Oscilácie v časopriestore boli objavené storočie potom, čo ich predpovedal Einstein. Začína sa nová éra v astronómii.
Vedcom sa podarilo zistiť výkyvy v časopriestore spôsobené zlúčením čiernych dier. Stalo sa tak sto rokov potom, čo Albert Einstein predpovedal tieto „gravitačné vlny“vo svojej všeobecnej teórii relativity, a sto rokov potom, čo ich fyzici začali hľadať.
Tento významný objav dnes oznámili vedci z LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Potvrdili fámy, ktoré obklopovali analýzu prvého súboru údajov, ktoré zbierali mesiace. Astrofyzici tvrdia, že objav gravitačných vĺn nám umožňuje pozrieť sa na vesmír novým spôsobom a umožňuje rozpoznať vzdialené udalosti, ktoré nie je možné vidieť pomocou optických ďalekohľadov, ale môžete cítiť a dokonca počuť ich slabé otrasy, ktoré sa k nám dostávajú vesmírom.
"Zistili sme gravitačné vlny." Zvládli sme to!" oznámil dnes na tlačovej konferencii vo Washingtone v Národnej vedeckej nadácii David Reitze, výkonný riaditeľ 1 000-členného výskumného tímu.
Gravitačné vlny sú azda najnepolapiteľnejším javom z Einsteinových predpovedí; vedec o tejto téme diskutoval so svojimi súčasníkmi po celé desaťročia. Podľa jeho teórie priestor a čas tvoria naťahovaciu hmotu, ktorá sa ohýba pod vplyvom ťažkých predmetov. Cítiť gravitáciu znamená dostať sa do kriviek tejto záležitosti. Môže sa však tento časopriestor chvieť ako koža bubna? Einstein bol zmätený, nevedel, čo znamenajú jeho rovnice. A opakovane menil svoj uhol pohladu. Ale aj najodvážnejší stúpenci jeho teórie verili, že gravitačné vlny sú príliš slabé na to, aby ich bolo možné aj tak pozorovať. Kaskádujú sa smerom von po určitých kataklizmách a pri pohybe sa striedavo naťahujú a sťahujú časopriestor. Ale keď sa tieto vlny dostanú na Zem,naťahujú sa a stláčajú každý kilometer vesmíru o malý zlomok priemeru atómového jadra.
Detektor observatória LIGO v Hanforde vo Washingtone
Foto: REUTERS, Hangout
Propagačné video:
Zistiť tieto vlny si vyžadovalo trpezlivosť a opatrnosť. Observatórium LIGO vypúšťalo laserové lúče tam a späť pozdĺž štvorkilometrových pravouhlých ohybov dvoch detektorov, jedného v Hanforde vo Washingtone a druhého v Livingstone v Louisiane. Toto sa uskutočnilo pri hľadaní zhodných rozšírení a kontrakcií týchto systémov počas prechodu gravitačných vĺn. Vedci pomocou najmodernejších stabilizátorov, vákuových prístrojov a tisícov senzorov merali zmeny v dĺžke týchto systémov, ktoré dosiahli iba jednu tisícinu veľkosti protónu. Pred sto rokmi bola takáto citlivosť prístrojov nemysliteľná. Neuveriteľné sa to tiež javilo v roku 1968, keď Rainer Weiss z Massachusettského technologického inštitútu vytvoril experiment s názvom LIGO.
"Je veľkým zázrakom, že sa im to nakoniec podarilo." Boli schopní detekovať tieto malé vibrácie! “- uviedol teoretický fyzik na univerzite v Arkansase Daniel Kennefick, ktorý v roku 2007 napísal knihu Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves.
