Arial fotografija LIGO-a. Klikni za veću sliku
U prošlosti su astronomi mogli vidjeti nebo samo u vidljivoj svjetlosti, koristeći svoje oči kao receptore. Ali što ako imate gravitacijske oči? Einstein je predvidio da bi najekstremniji objekti i događaji u Svemiru trebali stvoriti gravitacijske valove i iskriviti prostor oko njih. Novi pokus nazvan Laser Interferometer Gravitacijski valni opservatorij (ili LIGO) mogao bi napraviti prvo otkrivanje ovih gravitacijskih valova.
Poslušajte intervju: Vidjeti s gravitacijskim očima (7,9 MB)
Ili se pretplatite na Podcast: universetoday.com/audio.xml
Što je Podcast?
Fraser Cain: U redu, pa što je gravitacijski val?
Dr. Sam Waldman: Dakle, gravitacijski val se može objasniti ako se sjećate da masa iskrivljava prostor i vrijeme. Dakle, ako se sjećate analogije iskrivljenog lima s kuglom za kuglanje bačenom u sredinu lista, savijajući lim; gdje je kugla za kuglanje masa, a plahta predstavlja prostor-vrijeme. Ako kuglu za kuglanje pomičete naprijed-nazad vrlo brzo, napraviti ćete valove u limu. Ista stvar vrijedi i za mase u našem Svemiru. Ako vrlo brzo pomičete zvijezdu naprijed-nazad, napravit ćete mrešljanje u prostornom vremenu. A one varalice u prostornom vremenu su vidljive. Nazivamo ih gravitacijskim valovima.
Fraser: Ako sada šetam po sobi, hoću li izazvati gravitacijske valove?
Dr. Waldman: Pa hoće. Koliko znamo, gravitacija djeluje na svim razinama i na svim masama, ali prostorno vrijeme je vrlo kruto. Tako nešto poput moje kilograme od 200 kilograma koji se kreće kroz moj ured neće izazvati gravitacijske valove. Potrebni su izuzetno masivni predmeti koji se kreću vrlo brzo. Pa kad tražimo da otkrijemo gravitacijske valove, tražimo objekte razmjera solarne mase. Konkretno tražimo neutronske zvijezde, koje su između 1,5 i 3 solarne mase. Tražimo crne rupe, do nekoliko stotina solarnih masa. I tražimo da se ti predmeti kreću vrlo brzo. Kada govorimo o neutronskoj zvijezdi, govorimo o neutronskoj zvijezdi koja se kreće gotovo brzinom svjetlosti. U stvari, mora vibrirati brzinom svjetlosti, ne može se samo kretati, već se mora brzo tresti naprijed i natrag. Oni su vrlo jedinstveni, veoma masivni kataklizmični sustavi koje tražimo.
Fraser: Gravitacijski valovi su čisto teorijski, zar ne? Predvidio ih je Einstein, ali ga još nisu vidjeli?
Dr. Waldman: Nisu ih promatrali, zaključili su. Postoji pulsarni sustav čija se frekvencija okreće brzinom koja je jednaka emisiji gravitacijskih valova. To je PSR 1913 + 16. I da se orbita ove zvijezde mijenja. To je zaključak, ali naravno, to nije opažanje izravno gravitacijskih valova. Međutim, prilično je jasno da oni moraju postojati. Ako postoje Einsteinovi zakoni, ako opća relativnost djeluje, a ona djeluje vrlo dobro na vrlo skali duljine, tada postoje i gravitacioni valovi. Oni su samo vrlo teški za vidjeti.
Fraser: Što će trebati da ih otkrijemo? Zvuči kao da su to vrlo kataklizmični događaji. Velike crne rupe i neutronske zvijezde koje se kreću uokolo, zašto ih je tako teško pronaći?
Dr. Waldman: Postoje dvije komponente. Jedna stvar je da se crne rupe ne sudaraju stalno, a neutronske zvijezde se ne trese ni na jednom starom mjestu. Dakle, broj događaja koji mogu prouzročiti opažene gravitacijske valove zapravo je vrlo mali. Sada govorimo o, na primjer, galaksiji Mliječni put s jednim događajem koji se događa svakih 30-50 godina.
Ali drugi dio te jednadžbe je da su gravitacijski valovi sami po sebi vrlo mali. Tako oni uvode ono što nazivamo sojem; to je promjena dužine po jedinici duljine. Na primjer, ako imam mjerilo dugačak metar i gravitacijski val će probiti ovaj mjerni mehanizam dok prođe. Ali razina koja će zatrpati mjeru mjerila je izuzetno mala. Ako imam mjernu mjeru od 1 metra, samo će se potaknuti promjena od 10e do 21 metar. To je vrlo mala promjena. Naravno, promatranje 10e-21 metra glavni je izazov u promatranju gravitacijskog vala.
