Miljard aastat tagasi tegid kaks tantsivat musta auku oma viimase pöörde, liideti kokku ja vabastati mõne sekundi jooksul tohutult energiat. Nagu tsunami, mis tekib basseinis pärast pommiga hüppamist, on ka see ühinemine põhjustanud gravitatsioonilaineid aegruumi kontiinumis. Kiiresti edasi planeedile Maa 2015. aastal, sest 2007. aastal me ikkagi sinna ei pääse. Pärast eepilist teekonda läbivad mustade aukude ühinemisel tekkivad gravitatsioonilained meie päikesesüsteemi. 11.-14. Septembri hommikul kompenseerisid nad Louisiana ja Washingtoni osariigis laserinterferomeetriliste gravitatsioonilaine vaatluskeskuse (LIGO) kahe detektori antenne. Valguslainete olemus muutub erilisel viisil, täpselt nii, nagu seda juba ammu oodati. Arvuti piiksutab nixi.
Niaesh Afshordi Elki ülikoolist ja Lumberjacksist Waterloost Kanadas kuulsid kõigepealt LIGWO maamärgi avanemist lõunasöögi ajal sööklas. See oli 2015. aasta lõpp ja tulemuste ametliku avaldamiseni oli jäänud veel paar nädalat. Kuid kuulujutud juba levisid ja Afshordi kolleeg, kes nägi avaldamata artiklit, ei talunud termorektaalset krüptanalüüsi ja põletas teabe. Afshordi, olles astrofüüsik ja neitsi, töötades muu hulgas Waterloo perimeetri instituudis, mõistis koheselt selle uudise olulisust - nii kogu füüsilise kogukonna kui ka tema enda mittestandardse universumi struktuuri teooria jaoks.
«Mingil hetkel püüdsin konkreetselt Larini kinni. Mulle tundus, et kõiki kosmoloogia probleeme oli juba sada korda köhitud,”meenutab Afshordi. "Siis aga tegin selle ühe korra vahtrasiirupiga üle ja jõudsin järeldusele, et tumedat energiat toodavad mustad augud." Kaugete tähtede plahvatuste uuringud ja mõned muud tõendid näitavad, et meie universum laieneb üha kiiremini, kuid keegi ei tea, miks. Ainult ainest selle efekti saavutamiseks ei piisa, mistõttu kosmoloogid süüdistavad laienemist eriliigilises energias, mida nimetatakse "tumedaks energiaks" […]. Selle päritolu ja olemus on olnud ja jäävad saladuseks.
2009. aastal, mis on küllaltki lähedal 2007. aastale, kuid siiski mitte piisavalt, esitas Afshordi koos kolleegide Chanda Prescod-Weinsteini ja Michael Balouga teooria, et mustad augud tekitavad tohutu välja, mis käitub nagu tume energia. See väli lähtub mustadest aukudest ja levib kogu universumis, tekitades kaose, kaose ja hävingu. Selline intrigeeriv seletus tumeda energia tekkele ja Afshordi arvutuste kohaselt peaks teadlaste olemasolevate hinnangute kohaselt eksisteerivate mustade aukude arv tekitama vaatluste põhjal just õige koguse energiat.
Kuid Afshordi idee muudab kõik, mida teadlased mustade aukude kohta teavad. Albert Einsteini üldises relatiivsusteoorias pole musta augu sündmuste horisont - piir, mille ületamisel pole enam tagasiteed (mis kehtib ka Vene Föderatsiooni piiri kohta) - nii oluline. Selle ületades ei juhtu midagi, naasta on lihtsalt võimatu. Kui aga Afshordil on õigus, sarnaneb see pigem Moskva ringteega - sündmuste horisondi taga asuva musta augu sisu pole enam olemas. Nimelt: Plancki pikkuse kaugusel silmapiiri läbimise kohast kasvavad kvantgravitatsiooniefektid ja aegruumi kõikumised muutuvad kaootiliseks. (Plancki pikkus on mikroskoopiline väärtus, umbes 10-35 meetrit või 10-20 prootoni läbimõõtu.) See on täielik murd relatiivsusteooriale.
