Yli miljardi vuotta sitten kaukaisessa galaksissa kaksi mustaa reikää suorittivat viimeiset vaiheet pikajalkaisessa pas de deux -sovelluksessa, jonka lopulliseksi syleilyksi niin väkivaltainen se vapautti enemmän energiaa kuin jokaisen jokainen galaksi havaittavissa olevassa maailmankaikkeudessa. Toisin kuin tähtivalossa, energia oli silti pimeää, ja sitä kantoi näkymätön painovoima. 14. syyskuuta 2015 kello 5.51 itäinen kesäaika, fragmentti kyseisestä energiasta, ”gravitaatioaallon” muodossa, saavutti maan, vähentyneenä valtavan kulkiessaan avaruuden ja ajan läpi pelkkään kuohuttavaan ukkostaan alku.
Aiheeseen liittyvät lukemat
Elegantti maailmankaikkeus
OstaaTiedämme, että maapalloa on kylpetty tämän tyyppisissä painovoimahäiriöissä ennenkin. Usein. Ero tällä kertaa on, että kaksi uskomattoman tarkkaa ilmaisinta, yksi Livingstonissa, Louisianassa ja toinen Hanfordissa, Washingtonissa, seisoi valmiina. Kun gravitaatioaalto kiertyi, se kutitti ilmaisimia, mikä antoi erehtymättömän merkinnän mustien reikien törmäyksestä maailmankaikkeuden toisella puolella ja merkitsi uuden luvun alkua ihmiskunnan tutkiessa kosmoa.
Kun huhut havainnosta alkoivat levittää tammikuussa, silmäsin silmäni väärästä hälytyksestä tai virkeestä, joka herätti pienen sirin. Tutkimusohjelmana jo viidennelle vuosikymmenelleen gravitaatioaaltojen metsästyksestä oli jo kauan sitten tullut tärkeä löytö, joka aina leijui horisontissa. Fyysikot olivat eronnut odottamaan painovoimaista jumalia.
Mutta ihmisen kekseliäisyys ja sitkeys ovat voittaneet. Se on yksi niistä voitoista, jotka antavat jopa meille hurraavat selkärangan pistelyvärejä sivuun.
Tässä on tarina pähkinänkuoressa.
Tämän marraskuun lopulla maailma juhlii Einsteinin suurimman löytön, yleisen suhteellisuusteorian, 100-vuotispäivää, joka paljasti uuden paradigman painovoiman ymmärtämiseksi. Isaac Newtonin lähestymistapa ennustaa oikein painovoiman vetovoiman minkä tahansa kahden esineen välillä, mutta ei anna käsitystä siitä, kuinka jotakin täältä voi päästä tyhjän tilan yli ja vetää jotain sinne. Einstein vietti vuosikymmenen yrittäessään selvittää kuinka gravitaatio kommunikoidaan, ja päätyi lopulta siihen, että tila ja aika muodostavat näkymättömän käden, joka tekee gravitaation tarjouksen.
Tilaa Smithsonian-lehti nyt vain 12 dollarilla
Tämä tarina on valikoima Smithsonian-lehden huhtikuun numerosta
OstaaValittu metafora, liian käytetty, mutta mielenkiintoinen, on ajatella tilaa trampoliinina. Aseta keilahalli trampoliinin keskelle aiheuttaen sen käyristymisen, ja marmori työnnetään matkalle kaarevaa reittiä pitkin. Samoin Einstein tunnusti, että lähellä Auringon kaltaista tähtitieteellistä kehoa avaruusaikaympäristö käyrää, mikä selittää, miksi Maa, kuten marmori, seuraa kaarevaa etenemissuuntaa. Vuoteen 1919 tähtitieteelliset havainnot vahvistivat tämän merkittävän näkemyksen ja tekivät Einstein Einstein.
Einstein työnsä merkittävän löytönsä edelleen. Siihen saakka hän oli keskittynyt staattisiin tilanteisiin: määrittäen tietystä määrästä ainetta johtuvan avaruusalueen alueen kiinteän muodon. Mutta Einstein kääntyi sitten dynaamisiin tilanteisiin: Mitä tapahtuu avaruusaikakankaalle, jos aine liikkuu ja tärisee? Hän tajusi, että samalla tavalla kuin trampoliinilla hyppivät lapset tuottavat aaltoja pintaan, jotka rypistyvät ulospäin, ainetta, joka liikkuu tällä tavalla ja joka tuottaa aaltoja aikakankaassa, myös aaltoilevaa ulospäin. Ja koska yleisen relatiivisuuden suhteen kaareva avaruusaika on painovoima, kaarevan avaruuden aika-aalto on painovoiman aalto.
