Oscilațiile în spațiu-timp au fost descoperite la un secol după ce au fost prezise de Einstein. Începe o nouă eră în astronomie.
Oamenii de știință au reușit să detecteze fluctuațiile spațiu-timp cauzate de fuzionarea găurilor negre. Acest lucru s-a întâmplat la o sută de ani după ce Albert Einstein a prezis aceste „unde gravitaționale” în teoria sa relativă generală și la o sută de ani după ce fizicienii au început să le caute.
Această descoperire de referință a fost raportată astăzi de cercetătorii de la LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Au confirmat zvonurile care au înconjurat analiza primului set de date pe care le-au strâns de luni de zile. Astrofizicienii spun că descoperirea undelor gravitaționale ne permite să privim universul într-un mod nou și face posibilă recunoașterea evenimentelor îndepărtate care nu pot fi văzute cu telescoapele optice, dar puteți simți și chiar auzi tremurăturile lor slabe care ajung la noi prin spațiu.
„Am detectat unde gravitaționale. Am reusit! a anunțat David Reitze, directorul executiv al echipei de cercetare de 1.000 de membri, vorbind astăzi la o conferință de presă la Washington la National Science Foundation.
Undele gravitaționale sunt probabil cel mai evaziv fenomen din predicțiile lui Einstein, omul de știință a discutat acest subiect cu contemporanii săi timp de decenii. Conform teoriei sale, spațiul și timpul formează materia care se întinde, care se îndoaie sub influența obiectelor grele. A simți gravitația înseamnă a intra în curbele acestei materii. Dar poate acest spațiu-timp să tremure ca pielea unei tobe? Einstein era confuz, nu știa ce înseamnă ecuațiile sale. Și și-a schimbat în mod repetat punctul de vedere. Dar chiar și cei mai fermi susținători ai teoriei sale credeau că undele gravitaționale erau prea slabe pentru a fi observate oricum. Ele cad în cascadă după anumite cataclisme și, în timp ce se mișcă, se întind alternativ și se contractă spațiu-timp. Dar până când aceste valuri ajung pe Pământ,se întind și comprimă fiecare kilometru de spațiu cu o mică fracțiune din diametrul unui nucleu atomic.
Detector observator LIGO în Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Video promotional:
A fost nevoie de răbdare și precauție pentru a detecta aceste unde. Observatorul LIGO a lansat raze laser înainte și înapoi de-a lungul coatelor de patru kilometri ale a două detectoare în unghi drept, unul în Hanford, Washington și celălalt în Livingston, Louisiana. Acest lucru a fost făcut în căutarea unor expansiuni și contracții coincidente ale acestor sisteme în timpul trecerii undelor gravitaționale. Folosind stabilizatori de ultimă generație, instrumente de vid și mii de senzori, oamenii de știință au măsurat modificările în lungimea acestor sisteme, în valoare de doar o miime din dimensiunea unui proton. O astfel de sensibilitate a instrumentelor era de neconceput acum o sută de ani. De asemenea, părea incredibil în 1968, când Rainer Weiss de la Massachusetts Institute of Technology a conceput un experiment numit LIGO.
„Este un mare miracol că până la urmă au reușit. Au reușit să detecteze aceste mici vibrații! - a spus fizicianul teoretic de la Universitatea din Arkansas, Daniel Kennefick, care a scris în 2007 cartea Călătorind cu viteza gândirii: Einstein și căutarea undelor gravitaționale.
Această descoperire a marcat începutul unei noi ere în astronomia unde gravitaționale. Se speră că vom avea idei mai exacte despre formarea, compoziția și rolul galactic al găurilor negre - aceste bile superdense de masă care distorsionează spațiul-timp atât de dramatic încât nici lumina nu poate scăpa de acolo. Când găurile negre se apropie unele de altele și se îmbină, acestea generează un semnal de impuls - oscilații spațiu-timp care cresc în amplitudine și ton, apoi se termină brusc. Semnalele care pot fi înregistrate de observator sunt în domeniul sonor - cu toate acestea, sunt prea slabe pentru a fi auzite de urechea goală. Puteți recrea acest sunet trecând degetele peste tastele pianului. "Începeți de la cea mai mică notă și lucrați până la a treia octavă", a spus Weiss. „Asta auzim”.
Fizicienii sunt deja uimiți de numărul și puterea semnalelor înregistrate în acest moment. Aceasta înseamnă că există mai multe găuri negre în lume decât se credea anterior. „Suntem norocoși, dar m-am bazat întotdeauna pe un astfel de noroc”, a spus astrofizicianul Caltech Kip Thorne, care a creat LIGO împreună cu Weiss și Ronald Drever, care sunt și ei din Caltech. „Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când se deschide o fereastră complet nouă în univers.”