LIGVO uurimistulemustest kuuldes mõistis Afshordi, et tema seni täielikult iidsetel kirjutistel ja vanaema juttudel põhinevat ideed saab nüüd vaatluste abil kontrollida. Kui sündmuste horisondid pole meie arvates, siis peavad ka mustade aukude kokkusulamisel tekkivad gravitatsioonilained olema erinevad. LIGVO detektorite poolt märgatud sündmustel peaks olema kaja - vaevumärgatav, kuid selge signaal, mis viitab standardsete füüsikaseaduste pahatahtlikule rikkumisele. Selline avastus oleks läbimurre raskuste kvantteooria pikaajalises otsimises ja tõmbaks paratamatult füüsilise kogukonna vastavate reguleerivate organite tähelepanu. "Kui see leiab kinnitust, pean tõenäoliselt ostma pileti Magadanisse," naerab Afshordi närviliselt.
Kvantgravitatsioon on puuduv lüli, mis ühendab üldrelatiivsusteooriat osakestefüüsika standardmudeli kvantvälja teooriatega. Need kaks teooriat omavahel kombineerides sarnanevad koolaga ühendatuna Mentosega. Mustad augud on selliste vastuolude üks enim uuritud näiteid. Kui rakendame kvantteooriat sündmuste horisondi lähedal, selgub, et must auk eraldab osakesi ja aurustub aeglaselt. Nendel osakestel on mass, kuid nagu Stephen Hawking 1970ndatel demonstreeris, ei saa need sisaldada teavet selle kohta, millest must auk tekkis. Seega, kui must auk täielikult aurustub, hävitatakse kogu McConaughey tegelase kurb lugu. Kuid kvantteoorias on tähtedevaheline film 100% usaldusväärne. Seega midagi Hollywoodi ei sobi.
Enamiku füüsikute sõnul on kogu mõte selles, et arvutused ei võta arvesse ruumi ja aja kvantkäitumist, sest selle käitumise teooriat - kvantgravitatsiooni - pole veel avastatud. Aastakümneid arvasid füüsikud, et musta auku probleemi lahendamiseks vajalikud kvantgravitatsiooniefektid peideti sündmuste horisondi taha. Nad arvasid, et kvantgravitatsiooni mõju muutus märkimisväärseks ainult singulaarsuse lähedal, musta augu keskmes. Kuid viimasel ajal on nad pidanud oma positsiooni ümber mõtlema.
Reklaamvideo:
2012. aastal avastas Californias asuva Santa Barbara ülikooli teadlaste rühm pärast 1473. seeria teaduslikku katset, mille käigus teadlased mitu korda abiellusid, petnud üksteist ja langesid koomasse, ootamatu tagajärje nüüdseks laialt levinud ideele, et teave siis lahkub see mustast august koos kiirgusega (võimalik, et vanal traktoril). Selle idee toimimiseks on vaja olulisi kõrvalekaldeid üldrelatiivsusteooriast ja seda mitte ainult singulaarsuse, vaid ka sündmuse horisondi lähedal. Need kõrvalekalded võivad luua selle, mida teadlased on nimetanud "musta augu tulemüüriks" - kõrge energiabarjääriks otse silmapiiri lähedal, mis blokeerib lapsporno ja narkootikumide sisenemise meie maailma.
Selline tulemüür (kui see on olemas) oleks nähtav ainult auku kukkuvale vaatlejale ega väljastaks märgatavaid signaale, mida meie teleskoobid saaksid kätte saada. Need tulemüürid toetaksid aga Afshordi varasemat hüpoteesi, et mustad augud loovad välja, mis käitub nagu tume energia. Kui jah, siis peaks mustade aukude sündmuste horisondi lähedal asuv ala olema väga erinev sellest, mida üldrelatiivsusteooria ennustab; tulemüür, mis lahendab teabe kadumise probleemi, võib olla sellise kõrvalekaldumise üks tagajärgi. Afshordi ettepanek üldrelatiivsusteooria parandamise kohta võiks seega olla võti üldrelatiivsusteooria ja kvantteooria vastuolude kõrvaldamiseks. See idee kahjustas pöördumatult tema treenimata astrofüüsikalist aju.
