Mis see on?
Neljapäeval (11. veebruaril) kell 10.30 toob Washingtoni Riiklik Teadusfond kokku teadlased Caltechist, MIT-st ja LEU teadusalast koostööd, et teavitada teadlaskondi laserinterferomeetrilise gravitatsioonilaine vaatluskeskuse (LIGO) jõupingutuste tulemustest gravitatsioonilainete avastamiseks .
Mõnede väga spetsiifiliste kuulujuttude tulemusena, mis on suunatud selle piinliku rippli avastamisele kosmoses, on suured lootused, et LIGO teaduskoostöö lõpeb lõpuks palavikulise arutlusega ja kuulutab välja gravitatsioonilainete avastamise.
Aga miks see nii tähtis on? Ja mis on “gravitatsioonilained”?
Gravitatsioonilised lained oma kõige üldisemas mõttes on pulssatsioonid kosmoses. Albert Einstein eeldas veidi rohkem kui 100 aastat tagasi, need pulsatsioonid kannavad gravitatsioonienergiat massiivsete objektide kiirendamisest kosmoses. Me võime ette kujutada gravitatsiooni laineid tiigi pinnal olevate lainetena; visake veega kivi ja lained lähevad üle langenud objekti pinnale. Gravitatsioonilised lained on sarnased: nägu on kaks musta auku (näiteks) ja „pulsatsioon“ läheb ruumi, viies energia kokkupõrke kohas valguse kiirusega. Puuduvad tõestatud tähelepanekud gravitatsioonilaine olemasolu kohta, kuid nende tuvastamist ei peetud võimalikuks ... alles hiljuti.
Mis neid teeb?
Mustad augud on universumis kõige massiivsemad ja tihedamad objektid ning tõenäoliselt on need gravitatsioonilaine aktiivsuse keskused, eriti kui nad põrkuvad ja ühinevad. Nende gravitatsiooniliste hiiglite kasvumehhanismi võtmeks peetakse mustade aukude ühendamist . Kui kaks galaktikat ühendavad oma kesksed, väga rasked mustad augud, hakkavad nad üksteise ümber pöörlema ja seejärel põrkuma, moodustades suure musta auku. Sel juhul pärinevad gravitatsioonilised lained mustadest avadest, enne kui nad kokku puutuvad. Mida rohkem objekte üksteisele läheneb, seda tugevam on lainete gravitatsioonienergia, võttes rohkem ja rohkem energiat mustadest aukudest nende kokkupõrgetesse, helistades nagu "bell" pärast nende ühinemist. Teine energianähtus, mis tekitab gravitatsioonilaine kiire purse, on supernova. Pärast seda, kui vesinikkütusest on lõppenud massiivne täht, siis plahvatab see massiivse gravitatsioonirõhu. Plahvatuse tagajärjel tekib gravitatsioonilaine pulss, mis läbib kosmoset.
Gravitatsioonilaine saab luua ka kiiresti pöörlevate objektide abil, kuid on üks trikk. Ainult asümmeetrilised (st mitte sümmeetrilised) suured pöörlevad objektid võivad perioodilises vormis gravitatsioonilaineid eraldada. Näiteks "pöörlev" neutronitäht, mille poolkera ühel poolel on kumerad ained, "segab" ruumi-aega, et luua gravitatsioonilaine. Kuid täiesti sümmeetriline neutronitäht ei tekita gravitatsioonilaineid. Kõige lihtsam on seda mõista, kui kujutada ette ovaalse kujuga palli, mis pöörleb basseini pinnal; kui pall on ketrus, tekitab see veepinnal suuri laineid. Teisest küljest tekitab ümmargune pall pinnale peeneid ripseid.
Võib arvata, et Suur Pomm põhjustas universumi alguses umbes 14 miljardit aastat tagasi tugeva gravitatsioonilaine voo. Siiski ei ole tõenäoline, et neid algseid gravitatsioonilaine avastatakse, kuna nende signaal on tänapäeva universumis liiga nõrk. Kuid püütakse neid avastada Suure Paugu „taustavalgust”. Selline projekt on BICEP2 teleskoop lõunapoolusel, mis otsib kosmilise mikrolaine taustal väga spetsiifilist tüüpi polariseerumist, mida tõenäoliselt põhjustab primaarne gravitatsioonilaine. Vaatamata hiljutistele teadetele pole neid signaale veel avastatud.
Kuidas neid tuvastada?