Ascultând undele gravitaționale, putem forma idei complet diferite despre spațiu și, probabil, vom descoperi fenomene cosmice de neimaginat.
„Pot compara acest lucru cu momentul în care am îndreptat prima dată un telescop în sus spre cer”, a spus astrofizicianul teoretic Janna Levin de la Barnard College, Columbia University. „Oamenii și-au dat seama că există ceva acolo și îl puteți vedea, dar nu au putut prezice setul incredibil de posibilități care există în univers”. La fel, a remarcat Levin, descoperirea undelor gravitaționale ar putea arăta că universul este „plin de materie întunecată pe care nu o putem detecta doar cu un telescop”.
Povestea descoperirii primei unde gravitaționale a început luni dimineața în septembrie și a început cu o palpitare. Semnalul a fost atât de clar și de puternic încât Weiss s-a gândit: „Nu, asta este o prostie, nu va ieși nimic din el”.
Intensitatea emoțiilor
Această primă undă gravitațională a străbătut detectoarele LIGO actualizate - mai întâi în Livingston și șapte milisecunde mai târziu în Hanford - în timpul unei rulări simulate devreme în dimineața zilei de 14 septembrie, cu două zile înainte de începerea oficială a colectării datelor.
Detectoarele au fost „run-in” după un upgrade de cinci ani care a costat 200 de milioane de dolari. Acestea sunt echipate cu noi oglinzi pentru anularea zgomotului și un sistem de feedback activ pentru a suprima vibrațiile străine în timp real. Actualizarea a oferit observatorului actualizat un nivel de sensibilitate mai mare decât vechiul LIGO, care a găsit „zero absolut și pur”, după cum a spus Weiss, între 2002 și 2010.
Când a venit semnalul puternic în septembrie, oamenii de știință din Europa, unde era dimineața în acel moment, au început să-și bombardeze în grabă colegii americani cu e-mailuri. Când restul grupului s-a trezit, vestea s-a răspândit foarte repede. Aproape toată lumea a fost sceptică cu privire la acest lucru, a spus Weiss, mai ales când au văzut semnalul. A fost un adevărat manual clasic, așa că unii oameni au crezut că este un fals.
Concepțiile greșite în căutarea undelor gravitaționale s-au repetat de multe ori de la sfârșitul anilor 1960, când Joseph Weber de la Universitatea din Maryland a crezut că a descoperit vibrații rezonante într-un cilindru de aluminiu cu senzori ca răspuns la unde. În 2014, a avut loc un experiment numit BICEP2, conform căruia rezultatele au fost anunțate că au fost detectate undele gravitaționale originale - oscilațiile spațiu-timp din Big Bang, care până acum s-au întins și au înghețat permanent în geometria universului. Oamenii de știință din echipa BICEP2 și-au anunțat descoperirea cu mare fanfară, dar apoi rezultatele lor au fost verificate independent, timp în care s-a dovedit că s-au înșelat și că acest semnal provine din praful cosmic.
Când cosmologul Universității de Stat din Arizona, Lawrence Krauss, a aflat despre descoperirea echipei LIGO, a crezut mai întâi că este o „chestiune oarbă”. În timpul funcționării vechiului observator, semnalele simulate au fost inserate în secret în fluxurile de date pentru a testa răspunsul, iar majoritatea echipei nu știau despre acesta. Când Krauss a aflat dintr-o sursă de cunoștințe că de data aceasta nu era „umplutură oarbă”, cu greu putea să-și rețină entuziasmul bucuros.
Pe 25 septembrie, el a scris pe Twitter celor 200.000 de adepți ai săi de pe Twitter: „Zvonurile despre o undă gravitațională detectată pe detectorul LIGO. Uimitor dacă este adevărat. Vă dau detaliile, dacă nu este un tei ". Urmează o intrare din 11 ianuarie: „Zvonurile anterioare despre LIGO au fost confirmate de surse independente. Urmăriți știrile. Poate că sunt descoperite undele gravitaționale!"
Poziția oficială a oamenilor de știință a fost următoarea: nu răspândiți despre semnalul primit până când nu există o certitudine sută la sută. Thorne, legat de mâini și picioare de acest angajament de secret, nici măcar nu i-a spus nimic soției sale. „Am sărbătorit singur”, a spus el. Pentru început, oamenii de știință au decis să se întoarcă la început și să analizeze totul până la cele mai mici detalii, pentru a afla cum s-a propagat semnalul prin miile de canale de măsurare ale diferiților detectori și pentru a înțelege dacă a existat ceva ciudat în momentul în care semnalul a fost detectat. Nu au găsit nimic ieșit din comun. De asemenea, au eliminat hackerii care ar fi trebuit să știe cel mai bine despre mii de fluxuri de date din experiment. "Chiar și atunci când echipa aruncă, nu sunt suficient de perfecti și lasă o mulțime de urme în urma lor", a spus Thorne. - Și nu erau urme aici.
