Znanstvenici su prvi put čuli gravitacijsku ariju.
Povezani sadržaj
- Pet stvari koje treba znati o gravitacijskim valovima
- Sedam jednostavnih načina za koje znamo da je Einstein bio u pravu (za sada)
Dok su se dvije crne rupe spirali jedna prema drugoj i spojile, stvorile su pukotine u tkivu kozmosa u točno onom obliku u kojem su fizičari predviđali stoljeće: gravitacijski valovi. Objavljen danas tijekom skupa međunarodnih konferencija za novinare, signal utire put potpuno novom razumijevanju svemira.
"Ovo je prvi put da nam je svemir govorio putem gravitacijskih valova. Do sada smo bili gluvi", izjavio je danas direktor laboratorija LIGO David Reitze sa Sveučilišta Florida, na konferenciji za novinare u Washingtonu, DC
U korijenu gravitacijskih valova nalazi se teorija gravitacije Alberta Einsteina koja kaže da bilo što s masom izobličava samu tkaninu prostora-vremena. Kada se masivni predmeti kreću, oni stvaraju izobličenja u kozmičkoj tkanini, stvarajući gravitacijske valove. Ti se valovi kolebaju kroz svemir poput zvučnih valova koji pulsiraju kroz zrak.
Einsteinova teorija predviđa da svemir propada gravitacijskim valovima, ali dosad ih nismo uspjeli otkriti, dijelom zato što su valovi izuzetno slabi. No, čak i prije nego što su njeni nadograđeni instrumenti službeno postali online prošle godine, Laser Interferometer Gravitacijsko-valni opservatorij (LIGO) pokupio je jasan signal snažnog sudara dviju crnih rupa udaljenih 1, 3 milijarde svjetlosnih godina.
"Začuđujuće je otkrivanje gravitacijskog valnog signala dok LIGO još uvijek nije u blizini dizajnerske osjetljivosti na prvom znanstvenom pokretu zadivljujuće, na dobar način je spuštanje čeljusti", kaže Joan Centrella, koja je vodila Gravitacijski astrofizički laboratorij u NASA-inom svemirskom letu Goddard. Centrirajte prije nego što postane zamjenik direktora Odjela za astrofizičku znanost u Goddardu.
Taj se ushit prepustio LIGO-ovom Livingstonu, Louisiani, opservatoriju i ostatku svijeta dok se tim oglasio. Gotovo sve što su astronomi naučili o kosmosu dolazi iz različitih oblika svjetlosti, poput vidljivih, radio valova i X-zraka. Ali baš kao što seizmički valovi mogu otkriti skrivene strukture duboko u Zemlji, gravitacijski valovi sa sobom nose podatke o skrivenim svojstvima svemira koje čak ni svjetlost ne može otkriti.
"Započeli smo s rizičnim poslom s vrlo visokim potencijalnim isplativanjem", rekao je Kip Thorne, suosnivač LIGO-a i gravitacijski fizičar na Kalifornijskom tehnološkom institutu. "I danas smo ovdje s velikim trijumfom - potpuno novim načinom promatranja svemira."
Rani tragovi
Potraga za gravitacijskim valovima započela je prije jednog stoljeća, objavom Einsteinove opće teorije relativnosti. Sredinom 1970-ih, fizičari Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor, Jr. Prikupili su izuzetno uvjerljive dokaze da ove pukotine postoje. Odmjerili su vrijeme potrebno da se dvije guste neutronske zvijezde - zdrobljene jezgre nekoć masivnih zvijezda - vrte u orbiti.
Na temelju Einsteinova djela znali su da ove zvijezde trebaju zračiti gravitacijskom energijom dok se vrte, a ta izgubljena energija trebala bi ih natjerati da se spiraliraju jedna prema drugoj. Nakon proučavanja dviju zvijezda sljedećih nekoliko godina, vidjeli su da se orbita smanjuje za točno onoliko koliko je predviđala opća relativnost.
Iako je taj nalaz zaslužio dvojac Nobelovu nagradu za fiziku 1993., većina fizičara ne bi ga nazvala izravnim otkrivanjem gravitacijskih valova.
LIGO je 2001. započeo s radom na dvije lokacije udaljene 1.875 milja - jedna u Livingstonu, Louisiani, a druga u Hanfordu u Washingtonu. Nekoliko godina kasnije, internetski europski gravitacijski teleskop Djevica također se pojavio na mreži. Oboje su radili do 2010, odnosno 2011, prije nego što su otišli izvan mreže radi nadogradnje.
Dok su se znanstvenici nadali da će ove početne opservatorije uhvatiti gravitacijske valove, znali su da je to dugačak snimak. Ove varalice vrlo su slabi signali, a instrumenti nisu bili dovoljno osjetljivi da čuju njihov šapat. Ali početna vođenja služe kao testovi tehnologije za instrumente sljedeće generacije.
Djevica se i dalje nadograđuje, ali tim LIGO dovršio je svoj rad na oba detektora 2015. godine. Sada zvani Advanced LIGO, promatračnice Louisiane i Washington slušale su gravitacijske valove tijekom prvog vođenja promatranja znanosti između 18. rujna 2015. i 12. siječnja 2015. godine. 2016. Danas objavljeni signal snimljen je neposredno prije one prve službene vožnje jer je tim izvodio operativne testove detektora.