Tento objav znamenal začiatok novej éry v astronómii gravitačných vĺn. Dúfame, že budeme mať presnejšie predstavy o formovaní, zložení a galaktickej úlohe čiernych dier - týchto superhustých guľôčok hmoty, ktoré tak dramaticky deformujú časopriestor, že odtiaľ nemôže uniknúť ani svetlo. Keď sa čierne diery dostanú blízko k sebe a spoja sa, generujú impulzný signál - časopriestorové oscilácie, ktoré zvyšujú amplitúdu a tón a potom náhle končia. Signály, ktoré môže observatórium zaznamenať, sa nachádzajú v zvukovej oblasti - sú však príliš slabé na to, aby ich bolo možné nahým uchom počuť. Tento zvuk môžete znova vytvoriť prejdením prstov po klávesoch klavíra. "Začnite od najnižšej noty a pracujte až do tretej oktávy," povedal Weiss. „Toto počujeme.“
Fyzici sú už ohromení počtom a silou signálov, ktoré sú momentálne zaznamenané. To znamená, že na svete je viac čiernych dier, ako sa doteraz myslelo. "Máme šťastie, ale s takým šťastím som vždy počítal," uviedol astrofyzik z Caltech, Kip Thorne, ktorý vytvoril program LIGO s Weissom a Ronaldom Dreverom, ktorí tiež pochádzajú z Caltechu. „Toto sa zvyčajne stane, keď sa vo vesmíre otvorí úplne nové okno.“
Po odpočúvaní gravitačných vĺn si môžeme vytvoriť úplne odlišné predstavy o vesmíre a možno objavíme nepredstaviteľné vesmírne javy.
"Môžem to porovnať s okamihom, keď sme prvýkrát nasmerovali ďalekohľad na oblohu," uviedla teoretická astrofyzička Janna Levinová z Barnard College na Kolumbijskej univerzite. „Ľudia si uvedomili, že tam niečo je a vidíte to, ale nedokázali predpovedať neuveriteľný súbor možností, ktoré existujú vo vesmíre.“Rovnako Levin poznamenal, že objav gravitačných vĺn by mohol ukázať, že vesmír je „plný temnej hmoty, ktorú nedokážeme detekovať len pomocou ďalekohľadu“.
Príbeh objavu prvej gravitačnej vlny sa začal v septembri ráno v septembri a začal sa plieskaním. Signál bol taký jasný a hlasný, že si Weiss pomyslel: „Nie, toto je nezmysel, nič z toho nebude.“
Intenzita emócií
Táto prvá gravitačná vlna prešla modernizovanými detektormi LIGO - najskôr v Livingstone a o sedem milisekúnd neskôr v Hanforde - počas simulačného priebehu 14. septembra skoro ráno, dva dni pred oficiálnym začiatkom zberu údajov.
Detektory boli „zabehnuté“po päťročnej modernizácii, ktorá stála 200 miliónov dolárov. Sú vybavené novými zrkadlami na potlačenie hluku a aktívnym systémom spätnej väzby na potlačenie cudzích vibrácií v reálnom čase. Aktualizácia poskytla modernizovanej observatóriu vyššiu úroveň citlivosti ako stará LIGO, ktorá v rokoch 2002 až 2010 zistila „absolútnu a čistú nulu“, ako uviedol Weiss.
Keď v septembri zaznel silný signál, vedci v Európe, kde bolo v tom okamihu ráno, začali narýchlo bombardovať svojich amerických kolegov e-mailami. Keď sa zvyšok skupiny prebudil, správa sa rozšírila veľmi rýchlo. Takmer všetci boli voči tomu skeptickí, povedal Weiss, najmä keď videli signál. Bola to skutočná učebnicová klasika, a tak si niektorí ľudia mysleli, že je to falošný.
Mylné predstavy pri hľadaní gravitačných vĺn sa opakovali mnohokrát od konca 60. rokov, keď sa Joseph Weber z Marylandskej univerzity domnieval, že v rezonančných vibráciách našiel rezonančné vibrácie v hliníkovom valci so senzormi. V roku 2014 prebehol experiment s názvom BICEP2, podľa výsledkov ktorého bolo oznámené, že boli detekované pôvodné gravitačné vlny - časopriestorové oscilácie z Veľkého tresku, ktoré sa teraz natiahli a natrvalo zamrzli v geometrii vesmíru. Vedci z tímu BICEP2 oznámili svoj objav s veľkými fanfárami, potom však boli ich výsledky nezávisle overené, počas čoho sa ukázalo, že sa mýlili a že tento signál pochádzal z kozmického prachu.