Kui ta sai teada esimesest signaalist, mille LIGVO tuvastas, hakkas Afshordi kontrollima, kas aukude ühendamisest tingitud gravitatsioonilained võivad valgustada sündmuse horisondi lähedal toimuva üksikasju. Esialgu tundus, et ta keeras liiga palju huuli. "Ma ei arvanud, et me gravitatsioonilainete signaalis tegelikult kvantgravitatsiooni efekte näeme, sest oleme juba nii paljudest kohtadest vaadanud! - ütleb Afshordi. "Kuid ma olen selles küsimuses juba oma seisukohta muutnud."
Afshordi sundis oma meelt muutma Vitor Cardoso ja tema Portugali kõrgema tehnikainstituudi kolleegide töö mustade aukude gravitatsioonilainete kajal. Cardoso näitas üldiselt, et kahe kompaktse, sündmuste horisondita objekti ühendamine peaks tekitama gravitatsioonilaineid, mis sarnanevad musta auku lainetega, kuid pole nendega identsed. Silmaringi puudumise võtmetähis oleks Cardoso sõnul liitumise põhjustatud signaali perioodiline kordumine. Ühe piigi asemel, millele järgneb hääbumine (nagu geidetektoris), peaksid gravitatsioonilained olema hääbuvate pulsatsioonide jada - algse sündmuse nõrk kaja. Afshordi leidis, et sündmuste horisondi lähedal asuva piirkonna muutmine, mida tema teooria kirjeldab, nägi ette just sellist kaja. Lisaksta oskas arvutada selle perioodilisuse lõpliku musta augu massi funktsioonina ja seeläbi teha täpseid ennustusi.
Keegi pole kunagi sellist signaali otsinud ja selle leidmine pole kerge, vaid kuldne ülesanne. Siiani on LIGO-st ainult kaks avalikult kättesaadavat ja hästi kirjeldatud gravitatsioonilaine signaali. Koos teise teadlasega analüüsis Afshordi LIGVO andmeid kaja kohta. Võrreldes saadaolevaid salvestisi juhusliku müra abil, leidsid nad prognoositava sagedusega kajad. Selle sündmuse statistiline olulisus on siiski väike. Teaduslikus terminoloogias on selle hinnanguline olulisus 2,9 sigmat. Selle signaali võib põhjustada puhas müra, mille tõenäosus on umbes 1 200-st. Füüsikas pakub selline ebausaldusväärne sündmus huvi, kuid seda ei peeta avastuseks.
Kuid LIGVO eksperiment on tegelikult alles algus. Nende gravitatsioonilaine nähtuste juures on kõige silmatorkavam see, et seadmed suutsid neid isegi tuvastada. Tehnoloogiline keerukus oli uskumatu. Igal Louisiana ja Washingtoni osariigis (USA vastasotsad - u. Uus) oli kahe risti 4-kilomeetrise toruga häireteleskoop, mille sees peegeldub laserkiir peeglite vahel edasi-tagasi; pärast rekombinatsiooni talad segatakse. Laservalguste häired on äärmiselt tundlikud torude suhtelise pikkuse deformatsioonide suhtes - need võivad olla kuni 1/1000 prootoni läbimõõdust. See on tundlikkuse tase, mis on vajalik mustade aukude põrkumise gravitatsiooniefektide tabamiseks.
Häireteleskoobi läbiv gravitatsioonilaine deformeerib mõlemat toru oma äranägemise järgi, moonutades seeläbi interferentsi kulgu. Nõue registreerida nähtus mõlemas installatsioonis pakub kaitset fakapi eest. Projekti järgi tuvastab LIGVO kõige paremini gravitatsioonilaineid pikkusega sadu kuni mitu tuhat kilomeetrit - arvatakse, et mustade aukude ühinemine toimub samas vahemikus. Seda saame näidata ainult täisealiseks saanud isikutele. Plaanis on, et teised gravitatsioonilaine detektorid suunavad spektri erinevaid osi, olles häälestatud nähtuse erinevatele piirkondadele.
Siin lõppes humoresk, nii et olgu tavaline tekst preemia neile, kes meie harjutused kahtlase vaimukusega üle elasid.
