luvulla.
Nyt, painovoima-astronomian alkaessa, tutkijoilla on uusi työkalu näytteenottoon kosmosta. Ja sen äänen perusteella olemme tekemisissä kauniin musiikin kanssa.
Toimittajan huomautus: Joan Centrellan kuuluminen on korjattu.