Keď sa kozmológ z Arizonskej štátnej univerzity Lawrence Krauss dopočul o objave tímu LIGO, najskôr si myslel, že ide o „slepú vec“. Počas prevádzky starého observatória sa do dátových tokov tajne vkladali simulované signály na kontrolu odozvy a väčšina tímu o tom nevedela. Keď sa Krauss z informovaného zdroja dozvedel, že tentoraz nejde o „slepé vypchávanie“, ťažko mohol obsiahnuť svoje radostné vzrušenie.
25. septembra tweetoval svojim 200 000 nasledovníkom: „Zvesti o gravitačnej vlne zistenej na detektore LIGO. Úžasné, ak je to pravda. Dám vám podrobnosti, ak to nie je lipa. “Potom nasleduje záznam z 11. januára: „Predchádzajúce fámy o spoločnosti LIGO potvrdzujú nezávislé zdroje. Sledujte novinky. Možno sú objavené gravitačné vlny! ““
Oficiálne stanovisko vedcov bolo nasledovné: nešírte sa okolo prijatého signálu, kým nebude stopercentná istota. Thorne, ktorý bol týmto záväzkom mlčanlivosti spútaný za ruky a nohy, svojej žene ani nič nepovedal. "Oslavoval som sám," povedal. Najskôr sa vedci rozhodli vrátiť sa na samý začiatok a analyzovať všetko do najmenších detailov, aby zistili, ako sa signál šíri tisíckami meracích kanálov rôznych detektorov, a aby pochopili, či v čase detekcie signálu existovalo niečo čudné. Nezistili nič neobvyklé. Eliminovali tiež hackerov, ktorí mali vedieť najlepšie o tisícoch dátových tokov v experimente. "Aj keď sa tím vrhne, nie je dosť dokonalý a zanecháva po sebe veľa stôp," uviedol Thorne. „A nebolo tu ani stopy.“
V nasledujúcich týždňoch začuli ďalší, slabší signál.
Vedci analyzovali prvé dva signály a prijímali čoraz viac. V januári predstavili svoje výskumné práce v časopise Physical Review Letters. Toto číslo je dnes na internete. Podľa ich odhadov štatistická významnosť prvého, najsilnejšieho signálu presahuje „5-sigma“, čo znamená, že výskumníci si sú presvedčení o svojej pravosti 99,9999%.
Počúvanie gravitácie
Einsteinove rovnice všeobecnej relativity sú také zložité, že väčšine fyzikov trvalo 40 rokov, kým sa zhodli: áno, gravitačné vlny existujú a dajú sa detegovať - dokonca aj teoreticky.
Einstein si najskôr myslel, že objekty nemôžu uvoľňovať energiu vo forme gravitačného žiarenia, ale potom zmenil svoj pohľad. Vo svojej historickej práci z roku 1918 ukázal, aké objekty to dokážu: systémy činiek, ktoré sa otáčajú súčasne okolo dvoch osí, napríklad binárne súbory a supernovy, ktoré explodujú ako petardy. Sú to oni, ktorí môžu generovať vlny v časopriestore.
Počítačový model ilustrujúci podstatu gravitačných vĺn v slnečnej sústave
Foto: REUTERS, Leták
Einstein a jeho kolegovia však naďalej váhali. Niektorí fyzici tvrdia, že aj keď vlny budú existovať, svet s nimi bude vibrovať a bude nemožné ich cítiť. Až v roku 1957 Richard Feynman uzavrel otázku demonštráciou myšlienkovým experimentom, že ak existujú gravitačné vlny, teoreticky ich možno zistiť. Nikto však nevedel, aké bežné sú tieto systémy činiek vo vesmíre, ani aké silné alebo slabé sú výsledné vlny. "Otázka nakoniec znela: nájdeme ich niekedy?" Povedal Kennefick.
