Teraz żyjemy we wszechświecie wypełnionym falami grawitacyjnymi.
Przed historycznym oświadczeniem w czwartek rano na spotkaniu National Science Foundation (NSF) w Waszyngtonie pojawiły się tylko pogłoski, że Laserowe Obserwatorium Fale Grawitacyjnej Interferometrycznej (LIGO) otworzyło kluczowy element Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina, ale teraz wiemy, że rzeczywistość jest głębsza niż myśleliśmy.
Z zadziwiającą jasnością LIGO mógł „usłyszeć” moment przed połączeniem układu binarnego czarnych dziur (dwóch czarnych dziur obracających się wokół siebie) w jedną całość, tworząc tak wyraźny sygnał fali grawitacyjnej zgodnie z modelem teoretycznym, który nie jest wymagana dyskusja. LIGO był świadkiem „odrodzenia” potężnej czarnej dziury, która wydarzyła się około 1,3 miliarda lat temu.
Fale grawitacyjne zawsze były i zawsze będą, przechodząc przez naszą planetę (w rzeczywistości przechodząc przez nas), ale dopiero teraz wiemy, jak je znaleźć. Teraz otworzyliśmy nasze oczy na różne kosmiczne sygnały, wibracje wywołane znanymi zdarzeniami energetycznymi i jesteśmy świadkami narodzin zupełnie nowej dziedziny astronomii.
Dźwięk dwóch czarnych dziur łączących się:
„Teraz możemy usłyszeć Wszechświat”, powiedziała Gabriela González, fizyk i przedstawiciel LIGO, podczas triumfalnego spotkania w czwartek. „Odkrycie oznaczało początek nowej ery: pole astronomii grawitacyjnej jest teraz rzeczywistością”.
Nasze miejsce we Wszechświecie bardzo się zmienia i odkrycie to może mieć fundamentalne znaczenie, jak odkrycie fal radiowych i zrozumienie, że Wszechświat się rozszerza.
Teoria względności staje się bardziej rozsądna
Próby wyjaśnienia czym są fale grawitacyjne i dlaczego są one tak ważne, tak złożone, jak opisujące je równania, ale ich odkrycie nie tylko wzmacnia teorię Einsteina o naturze czasoprzestrzeni, mamy teraz narzędzie do wykrywania części Wszechświata, która była niewidoczna nas Teraz możemy badać fale kosmiczne stworzone przez najbardziej energetyczne zdarzenia zachodzące we Wszechświecie, i być może użyć fal grawitacyjnych do nowych odkryć fizycznych i zbadania nowych zjawisk astronomicznych.
„Teraz musimy udowodnić, że mamy technologię, która wykracza poza odkrywanie fal grawitacyjnych, ponieważ otwiera wiele możliwości”, powiedział Lewis Lehner z Institute of Theoretical Physics w Ontario w wywiadzie po oświadczeniu w czwartek.
Badania Lenera skupiają się na gęstych obiektach (takich jak czarne dziury), które tworzą potężne fale grawitacyjne. Chociaż nie jest związany ze współpracą LIGO, Lehner szybko zdał sobie sprawę z wagi tego historycznego odkrycia. „Nie ma lepszych sygnałów” - powiedział.
Odkrycie opiera się na trzech sposobach, argumentuje. Po pierwsze, teraz wiemy, że istnieją fale grawitacyjne i wiemy, jak je wykryć. Po drugie, sygnał wykryty przez stacje LIGO w dniu 14 września 2015 r. Jest silnym wskaźnikiem istnienia podwójnego systemu czarnych dziur, a każda czarna dziura waży kilkadziesiąt mas Słońca. Sygnał jest dokładnie tym, czego oczekiwaliśmy w wyniku twardej fuzji dwóch czarnych dziur, jedna waży 29 razy Słońce, a druga 36 razy. Po trzecie, i być może najważniejsze, „możliwość wysłania do czarnej dziury” jest zdecydowanie najsilniejszym dowodem istnienia czarnych dziur.
Kosmiczna intuicja
Wydarzeniu temu towarzyszyło szczęście, podobnie jak wiele innych odkryć naukowych. LIGO to największy projekt finansowany przez National Science Foundation, który został uruchomiony początkowo w 2002 roku. Okazało się, że po wielu latach poszukiwań nieuchwytnego sygnału fal grawitacyjnych, LIGO nie jest wystarczająco czuły iw 2010 roku obserwatoria zamarzły, podczas gdy współpraca międzynarodowa działa na rzecz zwiększenia ich wrażliwości. Pięć lat później, we wrześniu 2015 r., Narodziło się „ulepszone LIGO”.
