LIGO ariaalfoto. Pilt suuremalt.
Varem võisid astronoomid taevast näha ainult nähtava valguse käes, kasutades nende silmi retseptoritena. Aga mis siis, kui sul oleks raskusjõuga silmad? Einstein ennustas, et kõige äärmuslikumad objektid ja sündmused universumis peaksid tekitama gravitatsioonilaineid ja moonutama ruumi nende ümber. Uue eksperimendi, mille nimi on laserinterferomeetri gravitatsiooniliste lainete vaatluskeskus (või LIGO), saaks teha need raskusjõu lained esmakordselt kindlaks.
Kuulake intervjuud: Gravity Eyes (7,9 MB)
Või tellige Podcast: universetoday.com/audio.xml
Mis on Podcast?
Fraser Cain: Hea küll, mis on gravitatsioonilaine?
Dr Sam Waldman: Nii et raskusjõu lainet saab seletada, kui mäletate, et mass moonutab kosmoseaega. Nii et kui mäletate analoogiat lehega, mis tõmmatakse pingule lehe keskosasse visatud keeglikuuliga, painutades lehte; kus keeglikuul on mass ja leht tähistab ruumi aega. Kui liigutate seda keeglikuulit väga kiiresti edasi-tagasi, teete lehel vilinaid. Sama asi on meie universumi massidega. Kui liigutate tähte väga kiiresti edasi-tagasi, teete kosmose ajal vilinaid. Ja need kosmose ajal tekkivad lainelised on jälgitavad. Me kutsume neid gravitatsioonilaineteks.
Fraser: Kui ma nüüd toas ringi kõnnin, kas see põhjustab gravitatsioonilaineid?
Dr Waldman: No nii läheb. Meile teadaolevalt töötab gravitatsioon kõigil skaaladel ja kõigi masside jaoks, kuid kosmoseaeg on väga jäik. Nii et umbes 200 naela suurune füüsilisest isikust minu kontoris liikumine ei põhjusta gravitatsioonilaineid. Vaja on väga massiivseid objekte, mis liiguvad väga kiiresti. Nii et kui me otsime gravitatsioonilainete tuvastamist, otsime Päikese massimassist objekte. Eelkõige otsime neutrontähti, mis on vahemikus 1,5 kuni 3 päikese massi. Otsime mustaid auke, kuni mitusada päikesemassi. Ja ootame, et need objektid liiguksid väga kiiresti. Nii et kui me räägime neutrontähest, siis räägime neutrontähest, mis liigub peaaegu valguse kiirusel. Tegelikult peab see vibreerima valguse kiirusel, see ei saa lihtsalt liikuda, see peab väga kiiresti edasi-tagasi raputama. Niisiis, nad on väga ainulaadsed, väga massiivsed kataklüsmilised süsteemid, mida otsime.
Fraser: Gravitatsioonilained on puhtalt teoreetilised, eks? Neid ennustas Einstein, kuid neid pole veel nähtud?
Dr Waldman: Neid pole tähele pandud, neid on järeldatud. On olemas Pulsari süsteem, mille sagedus pöördub kiirusega alla gravitatsioonilainete emissiooni. See on PSR 1913 + 16. Ja et selle tähe orbiit on muutumas. See on järeldus, kuid muidugi ei ole see gravitatsioonilainete vaatlus otse. Siiski on üsna selge, et need peavad olemas olema. Kui Einsteini seadused on olemas, kui üldine relatiivsus töötab ja see töötab väga hästi väga paljude pikkusskaalade korral, siis eksisteerivad ka gravitatsioonilained. Neid on lihtsalt väga raske näha.
Fraser: Mida on vaja nende tuvastamiseks? Tundub, et tegemist on väga katastroofiliste sündmustega. Ümberringi liiguvad suured suured mustad augud ja neutronitähed, miks neid nii raske leida?
Dr Waldman: Sellel on kaks komponenti. Üks asi on see, et mustad augud ei põrku kogu aeg ja neutronitähed ei raputa üheski vanas kohas. Nii et sündmuste arv, mis võivad põhjustada jälgitavaid gravitatsioonilaineid, on tegelikult väga väike. Nüüd räägime näiteks Linnutee galaktikast, kus üks sündmus toimub iga 30-50 aasta tagant.
Kuid selle võrrandi teine osa on see, et gravitatsioonilained ise on väga väikesed. Nad tutvustavad seda, mida me nimetame tüveks; see on pikkuse muutus pikkuseühiku kohta. Näiteks kui mul on mõõdupuu ühe meetri pikkune ja gravitatsioonilaine purustab selle mõõdupuu, kui see läbi tuleb. Kuid tase, mis selle mõõdupuule viskab, on äärmiselt väike. Kui mul on 1-meetrine mõõdupuu, põhjustab see muutust ainult 10e-21 meetrit. Seega on tegemist väga väga väikese muudatusega. Muidugi on 10e-21 meetri jälgimine raskusjõu laine vaatlemisel suur väljakutse.