V roku 1968 bol Rainer Weiss mladý profesor na Massachusettskom technologickom inštitúte a bol poverený výučbou kurzu všeobecnej relativity. Ako experimentátor o tom vedel len málo, ale zrazu sa objavili správy o Weberovom objave gravitačných vĺn. Weber zostrojil tri hliníkové rezonančné detektory z hliníka a umiestnil ich do rôznych amerických štátov. Teraz povedal, že všetky tri detektory zaznamenali „zvuk gravitačných vĺn“.
Weissovi študenti boli požiadaní, aby vysvetlili podstatu gravitačných vĺn a vyjadrili svoj názor na zaznenú správu. Keď študoval podrobnosti, bol ohromený zložitosťou matematických výpočtov. "Nemohol som prísť na to, čo do pekla Weber robil, ako senzory interagujú s gravitačnou vlnou." Sedel som dlho a pýtal som sa sám seba: „Čo je najprimitívnejšie, čo ma napadne, aby som detekoval gravitačné vlny?“A potom mi napadol nápad, ktorý nazývam koncepčný základ LIGO. “
Predstavte si tri objekty v časopriestore, povedzme, zrkadlá v rohoch trojuholníka. "Pošlite svetelný signál z jedného do druhého," povedal Weber. „Zistite, ako dlho trvá prechod z jednej masy na druhú, a skontrolujte, či sa zmenil čas.“Ukázalo sa, že vedec poznamenal, že sa to dá urobiť rýchlo. "To som zveril svojim študentom ako vedeckú úlohu." Doslova celá skupina bola schopná vykonať tieto výpočty. ““
V ďalších rokoch, keď sa ďalší vedci pokúsili zopakovať výsledky Weberovho experimentu s rezonančným detektorom, ktorý však neustále zlyhával (nie je jasné, čo pozoroval, nejde však o gravitačné vlny), Weiss začal pripravovať oveľa presnejší a ambicióznejší experiment: interferometr s gravitačnými vlnami. Laserový lúč sa odráža od troch zrkadiel v tvare písmena L a vytvára dva lúče. Rozstup medzi vrcholmi a žľabmi svetelných vĺn presne naznačuje dĺžku kolien „G“, ktoré vytvárajú osi X a Y časopriestoru. Keď je váha nehybná, dve svetelné vlny sa odrážajú od rohov a navzájom sa rušia. Signál v detektore je nulový. Ale ak gravitačná vlna prechádza Zemou, natiahne dĺžku jedného ramena písmena „G“a stlačí dĺžku druhého (a naopak). Nesúlad dvoch svetelných lúčov vytvára v detektore signál, ktorý ukazuje mierne výkyvy v časopriestore.
Spočiatku boli kolegovia fyzici skeptickí, čoskoro však experiment našiel podporu u osoby Thorneho, ktorého skupina teoretikov z Caltechu skúmala čierne diery a ďalšie potenciálne zdroje gravitačných vĺn, ako aj signály, ktoré generujú. Thorne sa nechal inšpirovať Weberovým experimentom a podobným úsilím ruských vedcov. Po vystúpení v roku 1975 na konferencii s Weissom som „začal veriť, že detekcia gravitačných vĺn bude úspešná,“uviedol Thorne. „A chcel som, aby sa do toho zapojil aj Caltech.“Dohovoril s ústavom prijatie škótskeho experimentátora Ronalda Drievera, ktorý tiež oznámil, že postaví interferometr s gravitačnými vlnami. V priebehu času začali Thorne, Driver a Weiss pracovať ako jeden tím, pričom každý z nich si v rámci prípravy praktického experimentu vyriešil svoj vlastný podiel nespočetných problémov. Trojica založila spoločnosť LIGO v roku 1984, a keď boli postavené prototypy a začal sa rozrastajúci sa tím, na začiatku 90. rokov získali finančné prostriedky vo výške 100 miliónov dolárov od Národnej vedeckej nadácie. Boli vypracované plány pre konštrukciu dvojice gigantických detektorov v tvare písmena L. O desať rokov neskôr začali detektory pracovať.