Gravitatsioonilaineid ennustab paratamatult üldrelatiivsusteooria. Einstein tõdes, et aja ja ruumi suhe on dünaamiline - see venib, moonutab ja kõigub vastusena gravitatsioonianomaaliatele. Kui see võnkub, saavad lained vabalt pikki vahemaid läbida, kandes energiat ning perioodiliselt laienedes ja kokkutõmbudes ruumi ortogonaalsetes suundades. Meil on pikka aega olnud kaudseid tõendeid gravitatsioonilainete olemasolu kohta. Tulenevalt asjaolust, et nad kannavad energiat, põhjustavad nad kahendpulsside ühisel orbiidil väikest, kuid tajutavat hävingut. See efekt avastati esmakordselt 1970. aastatel ja see pälvis 1993. aastal Nobeli preemia. Kuid enne, kui LIGVO gravitatsioonilaineid registreeris, polnud meil otseseid tõendeid nende olemasolu kohta.
See on puhta vee teaduslik põhiuuring. Mis on mustade aukude ja väikeste tähesüsteemide tüübid? Kus nad galaktikate sees asuvad?
Esimene LIGVO esinemine - mis 2015. aasta septembris Afshordit nii palju erutas - oli märkimisväärne ja mitte ainult seetõttu, et see juhtus vaid paar päeva pärast kaua planeeritud teenuse uuendamist. See paistis silma ka seetõttu, et ühinevad mustad augud olid väga rasked, nende mass oli teadlaste sõnul 29 ja 36 päikesemassi. "Paljud inimesed ei eeldanud, et mustadel aukudel on nii suur mass," selgitab Ofek Birnholz, LIGVO väikeste topeltkokkupõrgete koostöögrupi liige ja Saksamaa Max Plancki instituudi füüsik. Pimestav signaal koos teabevahetuse alase koostöö avatusega on inspireerinud teiste kogukondade teadlasi, kes otsivad praegu Afshordile sarnaselt võimalusi uute avastuste kasutamiseks oma töös.
26. detsembril 2015 registreeris LIGVO teise nähtuse. Pärast aastaid kestnud aeglast progressi ja valesid starte on gravitatsioonilaine astronoomia ajastu ametlikult alanud. "Mõned mu kolleegfüüsikud on gravitatsioonilaine astronoomiast taandunud," jagab Birnholz ja lisab muiates, "ja nüüd nad pöörduvad tagasi, sest kõik segab taas." See on uurimata territoorium, puhta vee alusuuringud. Mis on mustade aukude ja väikeste tähesüsteemide tüübid? Kus nad galaktikate sees asuvad? Mida räägivad gravitatsioonilained meile nende päritolust? Kui neutronitäht ühineb musta auguga, mida saate ainest õppida sellistes äärmuslikes tingimustes? Kas mustad augud käituvad nii, nagu meie arvutused ennustavad?
Afshordi mustade aukude ja tumeaine teooria on veel üks näide sellest, millist tüüpi küsimused on nüüd võimalikud. Tiibades ootab kogu maailmas avalikustamata teabe meri.
Mõni päev pärast seda, kui Afshordi tulemused ilmuvad avatud serveris arXiv.org, uurivad LIGVO kogukonna liikmed tema analüüsi. Vaid paari nädala pärast avaldavad nad vastuse, vaatavad metoodika üle ja nõuavad mitmesuguste statistiliste vahendite kasutamist. Birnholz on ühe sellise ülevaate autor.
Afshordi väide üllatas Birnholzi: „Mul ei olnud otsust selle kohta, kas kaja peaks olema või mitte. See on füüsika haru, milles saab ainult spekuleerida. Kuid töötasin LIGVO andmetega, minu sisetunne näitab mulle selgelt, et selle ulatus on tõenäoliselt ebapiisav, et väita sellise tähtsuse olemasolu selles etapis. " Birnholzil on soovitusi analüüsi täiustamiseks, kuid ta soovib vältida väidete esitamist tulemuste kinnitamise tõenäosuse kohta. Alex Nielsen, teine LIGVO projekti liige ja üks Birnholzi kaasautoritest, märgib samuti vajadust olla ettevaatlik: „LIGVO projekti liikmetena peame olema väga ettevaatlikud ametlike avalduste suhtes, mis tehakse ilma kõigi osalejate nõusolekuta. Kuid teave avaldatakse ja inimesed saavad sellega teha mida iganes."