Fraser: kui mõõdaksite mõõdupuu pikkust mõne teise mõõdupuu abil, muutuks selle teise mõõdupuu pikkus. Ma näen, et seda on keeruline teha.
Dr Waldman: Täpselt nii, et teil on probleem. Mõõdistamisprobleemi lahendamise viis on see, et meil on tegelikult 2 mõõdupuud ja me moodustame neist L. Ja viis, kuidas me neid mõõdame, on kasutada laserit. Ja viis, kuidas me oma mõõdupuu üles panime, on tegelikult 4 km pikkune L-täht. Seal on 2 relva, igaüks 4 km pikk. Ja iga haru lõpus on 4-kilogrammine kvartsist testmass, millest laserid põrkavad. Ja kui gravitatsioonilaine tuleb läbi selle L-kujulise detektori, sirutab see ühte jalga, samal ajal kui teine jalg kahaneb. Ja see teeb seda sagedusel 100 hertsi, helisageduse piires. Nii et kui kuulete nende masside liikumist, kuulete suminat 100 hertsi juures. Ja see, mida me oma laseritega mõõdame, on selle suure L-kujulise interferomeetri õlavarre pikkus. Seetõttu on see LIGO. See on laserinterferomeetri gravitatsiooniliste lainete vaatluskeskus.
Fraser: Vaatame, kas ma saan sellest õigesti aru. Miljard aastat tagasi põrkub must auk teisega ja tekitab hunniku gravitatsioonilaineid. Need raskusjõu lained ületavad Universumi ja pesevad Maast mööda. Maakerast mööda minnes pikendavad nad ühte neist relvadest ja kahandavad seda teist. Te saate seda muutust tuvastada selle laseriga, mis koputab edasi-tagasi.
Dr Waldman: See on õige. Väljakutse on muidugi see, et pikkuse muutus on äärmiselt väike. Meie 4km pikkuste interferomeetrite puhul on pikkuse muutus, mida me praegu mõõdame, 10e-19 meetrit. Ja sellele skaala panemiseks on aatomi tuuma läbimõõt vaid 10–15 meetrit. Seega on meie tundlikkus subatomaatiline.
Fraser: Ja milliseid sündmusi peaksite sel hetkel tuvastama?
Dr Waldman: Nii et see on tegelikult põnev ala. Analoogia, mida meile meeldib kasutada, on nagu universumi vaatamine raadiolainete abil universumi vaatamine teleskoopide abil. Asjad, mida näete, on täiesti erinevad. Olete tundlik universumi täiesti erineva režiimi suhtes. Eelkõige on LIGO tundlik nende kataklüsmiliste sündmuste suhtes. Klassifitseerime oma sündmused 4 laias kategooriasse. Esimene, mida me nimetame purunemiseks, on midagi moodustavat musta auku. Nii toimub supernoova plahvatus ja nii palju ainet liigub nii kiiresti, et moodustab mustad augud, kuid te ei tea, millised gravitatsioonilained välja näevad. Kõik, mida teate, on raskusjõu lained. Seega juhtuvad need asjad eriti kiiresti. Need kestavad kõige rohkem 100 millisekundit ja tulenevad mustade aukude moodustumisest.
Teine sündmus, mida vaatleme, on see, kui kaks objekti on üksteisega orbiidil, ütleme, et kaks neutrontähte tiirlevad üksteise ümber. Lõpuks selle orbiidi läbimõõt kahaneb. Neutronitähed koonduvad, nad kukuvad üksteise sisse ja moodustavad musta augu. Ja viimastel paaril orbiidil liiguvad need neutronitähed (pidage meeles, et need on objektid, mis kaaluvad 1,5–3 Päikese massi) ja liiguvad valguse kiiruse suurtes osades; ütleme 10%, 20% valguse kiirusest. Ja see liikumine on väga tõhus gravitatsioonilainete generaator. Nii et seda me kasutame oma tavaküünlana. See on see, mida me arvame teadvat olevat olemas; me teame, et nad on seal väljas, kuid me pole kindlad, mitu neist korraga ära läheb. Me pole kindlad, milline näeb välja spiraali neutrontäht raadiolainete või optilise kiirguse korral röntgenkiirtes. Seega on natuke keeruline täpselt välja arvutada, kui sageli näete kas spiraali või supernoovat.
Fraser: kas nüüd saate tuvastada nende suuna?