V Hanforde a Livingstone je v strede každého zo štvorkilometrových zákrut detektorov vákuum, vďaka ktorému sú laser, jeho lúč a zrkadlá maximálne izolované od konštantných vibrácií planéty. Aby bolo zaistené ešte viac, vedci z laboratória LIGO monitorujú svoje detektory počas svojej činnosti pomocou tisícov prístrojov a merajú všetko, čo môžu: seizmickú aktivitu, atmosférický tlak, blesky, kozmické lúče, vibrácie zariadení, zvuky v oblasti laserového lúča atď. Potom odfiltrujú tento nežiaduci šum v pozadí zo svojich údajov. Možno je hlavnou vecou, že majú dva detektory, čo vám umožňuje porovnať prijaté dáta a skontrolovať ich prítomnosť zhodných signálov.
Vo vnútri vytvoreného vákua, aj keď sú lasery a zrkadlá úplne izolované a stabilizované, sa neustále dejú „čudné veci“, hovorí Marco Cavaglià, zástupca hovorcu projektu LIGO. Vedci musia sledovať tieto „zlaté rybky“, „duchov“, „nepochopiteľné morské príšery“a ďalšie vedľajšie vibračné javy, aby zistili, aký je ich zdroj, aby ich mohli eliminovať. Počas fázy validácie sa vyskytol jeden zložitý prípad, uviedla Jessica McIver, vedecká pracovníčka z tímu LIGO, ktorá študuje také cudzie signály a interferencie. V dátach sa často objavovala séria periodických jednofrekvenčných zvukov. Keď ona a jej kolegovia previedli vibrácie zrkadiel na zvukové súbory, „telefón výrazne zvonil,“povedal McIver. Ukázalo saže to boli inzerenti komunikácií, ktorí volali do telefónu v laserovej miestnosti. ““
V nasledujúcich dvoch rokoch budú vedci pokračovať v zlepšovaní citlivosti detektorov modernizovaného laserového interferometrického observatória gravitačných vĺn LIGO. A v Taliansku začne pracovať tretí interferometer s názvom Advanced Virgo. Jednou z odpovedí, ktorú získané údaje pomôžu, je spôsob vzniku čiernych dier. Sú produktom zrútenia prvých hmotných hviezd alebo sú výsledkom zrážok v hustých hviezdokopách? "Sú to iba dva predpoklady, predpokladám, že bude viac, keď sa každý upokojí," hovorí Weiss. Keď LIGO začne v priebehu svojej nadchádzajúcej práce zhromažďovať nové štatistiky, vedci začnú počúvať príbehy o pôvode čiernych dier, ktoré im bude vesmír šepkať.
Tvarom a veľkosťou prvý najhlasnejší pulzný signál pochádzal 1,3 miliardy svetelných rokov, odkiaľ sa po večnosti pomalého tanca pod vplyvom vzájomnej gravitačnej príťažlivosti nakoniec spojili dve čierne diery, každá s asi 30-násobkom hmotnosti slnka. Čierne diery krúžili čoraz rýchlejšie ako vírivka a postupne sa približovali. Potom došlo k zlúčeniu a bez mihnutia oka uvoľnili gravitačné vlny s energiou porovnateľnou s energiou troch Sĺnk. Táto fúzia sa stala najsilnejším energetickým javom, aký bol kedy zaznamenaný.
"Je to, akoby sme nikdy nevideli oceán počas búrky," povedal Thorne. Na túto búrku čakal v časopriestore od 60. rokov. Pocit, ktorý Thorne zažil, keď sa vlny vlnili, nebol podľa neho vzrušením. Bolo to niečo iné: pocit najhlbšieho uspokojenia.