În săptămânile care au urmat, au auzit un alt semnal mai slab.
Oamenii de știință au analizat primele două semnale și au primit din ce în ce mai multe. În ianuarie, și-au prezentat lucrările de cercetare în Physical Review Letters. Această problemă este astăzi pe internet. Conform estimărilor lor, semnificația statistică a primului, cel mai puternic semnal depășește „5-sigma”, ceea ce înseamnă că cercetătorii sunt încrezători în 99,9999% în autenticitatea acestuia.
Ascultând gravitația
Ecuațiile relativității generale ale lui Einstein sunt atât de complexe încât a fost nevoie de 40 de ani pentru a fi de acord majorității fizicienilor: da, undele gravitaționale există și pot fi detectate - chiar și teoretic.
La început, Einstein a crezut că obiectele nu pot elibera energie sub formă de radiații gravitaționale, dar apoi și-a schimbat punctul de vedere. În lucrarea sa istorică, scrisă în 1918, el a arătat ce obiecte pot face acest lucru: sisteme în formă de gantere care se rotesc simultan în jurul a două axe, de exemplu, binare și supernove care explodează ca petarde. Ei pot genera valuri în spațiu-timp.
Model de computer care ilustrează natura undelor gravitaționale din sistemul solar
Foto: REUTERS, fișă
Dar Einstein și colegii săi au continuat să ezite. Unii fizicieni au susținut că, chiar dacă există valuri, lumea va vibra cu ele și va fi imposibil să le simți. Abia în 1957 Richard Feynman a închis această întrebare demonstrând într-un experiment gândit că, dacă există unde gravitaționale, ele pot fi detectate teoretic. Dar nimeni nu știa cât de comune erau aceste sisteme de gantere în spațiul cosmic sau cât de puternice sau slabe erau undele rezultate. „În cele din urmă, întrebarea a fost: le putem găsi vreodată?” Spuse Kennefick.
În 1968, Rainer Weiss era un tânăr profesor la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și a fost însărcinat să predea un curs de relativitate generală. În calitate de experimentator, știa puțin despre asta, dar dintr-o dată s-au aflat vești despre descoperirea de către Weber a undelor gravitaționale. Weber a construit trei detectoare de rezonanță de dimensiuni de birou din aluminiu și le-a plasat în diferite state americane. Acum a spus că toți cei trei detectori au înregistrat „sunetul undelor gravitaționale”.
Elevii lui Weiss au fost rugați să explice natura undelor gravitaționale și să își exprime părerea despre mesajul sunat. Studiind detaliile, a fost uimit de complexitatea calculelor matematice. „Nu mi-am putut da seama ce naiba făcea Weber, cum interacționează senzorii cu unda gravitațională. Am stat mult timp și m-am întrebat: „Care este cel mai primitiv lucru la care mă pot gândi pentru a detecta undele gravitaționale?” Și apoi mi-a venit în minte o idee, pe care o numesc baza conceptuală a LIGO.”
Imaginați-vă trei obiecte în spațiu-timp, să zicem, oglinzi la colțurile unui triunghi. "Trimiteți un semnal luminos de la unul la altul", a spus Weber. „Vedeți cât durează trecerea de la o masă la alta și verificați dacă timpul s-a schimbat.” Oamenii de știință au observat că se poate face acest lucru rapid. „Am încredințat acest lucru studenților mei ca sarcină științifică. Literal, întregul grup a reușit să facă aceste calcule."
În anii următori, când alți cercetători au încercat să reproducă rezultatele experimentului lui Weber cu un detector rezonant, dar au eșuat constant (nu este clar ce a observat, dar acestea nu au fost unde gravitaționale), Weiss a început să pregătească un experiment mult mai precis și ambițios: interferometrul undei gravitaționale. Raza laser reflectă trei oglinzi în formă de L pentru a forma două raze. Distanța dintre vârfuri și jgheaburi de unde luminoase indică cu exactitate lungimea genunchilor „G” care creează axele X și Y ale spațiului-timp. Când scara este staționară, cele două unde luminoase sar de pe colțuri și se anulează reciproc. Semnalul din detector este zero. Dar dacă o undă gravitațională trece prin Pământ, aceasta întinde lungimea unui braț din litera „G” și comprimă lungimea celuilalt (și invers, la rândul său). Nepotrivirea celor două fascicule de lumină creează un semnal în detector, arătând ușoare fluctuații în spațiu-timp.