W tym czasie Kip Thorn, współzałożyciel LIGO i wagi ciężkiej w fizyce teoretycznej, był pewien sukcesu LIGO, mówiąc do BBC: „Jesteśmy tutaj. Trafiliśmy na wielką grę. Jest całkiem jasne, że podniesiemy zasłonę tajemnicy. ”I miał rację, kilka dni po rekonstrukcji, fala fal grawitacyjnych przetoczyła się przez naszą planetę, a LIGO był wystarczająco czuły, aby je wykryć.
Te fuzje czarnych dziur nie są uważane za nic specjalnego; według przybliżonych szacunków takie zdarzenia występują co 15 minut gdzieś we Wszechświecie. Ale właśnie to połączenie nastąpiło we właściwym miejscu (w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych) w odpowiednim czasie (1,3 miliarda lat temu), które miało zostać przechwycone przez obserwatoria LIGO. Był to czysty sygnał z wszechświata, a Einstein przewidział to, a jego fale grawitacyjne okazały się rzeczywiste, opisując zdarzenie kosmiczne, 50 razy silniejsze niż moc wszystkich gwiazd we wszechświecie razem wziętych. Ta ogromna eksplozja fal grawitacyjnych została zarejestrowana przez LIGO jako sygnał wysokiej częstotliwości z liniową modulacją częstotliwości, podczas gdy czarne dziury poruszające się w spirali połączyły się w jeden. Aby potwierdzić propagację fal grawitacyjnych, LIGO składa się z dwóch stacji obserwacyjnych, jednej w Luizjanie, drugiej w Waszyngtonie. Aby wyeliminować fałszywe alarmy, sygnał fali grawitacyjnej powinien zostać wykryty na obu stacjach. 14 września wynik uzyskano najpierw w Luizjanie, a po 7 milisekundach w Waszyngtonie. Sygnały się zgadzały i przy pomocy triangulacji fizycy byli w stanie odkryć, że pochodzą one z niebiańskiej przestrzeni półkuli południowej.
Fale grawitacyjne: jak mogą być przydatne?
Mamy więc potwierdzenie sygnału fuzji czarnej dziury i co z tego? Jest to odkrycie historyczne, co jest całkiem zrozumiałe - 100 lat temu Einstein nie mógł nawet marzyć o znalezieniu tych fal, ale nadal się zdarzało.
Ogólna teoria względności była jedną z najgłębszych percepcji naukowych i filozoficznych XX wieku i stanowi podstawę najbardziej inteligentnych badań w rzeczywistości. W astronomii oczywiste są zastosowania ogólnej teorii względności: od soczewki grawitacyjnej do pomiaru ekspansji Wszechświata. Ale praktyczne zastosowanie teorii Einsteina wcale nie jest jasne, ale większość nowoczesnych technologii wykorzystuje lekcje z teorii względności w niektórych rzeczach, które uważa się za proste. Weźmy na przykład globalne satelity nawigacyjne, które nie będą wystarczająco dokładne, jeśli nie zastosuje się prostej korekty dylatacji czasu (przewidywanej przez teorię względności).
Jasne jest, że ogólna teoria względności ma zastosowanie w świecie rzeczywistym, ale kiedy Einstein przedstawił swoją teorię w 1916 r., Jej zastosowanie było wysoce wątpliwe, co wydawało się oczywiste. Po prostu połączył Wszechświat w sposób, w jaki go widział, i narodziła się ogólna teoria względności. A teraz udowodniono inny składnik teorii względności, ale jak można wykorzystać fale grawitacyjne? Astrofizycy i kosmolodzy są zaintrygowani. „Po zebraniu danych z par czarnych dziur, które będą odgrywać rolę latarni morskich rozrzuconych po całym wszechświecie” - powiedział fizyk teoretyczny Neil Turok, dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej w czwartek podczas prezentacji wideo. ekspansja wszechświata lub ilość ciemnej energii z niezwykłą precyzją jest znacznie dokładniejsza niż dzisiaj ”.