Painovoima-aallot edustavat yleisen suhteellisuussuhteen merkittävinpoikkeamaa Newtonin painovoimasta. Joustava avaruusaika on varmasti syvyyden uudelleen syventäminen, mutta tutuissa tilanteissa, kuten Auringon tai Maan painovoimavetona, Einsteinin ennusteet eroavat tuskin Newtonin ennusteista. Koska Newtonin painovoima on hiljainen sen suhteen, miten painovoima siirtyy, käsityksellä kulkevista painovoimahäiriöistä ei ole sijaa Newtonin teoriassa.
Einstein itse epäili gravitaatioaaltojen ennustettaan. Kun kohtaamme ensimmäistä kertaa yleisen suhteellisuusteorian hienoiset yhtälöt, on haastavaa erottaa abstrakti matematiikka mitattavasta fysiikasta. Einstein aloitti tämän rynnäkkeen ensimmäisenä, ja oli piirteitä, joita jopa hän, suhteellisuussyynologia, ei kyennyt ymmärtämään täysin. Mutta 1960-luvulle saakka, hienostuneempia matemaattisia menetelmiä käyttäneet tutkijat totesivat epäilemättä, että gravitaatioaallot olivat yleinen suhteellisuusteorian tunnusmerkki.
Esimerkki gravitaatioaalloista (John Hersey) Kuinka sitten tämä ikoninen ennustus voitaisiin testata? Vuonna 1974 Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät Arecibon radioteleskoopin avulla binaarisen pulssarin: kaksi kiertävää neutronitähteä, joiden kiertorataa voitiin seurata erittäin tarkasti. Yleisen suhteellisuustekniikan mukaan kiertävät tähdet tuottavat tasaisen marssin painovoima-aaltoja, jotka tyhjentävät energiaa aiheuttaen tähdet pudota lähemmäksi toisiaan ja kiertävät nopeammin. Havainnot vahvistivat tämän ennusteen T: lle, mikä osoitti, vaikkakin epäsuorasti, että painovoima-aallot ovat todellisia. Hulse ja Taylor saivat vuoden 1993 Nobel-palkinnon.
Saavutus teki vain painovoima-aaltojen suoran havaitsemisen entistä houkuttelevammaksi. Mutta tehtävä oli pelottava. Laskelmat osoittavat, että kun painovoima-aalto väreilee avaruuden läpi, mikä tahansa sen tiellä on vaihtoehtoisesti venytetty ja puristettu akseleita pitkin, jotka ovat kohtisuorassa aallon liikesuuntaan nähden. Painovoima-aalto, joka suuntasi suoraan kohti Yhdysvaltoja, venyttäisi vuorotellen ja puristaisi tilaa New Yorkin ja Kalifornian sekä Texasin ja Pohjois-Dakotan välillä. Tarkkailemalla tällaisia etäisyyksiä, meidän pitäisi siten pystyä osoittamaan aallon kulku.
Haasteena on, että niin paljon kuin lampin aalto kuolee sen leviämisen myötä, painovoima aaltoilee, kun se kulkee lähteestään. Koska suuret kosmiset törmäykset tapahtuvat tyypillisesti hyvin kaukana meistä (onneksi), siihen mennessä, kun painovoima-aallot kutevat saavuttamaan Maan, niiden aiheuttama venytys ja puristus on pieni - vähemmän kuin atomin halkaisija. Sellaisten muutosten havaitseminen tapahtuu samalla tavalla, kun mitataan etäisyys maasta lähimpään aurinkokunnan ulkopuolella olevaan tähtiin tarkkuudella, joka on parempi kuin paperiarkin paksuus.
Marylandin yliopiston Joseph Weberin 1960-luvulla edelläkävijänä tekemässä ensimmäisessä yrityksessä käytettiin monitonnisia kiinteitä alumiinisylintereitä siinä toivossa, että ne resonoivat kevyesti kuin jättiläiset virityshaarukat vastauksena kulkevaan painovoima-aaltoon. 1970-luvun alkupuolella Weber väitti menestystä, suurta aikaa. Hän kertoi, että gravitaation aallot soivat hänen ilmaisimessaan melkein päivittäin. Tämä tärkeä saavutus innosti muita vahvistamaan Weberin väitteet, mutta vuosien yrittämisen jälkeen kukaan ei pystynyt edes yhtään aaltoa.