2002. aastal alustas laserinterferomeetriline gravitatsioonilaine vaatluskeskus (LIGO) konkreetse ülesande tööd: meie kohalikku ruumi läbiva gravitatsioonilaine otsene avastamine. Gravitatsioonilised lained edastatakse ruumis ja neid saab avastada igal taevaosal öösel ja päeval, läbides udu, tähte ja isegi tahkeid planeede. Need lained läbivad teoreetiliselt pidevalt kosmoset, reisides täiesti vabalt. Need lained võivad olla kõikjal, kuid nende mõju on üllatavalt nõrk ja LIGO eesmärk oli uurida nende võimalikku olemasolu. LIGO koosneb kahest vaatlusjaamast, mis asuvad üksteisest 2 000 miili kaugusel - üks Washingtonis, teine Louisiana. Mõlemad jaamad on identsed ja neil on kaks pikka L-kujulist tunnelit. Iga tunnel on 2,5 miili pikkune. L-nurk sisaldab keerulist optilist laboratooriumi, mis kasutab lasereid gravitatsioonilaine läbimisest tingitud väikeste vahemaade tuvastamiseks. LIGO seadmed suudavad tuvastada väikseima faasimuutuse, kui korduvad laserid mööda tunnelit ja seejärel talasid võrrelda. Seda äärmiselt täpset tehnikat nimetatakse interferomeetriaks. Igasugune faasimuutus võib tähendada ruumi-aja väikest kumerust - väike muutus kauguses, mis võrdub 1/1000 prootoni laiusega.
Seni ei suutnud LIGO tuvastada gravitatsioonilainete signaale, kuid täiustatud LIGO-ga uuenemise korral võib olukord muutuda.
Täiustatud LIGO jaoks on kaks jaama. Kui üks jaam tuvastab ruumi-aja muutuse ja teine ei tee seda, siis teadlased võivad välistada gravitatsioonilaine leviku. Need valehäired võivad olla põhjustatud mööduva veoauto või tormi ajal tugevate tuulte vibratsioonist. Ainult siis, kui kaks jaama salvestavad sama sündmuse, kinnitatakse gravitatsioonilaine olemasolu.
Teised maapealsed gravitatsioonilaine detektorid, nagu Virgo (Itaalia) ja GEO 600 (Saksamaa), kasutavad ka interferomeetriaid, et jäädvustada neid väikeseid vahemaasid. Hiljuti käivitati LISA Pathfinder missioon, et testida võtmetehnoloogiaid, kasutades Evolution Laser Interferometer Space Antenna järgmise põlvkonna kosmose interferomeetrit (eLISA), mida Euroopa Kosmoseagentuur kavatseb käivitada aastal 2034.
Miks nad nii tähtsad on?
gravitatsioonilaine avastamise kinnituseks on teoreetilise füüsika ja tehnoloogia arengu lõplik ühendamine. Gravitatsioonilised lained sünnivad otse Einsteini üldise suhtelisuse teooriast, mis kirjeldab ruumi ja aja olemust. On üllatav, et 100 aastat tagasi, aasta aastas, külvas Einstein nende ruumide häirete jaoks seemneid ainult nii, et sajandil võime arendada tehnoloogiat ja püüda neid tegelikult avastada. Nende avastus kinnitab veel ühte üldise suhtelisuse teooria eeldust ja aitab meil tulevikus leida vastuseid mõnele kõige ebameeldivamale mõistatusele, millega seisavad silmitsi astrofüüsikud ja kosmoloogid.
Gravitatsioonilainete otsene avastamine on kahtlemata Nobeli preemia vääriline sündmus ja teadlasel ei ole kahtlust, et see saavutus on võrdne Higgsi bosoni avastamisega 2012. aastal ja võib-olla isegi Edwin Hubble'i kontseptsiooniga Universumi laienemisest 1929. aastal.
On uudishimulik, et ta väitis, et erinevad kosmilised nähtused loovad erineva sagedusega gravitatsioonilaine. Kaasaegne astronoomia keskendub elektromagnetilise spektri kasutamisele Universumi avastamiseks. Traditsiooniliselt kasutasid astronoomid elektromagnetilise spektri valguse nähtavat osa planeetide avamiseks ja isegi naabruses asuvate galaktikate vaatamiseks. Astronoomiliste meetodite ja tehnoloogia moderniseerimisega hakkasid astronoomid uurima erinevate sagedustega laineid, nagu röntgenikiirgus, et näha energiasündmusi mustade aukude ja infrapunakiirguse ümber, et uurida tähtkuju moodustavaid udusid.
Kuid gravitatsioonilaine otsene avastamine on paradigmamuutus. Piisava arvu gravitatsioonilainete detektorite abil on võimalik „näha” objekte ja objekte, mis jäävad elektromagnetilise spektri nähtamatuks. Näiteks kaks mustad augud, mis põrkuvad, ei saa luua palju elektromagnetkiirgust, kuid nad võivad luua tohutu gravitatsioonilaine signaali. Ja nagu elektromagnetiline kiirgus, kirjeldab gravitatsioonilaine sagedus neid tekitavate nähtuste olemust. Lõppkokkuvõttes suudame luua lähedal asuva Universumi gravitatsioonikaardi, millel on ajalised nähtused, nagu supernoov, ja perioodilised pulsatsioonid mustade aukude pöörlemisest. Astronoomilised gravitatsioonilained loovad revolutsiooni meie universumi tajumises.