Laserska preciznost
Osjećaj vala koji je prolazio Zemljom zahtijevao je puno pametnog inženjerstva, snage računala i više od 1000 znanstvenika koji rade širom svijeta.
Unutar svake opservatorije LIGO u obliku slova L nalazi se na mjestu susreta dvije okomite cijevi. Laser prolazi kroz instrument koji razdvaja svjetlost tako da dvije zrake putuju otprilike 2, 5 milje niz cijev. Ogledala na krajevima epruveta reflektiraju svjetlost natrag prema izvoru, gdje čeka detektor.
Obično nema svjetla na detektoru. Ali kada gravitacijski val ipak prođe, trebao bi se istestirati i procijediti prostor-vrijeme prema predvidivom obrascu, učinkovito mijenjajući duljine cijevi u maloj količini - redoslijedom jedne tisuće promjera protona. Zatim će malo svjetla sletjeti na detektor.
Da bi se objasnila nevjerojatno mala promjena, zrcala instrumenta pričvršćena su na složene sustave koji ih izoliraju od većine vibracija. Znanstvenici LIGO-a također imaju posebne računalne programe koji mogu filtrirati razne vrste pozadinske buke, poput povremenih podrhtavanja i utvrditi odgovara li bilo koji dolazni signal mogućim astronomskim izvorima izračunatim općom relativnošću.
Položaji Louisiane i Washington rade zajedno kako bi potvrdili uviđaj. "Ne vjerujemo da vidimo gravitacijski val ukoliko oba detektora ne vide isti signal unutar vremena koje bi gravitacijski val trebao proputovati između dva mjesta", kaže članica tima LIGO Amber Stuver sa Sveučilišta Louisiana State. U ovom slučaju val je prošao kroz Zemlju i pogodio dva detektora u razmaku od samo sedam milisekundi.
Nakon što nalazišta Louisiana i Washington otkriju moguću gravitacijsku napjev, znanstvenici se bave analizom. LIGO je prihvatio ovaj signal 14. rujna, ali tek sada može sa velikom sigurnošću reći da su vidjeli gravitacijske valove.
"Trebali su nam mjeseci pažljive provjere, ponovne provjere, analize, rada sa svim podacima da bismo bili sigurni u viđenje", rekao je Reitze tijekom DC događanja. "I sami smo se uvjerili da je to slučaj." Rezultati su prikazani ovaj tjedan u Letter Physical Review .
Pogled iz zraka LIGO detektor u Livingstonu, Louisiana. (LIGO laboratorij) Signal gravitacijskog vala koji su astronomi izvukli iz najnovijih promatranja odgovarao je onome što su očekivali za dvije crne rupe koje se spiralno okreću jedna prema drugoj. Ples šalje gravitacijske valove predviđenom frekvencijom i snagom, ovisno o udaljenosti objekata i njihovoj masi.
Kako počinju plesati sve bliže, valne se dužine gravitacijskih valova smanjuju i njihova pjesma doseže veće visine. Kad se crne rupe zatvore za posljednji zagrljaj, signal gravitacijskog vala ima jednu konačnu visoku notu, ili „cvrktanje“, kako ga astronomi nazivaju.
Signal iz rujna lijepo se podudara s onim što bi tim očekivao od dvije crne rupe s masama jednakim oko 29 i 36 puta većim od sunčeve mase. Te crne rupe strpale su se zajedno da bi stvorile novu crnu rupu 62 puta veću od sunčeve mase - zračeći 3 solarne mase u vrijednosti gravitacijske energije.
Očekivati neočekivano
Ovim početnim otkrivanjem astronomi se nadaju da će napredni LIGO nastaviti hvatati gravitacijske valove i započeti prikupljanje podataka za sve vrste znanstvenih studija, od pronalaženja načina na koji supernove funkcioniraju do učenja o prvih nekoliko trenutaka u svemiru. Iako niti jedan drugi astronomski teleskop nije vidio bilo kakav znak ovog sudara u crnu rupu, neki od drugih izvora koji napredni LIGO traži trebali bi imati palete vidljive teleskopima koji snimaju svjetlost.
To se čini posebno obećavajućim obzirom da napredni LIGO još nije u potpunosti punu osjetljivost. To će doći u narednih nekoliko godina, kaže Stuver.
Svaki od ovih signala dat će astronomima ono što nikad prije nisu imali: način provjere ekstremnih slučajeva gravitacije i pokreta nevidljivih predmeta. Još uzbudljiviji astronomi znaju da nas sa svakim tehnološkim napretkom svemir iznenađuje.
"Svaki put kada smo gledali na nov način i drugačiju vrstu svjetla otkrivamo nešto što nismo očekivali da ćemo pronaći", kaže Stuver. "I to je ono neočekivano što revolucionizira naše razumijevanje svemira." Ne dugo nakon što su astronomi okrenuli radio-antene na nebu, otkrili su neočekivanu vrstu neutronske zvijezde koja se zove pulsar. I, možda poetično, to je bila pulsarna i neutronska zvijezda koja je izvodila orbitalni ples koji su Hulse i Taylor studirali 1970-ih.
Sada, u zoru astronomije gravitacijskog vala, znanstvenici imaju novi alat za uzorkovanje kosmosa. I iz zvuka toga, mi smo za lijepu glazbu.
Napomena urednika: Pripadnost Joan Centrella ispravljena je.