Fraser: Ako biste duljinu mjernog mjerila mjerili drugom mjernom metlom, duljina te mjere mjenjača bi se mijenjala. Vidim da je to teško učiniti.
Dr. Waldman: Točno, tako da imate problem. Način na koji rješavamo problem mjerenja je da u stvari imamo 2 mjerne crte i oblikujemo ih u L. A način na koji ih mjerimo je korištenje lasera. A način na koji smo uredili mjerilu zapravo je u "L" dugom 4 km. Postoje 2 kraka, svaki je dug 4 km. I na kraju svake ruke nalazi se kvarcna testna masa od 4 kg od koje mi odbijamo lasere. A kad gravitacijski val prođe kroz detektor oblika "L", on ispruži jednu nogu, dok smanjuje drugu. I to radi na 100 Hertz, unutar audio frekvencija. Dakle, ako slušate kretanje tih masa, čujete zujanje od 100 hertza. Dakle, ono što mjerimo našim laserima je diferencijalna dužina krakova ovog velikog interferometra u obliku slova L. Zato je LIGO To je opservatorij gravitacijskog vala Laser Interferometar.
Fraser: Da vidimo jesam li pravilno shvatio. Prije nekoliko milijardi godina crna se rupa sudara s drugom i stvara gomilu gravitacijskih valova. Ti gravitacijski valovi prelaze Svemir i prolaze se pored Zemlje. Dok prolaze pored Zemlje, produžuju jednu od tih ruku, a smanjuju drugu, a tu promjenu možete otkriti pomoću lasera koji skače naprijed-nazad.
Dr. Waldman: Tako je. Izazov je, naravno, ta promjena duljine izuzetno mala. U slučaju naših interferometra od 4 km, promjena duljine koju trenutno mjerimo je 10e-19 metara. A da biste postavili skalu na to, promjer atomske jezgre je samo 10e-15 metara. Dakle, naša je osjetljivost subatomska.
Fraser: Pa, i kakve biste događaje trebali prepoznati u ovom trenutku?
Dr. Waldman: Dakle, to je zapravo fascinantno područje. Analogija koju volimo koristiti je da gledanje u Univerzum radio valovima bila da gledamo Univerzum teleskopima. Stvari koje vidite potpuno su različite. Osjetljivi ste na potpuno drugačiji režim Univerzuma. LIGO je posebno osjetljiv na ove kataklizmičke događaje. Naše događaje svrstavamo u 4 široke kategorije. Prvi koji nazivamo rafalima, a to je nešto poput formiranja crne rupe. Dakle, dolazi do eksplozije supernove i toliko se tvari kreće tako brzo da stvara crne rupe, ali ne znate kako izgledaju gravitacijski valovi. Sve što znate je da postoje gravitacijski valovi. Dakle, to su stvari koje se događaju vrlo brzo. Traju najviše 100 milisekundi, a nastaju stvaranjem crnih rupa.
Drugi je događaj koji promatramo kada su dva objekta u orbiti jedno s drugim, recimo dvije neutronske zvijezde koje kruže jedno oko drugog. Na kraju promjer te orbite propada. Zvijezde neutronske zvijezde će se stopiti, padaju jedna u drugu i tvore crnu rupu. I za posljednjih nekoliko orbita, te neutronske zvijezde (imajte na umu da su objekti koji teže 1,5 do 3 mase Sunca), kreću se velikim udjelima brzine svjetlosti; recimo 10%, 20% brzine svjetlosti. A taj je pokret vrlo učinkovit generator gravitacijskih valova. To je ono što koristimo kao svoju standardnu svijeću. To je ono što mislimo da znamo; znamo da su vani, ali nismo sigurni koliko njih odjednom krene. Nismo sigurni kako izgleda neutronska zvijezda u spirali u radio valovima ili rendgenskim zracima, u optičkom zračenju. Tako da je malo teško točno izračunati koliko često ćete vidjeti u spiralu ili supernovu.
Fraser: Hoćete li sada moći otkriti njihov smjer?