„Einstein rozwinął swoją teorię z pewnymi wskazówkami natury, ale w oparciu o logiczną sekwencję. Po 100 latach widzisz bardzo dokładne dowody swoich przewidywań. ”
Ponadto wydarzenie z 14 września ma pewne cechy fizyki, które nadal wymagają zbadania. Na przykład Lehner zauważył, że z analizy sygnału fali grawitacyjnej można zmierzyć „rotację” lub moment pędu czarnej dziury. „Jeśli pracowałeś nad teorią przez długi czas, powinieneś wiedzieć, że czarna dziura ma bardzo, bardzo szczególną rotację”, powiedział.
Tworzenie fal grawitacyjnych w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur:
Z jakiegoś powodu końcowa rotacja czarnej dziury jest wolniejsza niż się spodziewano, co wskazuje, że czarne dziury zderzają się przy niskiej prędkości, lub były w kolizji, która spowodowała, że wspólny moment pędu stał naprzeciw siebie. „To bardzo interesujące, dlaczego natura to zrobiła?” Powiedział Lehner.
Ta najnowsza tajemnica może powrócić do pewnych podstaw fizyki, które nie zostały wzięte pod uwagę, ale co bardziej intrygujące, może ujawnić „nową”, niezwykłą fizykę, która nie pasuje do ogólnej teorii względności. A to ujawnia inne zastosowania fal grawitacyjnych: ponieważ są one tworzone przez silne zjawiska grawitacyjne, mamy możliwość sondowania tego medium z daleka, z możliwymi niespodziankami po drodze. Ponadto moglibyśmy łączyć obserwacje zjawisk astrofizycznych z siłami elektromagnetycznymi, aby lepiej zrozumieć strukturę Wszechświata.
Aplikacja?
Naturalnie, po ogromnych ogłoszeniach złożonych z wielu odkryć naukowych, wiele osób spoza społeczności naukowej jest zainteresowanych tym, jak mogą na nie wpływać. Głębokość odkrycia może zostać utracona, co oczywiście dotyczy fal grawitacyjnych. Ale rozważmy inny przypadek, w którym Wilhelm Roentgen odkrył promieniowanie rentgenowskie w 1895 r., Podczas eksperymentów z lampami katodowymi niewiele osób wie, że zaledwie kilka lat później te fale elektromagnetyczne staną się kluczowym elementem w codziennej medycynie od diagnozy do leczenia. Podobnie, pierwsze eksperymentalne tworzenie fal radiowych w 1887 r. Heinrich Hertz potwierdził dobrze znane równania elektromagnetyczne Jamesa Clerk Maxwella. Dopiero w latach 90. XX wieku Guglielmo Marconi, który stworzył nadajnik radiowy i odbiornik radiowy, udowodnił ich praktyczne zastosowanie. Ponadto równania Schrödingera opisujące złożony świat dynamiki kwantowej są obecnie wykorzystywane w rozwoju ultraszybkich obliczeń kwantowych.
Inżynier LIGO ocenia zanieczyszczenie interferometru.
Wszystkie odkrycia naukowe są użyteczne, a wiele, ostatecznie, ma codzienne zastosowanie, które uważamy za oczywiste. Obecnie praktyczne zastosowanie fal grawitacyjnych ogranicza się do astrofizyki i kosmologii - teraz mamy okno w „ciemnym Wszechświecie”, który nie jest widoczny dla promieniowania elektromagnetycznego. Bez wątpienia naukowcy i inżynierowie znajdą inne zastosowanie tych kosmicznych pulsacji, oprócz wykrywania Wszechświata. Aby jednak wykryć te fale, musi nastąpić dobry postęp w technologii optycznej w LIGO, w którym nowe technologie pojawią się z czasem. Oczywiście wykrywanie fal grawitacyjnych - triumf ludzkości, który pomoże odkrywać nasz Wszechświat dla przyszłych pokoleń. Jest to zdecydowanie złoty wiek dla nauki, w której odkrycia historyczne stały się powszechne. I mamy potencjał intelektualny, aby stworzyć model Wszechświata i eksperymentalnie udowodnić nasz przypadek.
Ale dla mnie najbardziej ekscytującą rzeczą jest zobaczenie pierwszych map grawitacyjnych przestrzeni, w których wykreślane są okresowe buczenie gwiazd neutronowych i impulsowe wybuchy supernowych, otwierając nowy Wszechświat pełen kosmicznych fal.
