Laserinterferomeetri gravitatsioonilainete vaatluskeskuses (LIGO) töötavad teadlased tegid 2016. aasta veebruaris ajaloo, kui nad kuulutasid välja esmakordselt gravitatsiooniliste lainete tuvastamise. Sellest ajast alates on toimunud mitu tuvastust ning vaatluskeskuste - näiteks Advanced LIGO ja Advanced Virgo - vaheline teaduslik koostöö võimaldab enneolematut tundlikkuse ja andmete jagamise taset.
Gravitatsioonilainete esmakordne avastamine polnud mitte ainult ajalooline saavutus, vaid ka uue astrofüüsika ajajärku. Siis pole imestada, miks kolmele esimeses tuvastamises kesksel kohal olnud teadlasele omistati 2017. aasta Nobeli füüsikapreemia. Auhinna said ühiselt Caltechi professorid emeriitprofessor Kip S. Barish koos MITi emeriitprofessori Rainer Weissiga.
Lihtsustatult öeldes on gravitatsioonilained ruumis aeg-ajalt lainelised, mis moodustuvad suurte astronoomiliste sündmuste - näiteks binaarse musta augu paari liitmise - kaudu. Neid ennustas esmakordselt üle sajandi tagasi Einsteini üldise relatiivsusteooria teooria, mis näitas, et massilised perturbatsioonid muudavad ruumi-aja struktuuri. Kuid alles viimastel aastatel leiti esimest korda nende lainete kohta tõendeid.
Esimese signaali avastasid LIGO kaks vaatluskeskust - vastavalt Hanfordis Washingtonis ja Livingstonis Louisiana osariigis - ning selle jäljendamine toimus 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel asuva musta mooli ühinemisel. Praeguseks on toimunud neli avastamist, mis kõik olid tingitud musta augu paaride ühinemisest. Need toimusid 26. detsembril 2015, 4. jaanuaril 2017 ja 14. augustil 2017, viimati avastasid need LIGO ja Euroopa Neitsi gravitatsioonilainedetektor.
Selle rolli eest, mille nad selles saavutuses mängisid, pälvisid pooled auhinnad ühiselt Caltechi Barry C. Barish - Ronald ja Maxine Linde füüsikaprofessor, emeriit - ja Kip S. Thorne, Richard P. Feynman teoreetilise füüsika professor , Emeriit. Teise poole sai Massachusettsi tehnoloogiainstituudi (MIT) füüsikaprofessor Rainer Weiss.
Nagu ütles Caltechi president Thomas F. Rosenbaum - Sonja ja William Davidowi presidendi tool ja füüsikaprofessor - hiljutises Caltechi pressiteates:
„Mul on hea meel ja au õnnitleda Kipit ja Barryt ning MIT-i Rai Weissit täna hommikul 2017. aasta Nobeli füüsikapreemia andmisel. LIGO on gravitatsioonilainete esimene otsene vaatlus erakordne teaduse nägemise ja püsivuse demonstreerimine. Nelja aastakümne vältel välja töötanud ülitäpselt tundliku aparatuuri, mis tõukab meie kujutlusvõimet, oleme nüüd võimelised pilgu heitma kosmilistele protsessidele, mida varem polnud võimalik tuvastada. See on astrofüüsika uue ajastu algus. "
See saavutus oli veelgi muljetavaldavam, arvestades, et nende olemasolu esimesena ennustanud Albert Einstein arvas, et gravitatsioonilained on uurimiseks liiga nõrgad. Kuid 1960. aastateks viisid lasertehnoloogia areng ja uued arusaamad võimalikest astrofüüsikalistest allikatest teadlaste järelduseni, et need lained võivad tegelikult olla tuvastatavad.
Esimesed gravitatsioonilainedetektorid ehitas Marylandi ülikooli astrofüüsik Joseph Weber. Tema detektorid, mis ehitati 1960ndatel, koosnesid suurtest alumiiniumist silindritest, mida gravitatsioonilainete läbimisel ajendati vibreerima. Järgnesid muud katsed, kuid kõik osutusid ebaõnnestunuks; ajendades üleminekut uut tüüpi detektoritele, mis hõlmavad interferomeetriat.
Ühe sellise instrumendi töötas Weiss välja MIT-is, mis tugines laserinterferomeetriaks tuntud tehnikale. Seda tüüpi seadmetes mõõdetakse gravitatsioonilisi laineid laiali paigutatud ja eraldatud peeglite abil, mis peegeldavad lasereid pikkade vahemaade tagant. Kui gravitatsioonilised lained põhjustavad ruumi venimist ja pigistamist lõpmatuseni, põhjustab detektori sisemuses peegelduv valgus minuti nihke.