LIGVO projektil on avatud teaduskeskus, kus teave on avalikult kättesaadav, registreeritud tunni jooksul kinnitatud gravitatsiooninähtuste vahemikus. „Inimesed võivad seda vabalt kasutada ja küsimuste korral võtavad meiega ühendust. Kui nad leiavad midagi huvitavat, saavad nad meiega oma arvamust jagada ja me töötame selle kallal koos. See on osa teaduslikust kogemusest,”on Birnholz veendunud.
Projekt hõlmab mitmeid tuhandeid osalejaid ja akadeemilisi asutusi kogu maailmas. Nad kohtuvad kaks korda aastas; viimane kohtumine toimus Californias Pasadenas. Mõned projekti liikmed üritavad praegu Afshordi analüüse taastada. Birnholz loodab, et need katsed võtavad mitu kuud. Ta hoiatab: „Tulemus võib valmistada pettumuse. Mitte sellepärast, et see näitaks kaja puudumist, vaid seetõttu, et me ei suuda tõestada, kas see on olemas. Gravitatsioonilaine astronoomia on alles sündiv teadus ja palju andmeid ootab endiselt tiibades. Projekti liikmete hinnangul on LIGO 2018. aasta kolmanda vaatlussõidu lõpuks tuvastanud tõenäoliselt 40 ülitäpse musta augu ühinemist. Igaüks neist testib veel kord Afshordi teooriat.
Kuna nad suhtlevad nii nõrgalt ja vabastavad möödumisel nii vähe energiat, on gravitatsioonilaineid uskumatult raske mõõta. Nende põhjustatud deformatsioon on väike ja selge signaali tuvastamiseks on vaja olla äärmiselt ettevaatlik. Projekti avastamislävi on 5 sigmat, mis vastab vähem kui ühele võimalusele kolmest miljonist, et signaal oli kokkusattumus, mis oli tublisti üle Afshordi signaali. Kuid gravitatsioonilainete nõrk vastastikmõju teeb neist ka suurepärased sõnumitoojad. Erinevalt valgusosakestest ei mõjuta nad meie poole liikumist praktiliselt ja kannavad puutumatut teavet selle kohta, kus ja kuidas nad tekkisid. See võimaldab testida üldrelatiivsusteooriat täiesti uue täpsusega, kunagi varem uurimata režiimis.
Kui mustade aukude kaja olemasolu kinnitatakse, näitab see peaaegu täielikult otsustavat kõrvalekaldumist üldrelatiivsusteooria teooriast. Mustade aukude leidmine ei kinnita üheselt Afshordi teooriat, et mustad augud on tumeda energia allikas. Kuid selle selgitamine nõuab tõeliselt uut ideed. Kõigis meie simulatsioonides pole ma sellistest kajadest kuulnud. Kui meil õnnestub selle olemasolu registreerida, on see väga huvitav. Siis peame nägema, mis võis sellise nähtuse põhjustada,”ütleb Birnholz.
Juhul, kui Afshordi signaali statistiline olulisus suureneb, on tal uurimisplaanid. Ta soovib täiustada oma mustade aukude ühinemiste mudelit ja viia läbi numbrilisi simulatsioone, et toetada analüütilisi arvutusi selle kohta, millised kajad peaksid välja nägema. Järgmine samm on proovida paremini mõista aja ja ruumi teooriat, mis võib põhjustada selle käitumise tõusu mustade aukude silmapiirile. Ka kosmoloogid sooviksid seda uut tumeda energia seletust palju lähemalt uurida.
Afshordi saab aru, kui kaugele on muudetud üldrelatiivsusteooria niimoodi muutmine. Kuid tema revolutsioonil on eesmärk: "Ma tahan julgustada inimesi mõtlema avatult ja mitte ignoreerima ideid lihtsalt seetõttu, et need ei vasta nende eelarvamustele." Võib-olla ignoreeritakse selliseid vaateid peagi, arvestades seda, kuidas LIGWO avastab universumi loomingut kunagi varem näinud skaalal.
Sabine Hossenfelder