Weberin sitkeä usko tuloksiinsa kauan sen jälkeen, kun kerätyt todisteet toisin ehdottivat, myötävaikutti perspektiiviin, joka on värittänyt kenttää vuosikymmenien ajan. Vuosien mittaan monet tutkijat uskoivat, samoin kuin Einstein, että vaikka painovoima-aallot olisivat todellisia, ne olisivat yksinkertaisesti liian heikkoja, jotta ne koskaan havaittaisiin. Ne, jotka lähtivät etsimään heitä, olivat typerysten asialla, ja ne, jotka uskoivat havaitsemista koskevien väitteiden huijaamista.
1970-luvulle mennessä harvat, joilla vielä oli gravitaatioaaltovirhe, kääntyivät lupaavampaan havaitsemisjärjestelmään, jossa lasereita käytettäisiin kahden samanlaisen tunnelin pituuden vertaamiseen, jotka on suunnattu 90 astetta toisiinsa. Läpäisevä painovoima-aalto venyttäisi yhtä tunnelia samalla puristaen toista, muuttaen hiukan kummankin suunnan ampuvien lasersäteiden kuljettamaa etäisyyttä. Kun kahta lasersätettä yhdistetään myöhemmin, tuloksena oleva valon muodostama kuvio on herkkä minuutin eroille siinä, kuinka pitkälle kukin säde on kulkenut. Jos painovoima-aalto rullaa ohi, jopa sen luoma pienin häiriö jättäisi modifioidun laserkuvion sen jälkeen.
Se on kaunis idea. Mutta lähellä olevat jackhammers, jyrisevät kuorma-autot, tuulenpuusket tai puiden putoaminen saattavat häiritä tällaista koetta. Kun etsitään pituuseroja, jotka ovat vähemmän kuin miljardi miljardia metriä, kyvystä suojata laite kaikilta mahdollisilta ympäristön sekoituksilta, vaikka ne olisivatkin vähäisiä, tulee ensiarvoisen tärkeä. Tällä näennäisesti ylitsepääsemättömällä vaatimuksella nayasaareille tarjottiin vielä lisää ammuksia. Painovoima-aallon kiinnittäminen tekisi Hortonin kuulosta sellaisen, joka jopa New Yorkin metroa pitkin ruokkivan dinin yli olisi pelkkä lasten leikki.
Siitä huolimatta amerikkalaiset fyysikot Kip Thorne ja Rainer Weiss, joihin myöhemmin liittyi skotlantilainen fyysikko Ronald Drever, haaveilivat laserpohjaisen gravitaatioaallonilmaisimen rakentamisesta, ja he panivat pyörät liikkeelle, jotta unelma toteutettaisiin.
Vuonna 2002, parin vuosikymmenen tutkimuksen ja kehityksen ja yli 250 miljoonan dollarin investoinnin jälkeen National Science Foundationiltä, otettiin käyttöön kaksi LIGOn muodostavaa tieteellistä ja teknologista ihmettä (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) Livingstonissa, Louisianassa, ja Hanford, Washington. Neljän kilometrin mittaisissa evakuoiduissa tunnelissa, jotka ovat jättiläisen L-kirjaimen muotoisia, olisi laserisäde, joka on noin 50 000 kertaa voimakkaampi kuin tavallinen laserosoitin. Laservalo palaa edestakaisin maailman tasaisimpien peilien välillä, jotka on sijoitettu kummankin varren vastakkaisiin päihin, etsien pieniä eroja ajassa, joka kullakin kuluu matkan loppuun.
Tutkijat odottivat. Ja odotti. Mutta kahdeksan vuoden kuluttua ei mitään. Pettymystä varmasti, mutta kuten tutkimusryhmät väittivät, ei ole yllättävää. Laskelmat olivat osoittaneet, että LIGO oli tuskin siinä herkkyysrajassa, joka tarvitaan gravitaatioaaltojen havaitsemiseksi. Joten vuonna 2010 LIGO suljettiin useille päivityksille yli 200 miljoonan dollarin arvosta, ja syksyllä 2015 otettiin käyttöön parannettu LIGO, monta kertaa herkempi. Yllättäen, vähemmän kuin kaksi päivää myöhemmin, äkillinen vapina räpytti ilmaisinta Louisianassa, ja seitsemän millisekuntia myöhemmin Washingtonissa oleva ilmaisin kutistui melkein täsmälleen samalla tavalla. Hienojen värähtelyjen malli vastasi sitä, mitä tietokonesimulaatiot ennustivat painovoima-aalloille, joita tuottaisivat lopulliset kiertoradat, jotka kiertävät yhdessä mustia reikiä.