Samal ajal asus Thorne koos oma õpilaste ja Caltechi postdokumentidega töötama gravitatsioonilainete teooria parendamise nimel. See sisaldas uusi hinnanguid selliste objektide nagu mustad augud, neutronitähed ja supernoovad tekitatavate lainete tugevuse ja sageduse kohta. See kulmineerus 1972. aastal kirjutatud artiklis, mille Throne avaldas koos oma õpilase Bill Pressiga ja milles tehti kokkuvõte nende nägemusest, kuidas gravitatsioonilisi laineid uurida võiks.
Samal aastal avaldas Weiss ka interferomeetrite ja nende astrofüüsikaliste uuringute potentsiaali üksikasjaliku analüüsi. Selles töös väitis ta, et suuremahulistel operatsioonidel - mõõtmetega mitu km või rohkem - võib olla gravitatsioonilainete tuvastamise võimalus. Samuti tuvastas ta peamised avastamisprobleemid (näiteks Maa vibratsioon) ja pakkus välja võimalikud lahendused nende vastu võitlemiseks.
1975. aastal kutsus Weiss Thorne'i rääkima NASA komitee koosolekul Washingtonis, D.C., ja nad veetsid terve öö gravitatsioonikatsetest rääkides. Nende vestluse tulemusel läks Thorne tagasi Caltehisse ja tegi ettepaneku luua eksperimentaalne gravitatsioonigrupp, mis töötaks interferomeetritel paralleelselt MIT, Glasgow ülikooli ja Garchingi ülikooli (kus tehti sarnaseid katseid) teadlastega.
Esimese interferomeetri väljatöötamine algas varsti pärast seda Caltechis, mille tulemusel loodi 40-meetrine prototüüp, et testida Weissi teooriaid gravitatsioonilainete kohta. 1984. aastal ühendati kogu nende vastavate asutuste tehtud töö. Caltech ja MIT moodustasid riikliku teadusfondi (NSF) toel LIGO koostöö ja alustasid tööd selle kahe interferomeetri kallal Hanfordis ja Livingstonis.
LIGO ehitamine oli suur väljakutse nii logistiliselt kui ka tehniliselt. Kuid aidati asju tohutult, kui Barry Barish (tollane Caltechi osakeste füüsik) sai LIGO peauurijaks (PI) 1994. aastal. Pärast kümmekond aastat kestnud seiskunud katseid tehti temast ka LIGO direktor ja ta pani selle ehituse tagasi õigele teele. . Samuti laiendas ta uurimisrühma ja töötas välja NSF-i üksikasjaliku tööplaani.
Nagu Barish märkis, oli LIGO-ga tehtud töö unistuse täitumine:
„Tahtsin alati olla eksperimentaalfüüsik ja mind köitis idee kasutada tehnoloogia jätkuvaid edusamme fundamentaalteaduslike katsete tegemiseks, mida muidu ei saaks teha. LIGO on hea näide selle kohta, mida varem ei saanud teha. Ehkki tegemist oli väga suuremahulise projektiga, erinesid väljakutsed silla ehitamise või muude suurte inseneriprojektide teostamise viisidest väga erinevalt. LIGO jaoks oli väljakutse ja on see, kuidas arendada ja kujundada täiustatud mõõteriistu suures mahus, isegi projekti arenedes. ”
1999. aastaks oli LIGO vaatluskeskuste ehitamine lõpule viidud ja 2002. aastaks hakkas LIGO andmeid hankima. 2008. aastal alustati oma originaalsete detektorite, tuntud kui Advanced LIGO projekt, täiustamist. 40-meetrise prototüübi teisendamine LIGO praegusteks 4-kilomeetristeks (2,5 miili) interferomeetriteks oli tohutu ettevõtmine ja seetõttu tuli see jagada sammudeks.
Esimene samm toimus aastatel 2002–2010, kui meeskond ehitas ja katsetas esialgseid interferomeetreid. Ehkki see ei tuvastanud mingeid avastusi, demonstreeris see vaatluskeskuse põhikontseptsioone ja lahendas paljud tehnilised takistused. Järgmine etapp - Advanced LIGO, mis toimus aastatel 2010–2015 - võimaldas detektoritel saavutada uue tundlikkuse taseme.
Need versiooniuuendused, mis juhtusid ka Barishi juhtimisel, võimaldasid arendada mitmeid võtmetehnoloogiaid, mis lõpuks võimaldasid ka esimese tuvastamise. Nagu Barish selgitas:
„LIGO algfaasis kasutasime detektorite maakera liikumisest eraldamiseks rippsüsteemi, mis koosnes klavertraadi külge riputatud katsemassi peeglitest ja kasutasime mitmeastmelist passiivsete amortisaatorite komplekti, mis oli sarnane autos. Me teadsime, et see pole tõenäoliselt piisavalt hea gravitatsiooniliste lainete tuvastamiseks, seetõttu töötasime LIGO laboris välja Advanced LIGO jaoks ambitsioonika programmi, mis hõlmas uut rippsüsteemi peeglite stabiliseerimiseks ja aktiivset seismilist isolatsioonisüsteemi, et seda tajuda ja korrigeerida. maapealsed liikumised. ”
Arvestades Thorne'i, Weissi ja Barishi keskpunkti gravitatsiooniliste lainete uurimisel, tunnustati kõiki kolme õigesti kui tänavust Nobeli füüsikapreemia saajaid. Nii Thorne'ile kui ka Barishile teatati, et nad olid võitnud 3. oktoobri 2017. aasta varahommikul. Vastuseks uudistele tunnustasid mõlemad teadlased LIGO jätkuvaid jõupingutusi, sellesse panustanud teadusrühmi ja Caltechi ja MITi jõupingutused vaatluskeskuste loomisel ja hooldamisel.