La început, colegii fizicieni erau sceptici, dar în curând experimentul a găsit sprijin în persoana lui Thorne, al cărui grup de teoreticieni din Caltech a investigat găurile negre și alte surse potențiale de unde gravitaționale, precum și semnalele pe care le generează. Thorne a fost inspirat de experimentul lui Weber și de eforturile similare ale oamenilor de știință ruși. După ce am vorbit în 1975 la o conferință cu Weiss, „am început să cred că detectarea undelor gravitaționale va avea succes”, a spus Thorne. „Și am vrut ca Caltech să fie implicat și în asta”. A aranjat împreună cu institutul să angajeze experimentatorul scoțian Ronald Driever, care a anunțat, de asemenea, că va construi un interferometru cu unde gravitaționale. De-a lungul timpului, Thorne, Driver și Weiss au început să lucreze ca o singură echipă, fiecare rezolvându-și propria parte din nenumărate probleme în pregătirea unui experiment practic. Trio-ul a format LIGO în 1984, iar când au fost construite prototipuri și o echipă în creștere a început să colaboreze, au primit finanțare de 100 de milioane de dolari de la Fundația Națională pentru Științe la începutul anilor '90. Au fost întocmite planuri pentru construirea unei perechi de detectoare gigantice în formă de L. Un deceniu mai târziu, detectoarele au început să funcționeze.
În Hanford și Livingston, în centrul fiecărei îndoiri de patru kilometri a detectoarelor există un vid, datorită căruia laserul, fasciculul și oglinzile sale sunt izolate maxim de vibrațiile constante ale planetei. Pentru a asigura și mai mult, oamenii de știință LIGO își monitorizează detectoarele în timpul funcționării cu mii de instrumente, măsurând tot ce pot: activitate seismică, presiune atmosferică, fulgere, raze cosmice, vibrații ale echipamentelor, sunete în zona fasciculului laser etc. Apoi filtrează acest zgomot de fond nedorit din datele lor. Poate că principalul lucru este că au doi detectori și acest lucru vă permite să comparați datele primite, verificându-le prezența semnalelor coincidente.
În interiorul vidului, chiar și atunci când laserele și oglinzile sunt complet izolate și stabilizate, „se întâmplă tot timpul lucruri ciudate”, spune Marco Cavaglià, purtător de cuvânt adjunct al proiectului LIGO. Oamenii de știință trebuie să urmărească aceste „pești aurii”, „fantome”, „monștri de mare de neînțeles” și alte fenomene vibraționale străine, aflându-și sursa pentru a o elimina. Un caz dificil s-a produs în timpul fazei de validare, a declarat Jessica McIver, cercetător al echipei LIGO, care studiază astfel de semnale și interferențe străine. O serie de zgomote periodice cu frecvență unică au apărut adesea în date. Când ea și colegii ei au transformat vibrațiile oglinzilor în fișiere audio, „telefonul sună distinct”, a spus McIver. "S-a doveditcă agenții de publicitate de comunicații sunau la telefon în camera laserului."
În următorii doi ani, oamenii de știință vor continua să îmbunătățească sensibilitatea detectoarelor observatorului modernizat cu interferențe laser cu undă gravitațională LIGO. Și în Italia, un al treilea interferometru, numit Advanced Virgo, va începe să funcționeze. Un răspuns pe care datele obținute îl vor oferi este modul în care se formează găurile negre. Sunt produsul prăbușirii celor mai vechi stele masive sau sunt rezultatul coliziunilor în grupuri stelare dense? „Acestea sunt doar două ipoteze, presupun că vor fi mai multe când toată lumea se liniștește”, spune Weiss. Pe măsură ce LIGO începe să acumuleze noi statistici în cursul lucrărilor sale viitoare, oamenii de știință vor începe să asculte povești despre originea găurilor negre pe care spațiul le va șopti.
În formă și dimensiune, primul, cel mai puternic semnal pulsat a apărut la 1,3 miliarde de ani lumină de unde, după o eternitate de dans lent, sub influența atracției gravitaționale reciproce, s-au contopit în cele din urmă două găuri negre, fiecare de aproximativ 30 de ori mai mare decât masa solară. Găurile negre se înconjurau din ce în ce mai repede, ca un vârtej, apropiindu-se treptat. Apoi a avut loc o fuziune și, într-o clipită, au eliberat unde gravitaționale cu o energie comparabilă cu cea a celor trei Sori. Această fuziune a devenit cel mai puternic fenomen energetic înregistrat vreodată.
"Este ca și cum nu am fi văzut niciodată oceanul în timpul unei furtuni", a spus Thorne. Aștepta această furtună în spațiu-timp încă din anii 1960. Sentimentul pe care Thorne l-a experimentat în timp ce valurile se rostogoleau nu a fost entuziasm, spune el. Era altceva: un sentiment de satisfacție profundă.