Sisälläni oleva ystäväni, joka vannoi salassapitovelvollisuuteen, mutta oli halukas antamaan ei-niin hienovaraisen vihjeen, kertoi minulle: ”Kuvittele vain, että villein unelmamme on toteutunut.” Mutta se oli tämä painovoima-aalto-jättipotin lyöminen. se antoi tutkijoille tauon. Se oli melkein liian täydellinen.
LIGO-laite riippuu tarkasti suunnitelluista ja täysin puhtaista peileistä. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Muutaman kuukauden intensiivisen ja ahkeran pyrkimyksen avulla tutkia huolellisesti kaikki muut selitykset, vaikka ne olisivatkin epätodennäköisiä, vain yksi johtopäätös jätettiin seisomaan. Signaali oli todellinen. Vuosisata sen jälkeen, kun Einstein ennusti niiden olemassaoloa, yli 1000 LIGO-kokeessa työskentelevää tutkijaa juhlivat gravitaatioaaltojen ensimmäistä suoraa havaitsemista. He olivat kiinni yli miljardi vuotta sitten vapautuneen gravitaation tsunamin hetkellisestä nurinasta, tumman fuusion seurauksena jossain syvän eteläisen taivaan alueella.
Virallinen lehdistötiedote 11. helmikuuta Washington DC: ssä oli sähköinen. Omassa laitoksessani, Columbian yliopistossa, meidän piti siirtää prosessien suoravirta yksi kampuksen suurimmista tapahtumapaikoista, ja vastaavat tarinat toistettiin yliopistoissa ympäri maailmaa. Painovoima-aallot lykkäsivät hetkeksi presidentin ennustetta.
Jännitys oli perusteltua. Historia palaa löytölle yhtenä niistä harvoista käännekohdista, jotka muuttavat tieteen kulkua. Siitä lähtien, kun ensimmäinen ihminen näytti taivaalta, olemme tutkineet maailmankaikkeutta valon aaltojen avulla. Teleskooppi paransi merkittävästi tätä kykyä, ja sen kanssa tapasimme uusien kosmisten maisemien loiston. 1900-luvun aikana olemme laajentaneet erilaisia valosignaalien tyyppejä, joita havaitsemme - infrapuna-, radio-, ultravioletti-, gamma- ja röntgensäteet - kaikenlaista valoa, mutta aallonpituuksilla, jotka ovat alueen ulkopuolella, mitä voimme nähdä paljaalla silmällä. Ja näiden uusien koettimien avulla kosminen maisema rikastui edelleen.
Painovoima-aallot ovat täysin erilainen kosminen koetin, jolla voi olla vielä dramaattisempia seurauksia. Valo voidaan estää. Läpinäkymätön materiaali, kuten ikkunaverho, voi estää näkyvän valon. Metallihäkki voi estää radioaaltoja. Sitä vastoin painovoima kulkee kaiken läpi, käytännöllisesti katsoen muuttumattomana.
Ja niin, koettimena painovoima-aaltojen avulla pystymme tutkimaan valoja rajoittamattomia alueita, kuten kaoottista avaruusaikaa, kun kaksi mustaa reikää törmäävät, tai ehkä suuren iskun räjähdysmäinen jyrinä, 13, 8 miljardia vuotta sitten. Jo havainto on jo vahvistanut ajatuksen, että mustia reikiä saattaa muodostua binaarisia pareja. Vielä houkuttelevampaa, saatamme löytää tumman maiseman, jonka asuttamat asiat olemme vielä edes kuvitelleet.
Tunnistimien verkostona ympäri maailmaa - Italiassa, Saksassa, pian Japanissa ja todennäköisesti Intiassa - yhdistävät tietonsa, ja toivottavasti siihen liittyy tulevaisuudessa valtava avaruudessa toimiva ilmaisin, kykymme koettaa kosmosta vie uuden valtavan harppauksen. eteenpäin. Mikä on täysin jännittävää. Ei ole mitään inspiroivaa kuin kykymme, joka on jatkuvasti läsnä olevien maanpäällisten kamppailuidemme keskellä, etsiä, ihmetellä ja kekseliäisyyttä ja omistautumista nähdä vähän kauempana.
**********