Dr. Waldman: Imamo dva interferometra. Zapravo imamo dva mjesta i tri interferometra. Jedan interferometar nalazi se u Livingstonu Louisiani, koji je sjeverno sjeverno od New Orleansa. A naš drugi interferometar nalazi se u državi Istočni Washington. Budući da imamo dva interferometra, na nebu možemo napraviti triangulaciju. Ali još uvijek je preostala izvjesna neizvjesnost gdje je točno izvor. U svijetu postoje i druge suradnje s kojima prilično blisko surađujemo u Njemačkoj, Italiji i Japanu, a imaju i detektore. Dakle, ako više detektora na više mjesta vide gravitacijski val, onda možemo dobro poslužiti u lokalizaciji. Nada je da vidimo gravitacijski val i znamo odakle dolazi. Zatim kažemo našim kolegama s radio-astronomima i našim kolegama s rentgenskim astronomima i našim kolegama s optičkim astronomom da odu pogledati taj dio neba.
Fraser: Na horizontu su novi veliki teleskopi; nadmoćno veliki i gigantski veliki, i Magellan ... veliki teleskopi koji silaze niz cijev s prilično velikim proračunima koje treba potrošiti. Recimo da pouzdano možete pronaći gravitacijske valove, to je gotovo kao da dodaje novi spektar našem otkrivanju. Ako su veliki proračuni stavljeni u neki od ovih detektora gravitacijskog vala, što mislite za što se oni mogu upotrijebiti?
Dr. Waldman: Pa, kao što sam rekao prije, to je revolucija u astronomiji kada su radio-teleskopi prvi put došli na mrežu. Promatramo fundamentalno različitu klasu pojava. Trebao bih reći da je LIGO laboratorija prilično velika laboratorija. Više od 150 znanstvenika radi, tako da je velika suradnja. I nadamo se da ćemo surađivati sa svim optičkim i radioastronomima kako napredujemo. Ali malo je teško predvidjeti kojim će se putem ići znanost Mislim da ako razgovarate s mnogim općim relativistima, najuzbudljivija značajka gravitacijskih valova je da radimo nešto što se naziva Jaka polja opšta relativnost. To je sve što je Opća relativnost koju možete mjeriti gledajući zvijezde i galaksije vrlo slabo. Nije uključena velika masa, ne kreće se baš brzo. Na vrlo velikim udaljenostima Dok, kada govorimo o sudaru crne rupe i neutronske zvijezde, taj posljednji zalogaj, kada neutronska zvijezda padne u crnu rupu, izuzetno je nasilan i promatra područje opće relativnosti koja jednostavno nije baš dobra dostupno normalnim teleskopima, radiom, rendgenom. Dakle, nada je da su tamo neke fundamentalno nove i uzbudljive fizike. Mislim da nas to prvenstveno motivira, mogli biste to nazvati, zabava s općom relativnošću.
Fraser: A kad se nadate prvo otkrivanje.
Dr. Waldman: Dakle, LIGO interferometri - sva tri interferometra - kojima LIGO djeluje svi rade na dizajnerskim osjetljivostima, a mi smo trenutno u sredini našeg S5 pokretanja; naša peta znanstvena trka, koja je vožnja dugogodišnja. Sve što radimo za godinu dana pokušavamo potražiti gravitacijske valove. Kao i kod mnogih stvari iz astronomije, većina je toga čekati i vidjeti. Ako supernova ne eksplodira, naravno nećemo je vidjeti. I zato moramo biti u mreži što je duže moguće. Smatra se da je vjerojatnost promatranja nekog događaja, poput događaja supernove, u regiji - prema našem trenutnom osjetljivosti - mislimo da ćemo je viđati svakih 10-20 godina. Postoji veliki raspon. U literaturi postoje ljudi koji tvrde da ćemo se viđati višestruko godišnje, a tu su i ljudi koji tvrde da nećemo vidjeti ikad našu osjetljivost. A konzervativni srednji temelj je jednom u 10 godina. S druge strane, nadograđujemo svoje detektore čim se pokrene. Poboljšavamo osjetljivost s faktorom 2, što bi povećalo našu stopa otkrivanja za faktor 2 kub. Budući da je osjetljivost radijus, i mi ispitujemo glasnoću u prostoru. S faktorom 8-10 u stopi otkrivanja, trebali bismo vidjeti događaj jednom godišnje ili tako nešto. A nakon toga nadograđujemo na ono što se zove Advanced LIGO, što je faktor 10 poboljšanja osjetljivosti. U tom ćemo slučaju gotovo sigurno svakodnevno viđati gravitacijske valove; svaka 2-3 dana. Taj je instrument dizajniran kao vrlo stvarno sredstvo. Želimo raditi gravitacijsku astronomiju; viđati događaje svakih nekoliko dana. To će biti poput lansiranja satelita Swift. Čim se Swift pojavio, počeli smo cijelo vrijeme viđati gama zrake, a Advanced LIGO će biti sličan.