Dr Waldman: Meil on kaks interferomeetrit. Tegelikult on meil kaks saiti ja kolm interferomeetrit. Üks interferomeeter asub Louisiana osariigis Livingstonis, mis asub New Orleansist veidi põhja pool. Ja meie teine interferomeeter asub Washingtoni idaosas. Kuna meil on kaks interferomeetrit, saame taevas triangulatsiooni teha. Kuid kus on täpselt allikas, on jäänud teatav ebakindlus. Maailmas on ka muid koostöökohti, millega teeme üsna tihedat koostööd Saksamaal, Itaalias ja Jaapanis, ja neil on ka detektorid. Nii et kui mitmed detektorid mitmes kohas näevad gravitatsioonilainet, saame lokaliseerimisel teha väga head tööd. Lootus on, et näeme gravitatsioonilainet ja teame, kust see tuleb. Seejärel ütleme oma raadioastronoomide kolleegidele ja röntgenograafia astronoomide kolleegidele ning optiliste astronoomide kolleegidele, et ta vaataks seda osa taevast.
Fraser: silmapiiril on mõned uued suured teleskoobid; ülemäära suured ja hiiglaslikult suured ning Magellan… suured teleskoobid, mis tulevad torust alla ja millel on küllaltki suured eelarved. Ütleme nii, et leiate gravitatsioonilained usaldusväärselt, see on peaaegu nagu see, et see lisab meie tuvastusele uue spektri. Kui arvate, et mõnda nendesse raskusjõu lainedetektoritesse võiks panna suuri eelarveid, siis milleks neid teie arvates kasutada?
Dr Waldman: Nagu ma juba varem ütlesin, on see nagu astronoomiarevolutsioon, kui raadioteleskoobid esimest korda võrku tulid. Me käsitleme fenomenaalselt erinevat nähtuste klassi. Peaksin ütlema, et LIGO labor on üsna suur labor. Meil töötab üle 150 teadlase, seega on tegemist suure koostööga. Ja loodame teha edaspidigi koostööd kõigi optiliste ja raadioastronoomidega. Kuid natuke on raske ennustada, millise tee see teadus valib. Ma arvan, et kui räägite paljude üldrelativistidega, on gravitatsioonilainete kõige põnevam omadus see, et me teeme midagi, mida nimetatakse tugeva välja üldrelatiivsuseks. See on kõik üldine relatiivsus, mida saate tähtede ja galaktikate vaatlemisel mõõta, on väga nõrk. Masu pole palju kaasatud, see ei liigu eriti kiiresti. See on väga suurte vahemaadega. Arvestades, et kui me räägime musta augu ja neutronitähe kokkupõrkest, siis see viimane osa, kui neutronitäht langeb musta auku, on äärmiselt vägivaldne ja see proovib üldrelatiivsusteooria, mis lihtsalt pole eriti suur ligipääsetav tavaliste teleskoopide, raadio, röntgenpildiga. Nii et on lootust, et seal on mõni põhimõtteliselt uus ja põnev füüsika. Ma arvan, et just see motiveerib meid peamiselt seda, võite seda nimetada, lõbus üldrelatiivsusega.
Fraser: Ja millal te loodate oma esimese tuvastamise saada?
Dr Waldman: Nii töötavad LIGO interferomeetrid - kõik kolm interferomeetrit - mida LIGO töötab - projekteerimise tundlikkusega ja me oleme praegu oma S5-uuringu keskel; meie viies teadusjooks, mis on aasta pikkune. Ainus, mida me aasta läbi teeme, on proovida otsida gravitatsioonilaineid. Nagu paljude astronoomia asjade puhul, on ka enamus sellest ootamine. Kui supernoova ei plahvata, siis me muidugi ei näe seda. Ja nii peame olema võimalikult kaua võrgus. Arvatakse, et sündmuse, nagu supernoova sündmuse, vaatlemise tõenäosus on piirkonnas - praegusel tundlikkusel - arvatakse, et me näeme seda iga 10-20 aasta tagant. Seal on suur valik. Kirjanduses on inimesi, kes väidavad, et näeme aastas mitu, ja siis on inimesi, kes väidavad, et me ei näe kunagi oma tundlikkust. Ja konservatiivne kesktee on kord 10 aasta jooksul. Teisest küljest uuendame detektorid kohe, kui see töökord on läbi. Ja me parandame tundlikkust koefitsiendiga 2, mis suurendaks meie tuvastusprotsenti 2 kuupmeetri võrra. Kuna tundlikkus on raadius ja mõõdame kosmoses olevat helitugevust. Selle teguriga 8-10 avastamismäära juures peaksime sündmust nägema umbes kord aastas. Ja siis pärast seda läheme üle uuele versioonile nimega Advanced LIGO, mis on tundlikkuse 10-kordse paranemise tegur. Sel juhul näeme gravitatsioonilaineid peaaegu kord päevas; iga 2-3 päeva tagant. See instrument on loodud väga reaalseks vahendiks. Me tahame teha gravitatsiooniastronoomiat; näha sündmusi iga paari päeva tagant. See on nagu Swifti satelliidi käivitamine. Niipea kui Swift üles tõusis, hakkasime kogu aeg nägema gammakiirguspurskeid ja Advanced LIGO saab olema sarnane.