"Auhind kuulub õigustatult sadadele LIGO teadlastele ja inseneridele, kes ehitasid ja täiustasid meie keerulisi gravitatsioonilaine interferomeetreid, ning sadadele LIGO ja neitsiteadlastele, kes leidsid gravitatsioonilaine signaalid LIGO mürarikast andmest ja kaevandasid lainete teabe, ”Ütles Thorne. "On kahetsusväärne, et Nobeli fondi põhikirja tõttu peab preemia minema mitte rohkem kui kolmele inimesele, kui meie imeline avastus on rohkem kui tuhande töö."
"Mul on selle auhinna saamine alandlik ja au," ütles Barish. „Gravitatsioonilainete tuvastamine on tõepoolest kaasaegse suuremahulise eksperimentaalfüüsika võidukäik. Mitme aastakümne jooksul arendasid meie Caltechi ja MIT-i meeskonnad LIGO-st uskumatult tundliku seadme, mis avastuse tegi. Kui signaal jõudis LIGO-le kahe tähega musta auku kokkupõrkest, mis toimus 1,3 miljardit aastat tagasi, suutis 1000-teadlane LIGO-teemaline teaduskoostöö nii mõne minuti jooksul kandidaadisündmuse kindlaks teha ja teha üksikasjaliku analüüsi, mis veenvalt näitas, et gravitatsioonilised lained olemas. ”
Vaadates tulevikku, on ka üsna selge, et Advanved LIGO, Advanced Virgo ja muud gravitatsioonilise laine vaatluskeskused kogu maailmas alles alustavad. Lisaks nelja eraldi sündmuse avastamisele on hiljutised uuringud näidanud, et gravitatsioonilise laine tuvastamine võib avada ka uusi piire astronoomilistele ja kosmoloogilistele uuringutele.
Näiteks pakkus Monashi astrofüüsika keskuse teadlaste meeskonna hiljutine uuring välja teoreetilise kontseptsiooni, mida nimetatakse orvumäluks. Nende uurimistöö kohaselt ei põhjusta gravitatsioonilained mitte ainult ruumis olevaid laineid, vaid jätavad selle struktuuris püsivaid laineid. Uurides minevikusündmuste “orbu”, saab gravitatsioonilisi laineid uurida nii Maale jõudes kui ka pärast möödumist.
Lisaks avaldas augustis California Irvine'i ülikooli kosmoloogiakeskuse astronoomide meeskonna uuring, mis näitas, et musta augu ühinemised on palju tavalisemad, kui me arvasime. Pärast mustade aukude arvutamiseks ja kategoriseerimiseks mõeldud kosmose uuringu tegemist määras UCI meeskond, et galaktikas võib olla kuni 100 miljonit musta auku.
Veel üks hiljutine uuring näitas, et Advanced LIGO, GEO 600 ja Virgo gravitatsioonilainete detektorivõrku võiks kasutada ka supernoovade tekitatud gravitatsioonilainete tuvastamiseks. Avastades tähtede tekitatud lained, mis plahvatavad nende eluea lõpus, võiksid astronoomid esimest korda näha varisevate tähtede südames ja proovida musta augu tekke mehaanikat.
Nobeli füüsikapreemia on üks kõrgemaid autasusid, mida teadlasele saab anda. Kuid veelgi suurem on teadmine, et suurepärased asjad tulenevad inimese enda tööst. Aastakümneid pärast seda, kui Thorne, Weiss ja Barish hakkasid pakkuma gravitatsioonilise laine uuringuid ning töötades detektorite loomise nimel, teevad teadlased kogu maailmast põhjalikke avastusi, mis muudavad revolutsiooniliseks mõtteviisi, mille järgi me universumist mõtleme.
Ja nagu need teadlased kindlasti kinnitavad, on see, mida me seni näinud oleme, ainult jäämäe tipp. Võib ette kujutada, et kuskil särab Einstein ka uhkusega. Nagu ka teiste tema üldise relatiivsusteooria teemaliste uuringute puhul, näitab gravitatsiooniliste lainete uurimine, et isegi sajandi pärast olid tema ennustused endiselt paugutatud!
Vaadake kindlasti seda videot Caltechi pressikonverentsist, kus Barishil ja Thornil oli oma saavutuste eest au:
