Aegruumi võnked avastati sajand pärast seda, kui Einstein neid ennustas. Algab uus ajastu astronoomias.
Teadlased suutsid tuvastada mustade aukude ühinemisest tingitud aegruumi kõikumisi. See juhtus sada aastat pärast seda, kui Albert Einstein ennustas neid "gravitatsioonilaineid" oma üldises relatiivsusteoorias ja sada aastat pärast seda, kui füüsikud neid otsima hakkasid.
Sellest tähelepanuväärsest avastusest teatasid täna LIGO laserinterferomeetrilise gravitatsioonilaine vaatluskeskuse teadlased. Nad kinnitasid kuuldusi, mis olid ümbritsenud kuude kaupa kogutud esimese andmekogumi analüüsi. Astrofüüsikud ütlevad, et gravitatsioonilainete avastamine võimaldab universumis uut pilku ja võimaldab ära tunda kaugeid sündmusi, mida optilistes teleskoopides näha pole, kuid on tunda ja isegi kuulda nende nõrku värinaid, mis kosmoses meieni jõuavad.
“Oleme tuvastanud gravitatsioonilaineid. Me tegime seda! teatas 1000-liikmelise uurimisrühma tegevdirektor David Reitze täna Washingtonis pressikonverentsil Riiklikus Teadusfondis.
Gravitatsioonilained on Einsteini ennustuste põhjal võib-olla kõige raskemini tabatav nähtus, teadlane arutas seda teemat oma kaasaegsetega aastakümneid. Tema teooria kohaselt moodustavad ruum ja aeg venitava aine, mis paindub raskete esemete mõjul. Gravitatsiooni tundmine tähendab selle asja kõveratesse sattumist. Kuid kas see aegruum võib väriseda nagu trumli nahk? Einstein oli segaduses, ta ei teadnud, mida tema võrrandid tähendavad. Ja ta muutis oma vaatenurka korduvalt. Kuid isegi tema teooria kõige kindlamad pooldajad uskusid, et gravitatsioonilained olid niikuinii liiga nõrgad. Nad kaskaadivad teatud kataklüsmide järel väljapoole ning liikudes sirutuvad vaheldumisi aegruumi. Kuid selleks ajaks, kui need lained Maale jõuavad,nad sirutavad ja suruvad kokku iga kilomeetri ruumi aatomituuma läbimõõdu väikese osa võrra.
LIGO observatooriumi detektor Washingtonis Hanfordis
Foto: REUTERS, Hangout
Reklaamvideo:
Nende lainete avastamiseks oli vaja kannatlikkust ja ettevaatlikkust. LIGO observatoorium lasi laserkiire edasi-tagasi mööda kahe detektori nelja kilomeetri pikkuseid täisnurga kurve, üks neist Washingtonis Hanfordis ja teine Louisiana osariigis Livingstonis. Seda tehti nende süsteemide kokkulangevate paisumiste ja kontraktsioonide otsimisel gravitatsioonilainete läbimise ajal. Kasutades tipptasemel stabilisaatoreid, vaakuminstrumente ja tuhandeid andureid, mõõtsid teadlased nende süsteemide pikkuse muutusi, moodustades vaid ühe tuhandiku prootoni suurusest. Niisugune pillitundlikkus oli sada aastat tagasi mõeldamatu. See tundus uskumatu ka 1968. aastal, kui Rainer Weiss Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist kavandas LIGO-nimelise eksperimendi.
"See on suur ime, et lõpuks see neil õnnestus. Nad suutsid neid pisikesi vibratsioone tuvastada! " - ütles Arkansase ülikooli teoreetiline füüsik Daniel Kennefick, kes kirjutas 2007. aastal raamatu Mõtete kiirusel reisimine: Einstein ja gravitatsioonilainete otsimine.
See avastus tähistas uue ajastu algust gravitatsioonilainete astronoomias. Loodetavasti on meil täpsemaid ideid mustade aukude moodustumise, koostise ja galaktilise rolli kohta - need ülitihedad massikuulid, mis moonutavad aegruumi nii dramaatiliselt, et isegi valgus ei pääse sealt välja. Kui mustad augud lähevad üksteise lähedale ja ühinevad, tekitavad need impulssignaali - aegruumi võnkumised, mis suurenevad amplituudis ja toonis, ning lõpevad siis järsult. Tähetorni poolt salvestatavad signaalid jäävad helipiirkonda - need on siiski liiga nõrgad, et palja kõrva poolt neid kuulda oleks. Selle heli saate uuesti luua, kui libistate sõrmedega üle klaveriklahvide. "Alustage madalaimast noodist ja töötage kuni kolmanda oktaavini," ütles Weiss. "Seda me kuuleme."
Füüsikuid hämmastab juba praegu salvestatud signaalide arv ja tugevus. See tähendab, et maailmas on musti auke rohkem, kui seni arvati. "Meil on vedanud, aga ma olen alati sellisele õnnele lootnud," ütles Caltechi astrofüüsik Kip Thorne, kes lõi LIGO koos Caltechist pärit Weissi ja Ronald Dreveriga. "See juhtub tavaliselt siis, kui universumis avaneb täiesti uus aken."
Olles pealt kuulanud gravitatsioonilainetel, võime kujundada kosmose kohta täiesti erinevaid ideid ja võib-olla avastame kujuteldamatuid kosmilisi nähtusi.
"Võin seda võrrelda hetkega, kui me esimest korda teleskoobi taevasse suunasime," ütles teoreetiline astrofüüsik Janna Levin Columbia ülikooli Barnardi kolledžist. "Inimesed said aru, et seal on midagi, ja te näete seda, kuid nad ei suutnud ennustada universumis eksisteerivat uskumatut võimaluste kogumit." Samamoodi võis Levin märkida, et gravitatsioonilainete avastamine võib näidata, et universum on "täis pimedat ainet, mida me ei saa lihtsalt teleskoobiga tuvastada".
Esimese gravitatsioonilaine avastamise lugu algas septembri esmaspäeva hommikul ja see algas klapiga. Signaal oli nii selge ja vali, et Weiss arvas: "Ei, see on jama, sellest ei tule midagi välja."
Emotsioonide intensiivsus
See esimene gravitatsioonilaine kandis uuendatud LIGO detektoreid - kõigepealt Livingstonis ja seitse millisekundit hiljem Hanfordis - simuleeritud jooksu ajal 14. septembri varahommikul, kaks päeva enne andmete kogumise ametlikku algust.
Detektorid olid "sisse sõidetud" pärast viieaastast uuendust, mis läks maksma 200 miljonit dollarit. Need on varustatud uute peeglitega müra summutamiseks ja aktiivse tagasisidesüsteemiga, mis pärsib kõrvalisi vibratsioone reaalajas. Uuendamine andis ajakohastatud vaatluskeskusele suurema tundlikkuse kui vana LIGO, mis leidis ajavahemikus 2002–2010 „absoluutse ja puhta nulli“, nagu Weiss ütles.
Kui septembris tuli tugev signaal, hakkasid teadlased Euroopas, kus sel hetkel oli hommik, oma Ameerika kolleege kiiruga e-kirjadega pommitama. Kui ülejäänud rühm ärkas, levisid uudised väga kiiresti. Peaaegu kõik olid selle suhtes skeptilised, ütles Weiss, eriti signaali nähes. See oli tõeline õpikute klassika ja nii pidasid mõned inimesed seda võltsiks.
Väärarusaamu gravitatsioonilainete otsimisel on korduvalt korratud alates 1960. aastate lõpust, kui Joseph Weber Marylandi ülikoolist uskus, et oli lainetele reageerides anduritega alumiiniumist silindrist leidnud resonantsvibratsiooni. 2014. aastal toimus eksperiment nimega BICEP2, mille tulemuste kohaselt teatati, et avastati algsed gravitatsioonilained - Suure Paugu aegruumi võnkumised, mis on nüüdseks universumi geomeetrias välja veninud ja jäädavalt jäätunud. BICEP2 meeskonna teadlased teatasid oma avastusest suure käraga, kuid seejärel kontrolliti nende tulemusi iseseisvalt, mille käigus selgus, et nad eksisid ja see signaal pärineb kosmilisest tolmust.
Kui Arizona osariigi ülikooli kosmoloog Lawrence Krauss LIGO meeskonna avastusest kuulis, arvas ta kõigepealt, et see on "pime värk". Vana observatooriumi töö ajal sisestati simuleeritud signaale vastuse testimiseks salaja andmevoogudesse ja enamik meeskonnast ei teadnud sellest. Kui Krauss teadlikust allikast teada sai, et seekord polnud tegemist "pimedate asjadega", ei suutnud ta vaevalt oma rõõmsat elevust taltsutada.
25. septembril säutsus ta oma 200 000 jälgijale: „Kuulujutud LIGO detektoril tuvastatud gravitatsioonilainest. Hämmastav, kui see on tõsi. Annan teile üksikasjad, kui see pole pärn. " Sellele järgneb 11. jaanuari kirje: „Sõltumatud allikad on kinnitanud varasemaid kuulujutte LIGO kohta. Jälgi uudiseid. Ehk avastatakse gravitatsioonilained!"
Teadlaste ametlik seisukoht oli järgmine: ärge levitage vastuvõetud signaali enne, kui on sada protsenti kindel. Thorne, keda seob saladuskohustus käe ja jalaga, ei öelnud isegi oma naisele midagi. "Ma tähistasin üksi," ütles ta. Alustuseks otsustasid teadlased minna tagasi algusesse ja analüüsida kõike kõige väiksemate detailideni, et teada saada, kuidas signaal levis läbi erinevate detektorite tuhandete mõõtekanalite, ja mõista, kas signaali tuvastamise hetkel oli midagi kummalist. Nad ei leidnud midagi erakordset. Samuti kõrvaldasid nad häkkerid, kes oleksid pidanud kõige paremini teadma katse tuhandetest andmevoogudest. "Isegi kui meeskond viskab sisse, pole nad piisavalt täiuslikud ja jätavad oma jälje alla palju jälgi," ütles Thorne. "Ja siin ei olnud jälgi."
Järgmistel nädalatel kuulsid nad teist, nõrgemat signaali.
Teadlased analüüsisid kahte esimest signaali ja neid saadi üha rohkem. Jaanuaris esitasid nad oma uurimistöid ajakirjas Physical Review Letters. See küsimus on täna Internetis. Nende hinnangul ületab esimese, kõige võimsama signaali statistiline olulisus "5-sigma", mis tähendab, et teadlased on selle autentsuses 99,9999% kindlad.
Gravitatsiooni kuulamine
Einsteini üldrelatiivsusteooria võrrandid on nii keerulised, et enamikul füüsikutel kulus nõustumiseks 40 aastat: jah, gravitatsioonilained on olemas ja neid saab tuvastada - isegi teoreetiliselt.
Alguses arvas Einstein, et objektid ei saa energiat gravitatsioonikiirguse kujul vabastada, kuid muutis siis oma seisukohta. Oma ajaloolises teoses, mis kirjutati 1918. aastal, näitas ta, millised objektid seda suudavad: hantlisüsteemid, mis pöörlevad samaaegselt kahe telje ümber, näiteks binaarid ja supernoovad, mis plahvatavad nagu paugutid. Just nemad saavad aegruumis laineid tekitada.
Arvutimudel, mis illustreerib gravitatsioonilainete olemust Päikesesüsteemis
Foto: REUTERS, jaotusmaterjal
Kuid Einstein ja tema kolleegid jätkasid kõhklusi. Mõned füüsikud on väitnud, et isegi lainete olemasolul vibreerib maailm nendega koos ja neid on võimatu tunda. Alles 1957. aastal lõpetas Richard Feynman küsimuse, näidates mõtteeksperimendis, et kui gravitatsioonilained on olemas, on teoreetiliselt neid võimalik tuvastada. Kuid keegi ei teadnud, kui levinud need hantlisüsteemid kosmoses olid või kui tugevad või nõrgad olid sellest tulenevad lained. "Lõppkokkuvõttes oli küsimus: kas me saame neid kunagi leida?" Ütles Kennefick.
1968. aastal oli Rainer Weiss Massachusettsi tehnoloogiainstituudi noorprofessor ja talle määrati üldrelatiivsusteooria kursus. Eksperimentaatorina teadis ta sellest vähe, kuid järsku tuli uudis Weberi gravitatsioonilainete avastamisest. Weber ehitas alumiiniumist kolm laua suurust resonantsdetektorit ja paigutas need Ameerika eri osariikidesse. Nüüd ütles ta, et kõik kolm detektorit salvestasid "gravitatsioonilainete heli".
Weissi õpilastel paluti selgitada gravitatsioonilainete olemust ja avaldada arvamust kõlanud sõnumi kohta. Üksikasju uurides hämmastas ta matemaatiliste arvutuste keerukust. "Ma ei suutnud aru saada, mida kuradit Weber tegi, kuidas andurid gravitatsioonilainega suhtlevad. Istusin kaua ja küsisin endalt: "Mis on kõige primitiivsem asi, mida ma gravitatsioonilainete tuvastamiseks mõelda saan?" Ja siis tuli mulle pähe mõte, mida nimetan LIGO kontseptuaalseks aluseks."
Kujutage ette kolm aegruumis olevat objekti, näiteks peeglid kolmnurga nurkades. "Saatke valgussignaali ühelt teisele," ütles Weber. "Vaadake, kui kaua ühelt massilt teisele liikumine aega võtab, ja kontrollige, kas aeg on muutunud." Selgub, märkis teadlane, et seda saab teha kiiresti. „Usaldasin selle oma õpilastele teadusliku ülesandena. Sõna otseses mõttes suutis kogu grupp neid arvutusi teha."
Järgnevatel aastatel, kui teised teadlased üritasid Weberi resonantsdetektoriga tehtud katse tulemusi korrata, kuid pidevalt ebaõnnestusid (pole selge, mida ta täheldas, kuid need ei olnud gravitatsioonilained), hakkas Weiss ette valmistama palju täpsemat ja ambitsioonikamat katset: gravitatsioonilaine interferomeetrit. Laserkiir peegeldub kolmelt L-kujuliselt peeglilt, moodustades kaks kiirt. Valguslainete tippude ja küna kaugus näitab täpselt G-aegsete põlvede pikkust, mis loovad aegruumi X- ja Y-telje. Kui skaala on paigal, põrkavad kaks valguslainet nurkadest maha ja tühistavad üksteise. Detektoris on signaal null. Kuid kui gravitatsioonilaine läbib Maad, venitab see tähe "G" ühe õla pikkuse ja tihendab teise pikkuse (ja vastupidi omakorda). Kahe valgusvihu mittevastavus loob detektoris signaali, mis näitab aegruumi kergeid kõikumisi.
Alguses olid kaasfüüsikud skeptilised, kuid peagi leidis katse tuge Thorne'i isikul, kelle rühm Caltechi teoreetikuid uuris musti auke ja muid võimalikke gravitatsioonilainete allikaid ning nende tekitatavaid signaale. Thorne sai inspiratsiooni Weberi eksperimendist ja Venemaa teadlaste sarnastest jõupingutustest. Pärast esinemist 1975. aastal Weissiga konverentsil "hakkasin uskuma, et gravitatsioonilainete tuvastamine õnnestub," ütles Thorne. "Ja ma tahtsin, et ka Caltech oleks selles osaline." Ta leppis instituudiga kokku Šoti eksperimentaatori Ronald Drieveri palkamises, kes teatas ka, et ehitab gravitatsioonilaine interferomeetri. Aja jooksul hakkasid Thorne, Driver ja Weiss töötama ühe meeskonnana, praktilise eksperimendi ettevalmistamiseks lahendasid kumbki oma osa lugematutest probleemidest. Kolmik moodustas LIGO 1984. aastal ja kui prototüübid ehitati ja kasvav meeskond koostööd hakkas tegema, said nad 1990. aastate alguses Riiklikust Teadusfondist 100 miljonit dollarit raha. Hiiglaslike L-kujuliste detektorite paari ehitamiseks koostati joonised. Kümme aastat hiljem hakkasid detektorid tööle.
Hanfordis ja Livingstonis on detektorite iga nelja kilomeetri pikkuse kurvi keskel vaakum, tänu millele on laser, selle valgusvihk ja peeglid planeedi pidevatest vibratsioonidest maksimaalselt eraldatud. Veelgi kindlustamiseks jälgivad LIGO teadlased oma detektoreid nende töötamise ajal tuhandete instrumentidega, mõõtes kõike, mis võimalik: seismiline aktiivsus, atmosfäärirõhk, välk, kosmilised kiired, seadmete vibratsioon, laserkiire piirkonnas esinevad helid jne. Seejärel filtreerivad nad selle kõrvalise taustamüra oma andmetest välja. Võib-olla on peamine see, et neil on kaks detektorit ja see võimaldab teil võrrelda vastuvõetud andmeid, kontrollides neid kattuvate signaalide olemasolu suhtes.
Loodud vaakumi sees, isegi kui laserid ja peeglid on täielikult isoleeritud ja stabiliseerunud, "juhtub kogu aeg imelikke asju," ütleb LIGO projekti aseesindaja Marco Cavaglià. Teadlased peavad jälgima neid "kuldkala", "kummitusi", "arusaamatuid merekoletisi" ja muid kõrvalisi vibratsiooninähtusi, selgitades välja nende päritolu, et see kõrvaldada. Üks raske juhtum leidis aset valideerimisfaasis, ütles selliseid kõrvalisi signaale ja häireid uuriv LIGO meeskonna teadlane Jessica McIver. Andmetesse ilmus sageli rida perioodilisi ühe sagedusega müra. Kui ta kolleegidega peeglite vibratsiooni helifailideks muutis, "helises telefon selgelt," ütles McIver. “Selguset just sideteenuse reklaamijad helistasid laserruumis telefoni teel.
Järgmise kahe aasta jooksul jätkavad teadlased moderniseeritud laserinterferomeetrilise gravitatsioonilaine vaatluskeskuse LIGO detektorite tundlikkuse parandamist. Ja Itaalias hakkab tööle kolmas interferomeeter nimega Advanced Virgo. Üks vastus, mida saadud andmed aitavad anda, on see, kuidas tekivad mustad augud. Kas need on varaseimate massiivsete tähtede kokkuvarisemise tagajärjed või on need tingitud tihedate täheparvede kokkupõrgetest? "Need on vaid kaks eeldust. Ma arvan, et neid on rohkem, kui kõik rahunevad," ütleb Weiss. Kui LIGO hakkab oma eelseisva töö käigus uut statistikat koguma, hakkavad teadlased kuulama lugusid mustade aukude tekkimisest, mida kosmos neile sosistab.
Kuju ja suuruse järgi tekkis esimene kõige valjem impulssignaal 1,3 miljardi valgusaasta kauguselt, kus pärast igavikku aeglast tantsu vastastikuse gravitatsioonilise tõmbe mõjul sulandusid lõpuks kaks musta auku, kumbki umbes 30 korda suurem kui päikese mass. Mustad augud tiirutasid järjest kiiremini, nagu mullivann, järk-järgult lähemale. Siis toimus ühinemine ja ühe silmapilgu jooksul vabastasid nad gravitatsioonilained, mille energia oli võrreldav kolme Päikese omaga. Sellest sulandumisest sai kõige võimsam energeetiline nähtus, mis kunagi registreeritud.
"Nagu oleksime tormi ajal ookeani kunagi näinud," ütles Thorne. Ta on seda tormi aegruumis oodanud juba 1960. aastatest alates. Tunne, mida Thorne lainete veeredes koges, polnud tema sõnul just põnevus. See oli midagi muud: sügavaima rahulolu tunne.
