Co to jest?
W czwartek (11 lutego) o godzinie 10:30 National Science Foundation w Waszyngtonie zgromadzi naukowców z Caltech, MIT i Naukowej Współpracy LEU, aby ogłosić społeczności naukowej wyniki wysiłków podjętych przez Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fali Grawitacyjnych (LIGO) w celu wykrycia fal grawitacyjnych .
W wyniku bardzo specyficznych plotek mających na celu możliwe odkrycie tej nieuchwytnej fali w przestrzeni kosmicznej, istnieje duża nadzieja, że naukowa współpraca LIGO w końcu położy kres gorączkowemu rozumowaniu i ogłosi odkrycie fal grawitacyjnych.
Ale dlaczego to takie ważne? A czym są „fale grawitacyjne”?
Fale grawitacyjne w ich najbardziej uogólnionym sensie są pulsacjami w przestrzeni kosmicznej. Albert Einstein założył się nieco ponad 100 lat temu, że pulsacje te przenoszą energię grawitacyjną z przyspieszenia masywnych obiektów w przestrzeni. Możemy sobie wyobrazić fale grawitacyjne jako fale na powierzchni stawu; wrzuć kamyk do wody, a fale przejdą po powierzchni upadłego obiektu. Fale grawitacyjne są podobne: zwróć uwagę na dwie czarne dziury (na przykład), a „tętnienie” przejdzie w przestrzeni, przenosząc energię z miejsca zderzenia z prędkością światła. Nie ma udowodnionych obserwacji obecności fal grawitacyjnych, ale ich identyfikacja nie była uważana za możliwą ... aż do niedawna.
Co je powoduje?
Czarne dziury są najbardziej masywnymi i gęstymi obiektami istniejącymi we Wszechświecie i prawdopodobnie są ośrodkami aktywności fali grawitacyjnej, zwłaszcza gdy zderzają się i łączą. Połączenie czarnych dziur jest uważane za klucz do mechanizmu wzrostu tych grawitacyjnych gigantów. Gdy dwie galaktyki łączą swoje centralne, bardzo ciężkie, czarne dziury zaczynają się obracać wokół siebie w spirali, a następnie zderzają się, tworząc dużą czarną dziurę. W tym przypadku fale grawitacyjne pochodzą ze spiralnych czarnych dziur, zanim zderzą się. Im więcej obiektów zbliża się do siebie, tym silniejsza jest energia grawitacji fal, która pobiera coraz więcej energii z czarnych dziur do ich kolizji, dzwoniąc jak „dzwon” po ich scaleniu. Innym zjawiskiem energetycznym, które generuje szybką erupcję fal grawitacyjnych, jest supernowe. Po tym, jak masywna gwiazda skończy się z paliwem wodorowym, eksploduje, tworząc ogromne ciśnienie grawitacyjne. W wyniku eksplozji wystąpi pulsacja fal grawitacyjnych, która przejdzie przez przestrzeń kosmiczną.
Fale grawitacyjne mogą być również tworzone przez szybko obracające się obiekty, ale istnieje jedna sztuczka. Tylko asymetryczne (to znaczy nie symetryczne) ogromne obracające się obiekty mogą emitować fale grawitacyjne w postaci okresowej. Na przykład szybko obracająca się gwiazda neutronowa z wypukłą akumulacją substancji po jednej stronie półkuli „wzbudzi” czasoprzestrzeń, aby wytworzyć fale grawitacyjne. Jednak doskonale symetryczna gwiazda neutronowa nie wytworzy fal grawitacyjnych. Najłatwiej to zrozumieć, wyobrażając sobie owalną kulę obracającą się na powierzchni basenu; podczas gdy kula wiruje, tworzy duże fale na powierzchni wody. Z kolei okrągła kula tworzy subtelne zmarszczki na powierzchni.
Przypuszczalnie Wielki Wybuch spowodował również potężny strumień fal grawitacyjnych, powstających we Wszechświecie, około 14 miliardów lat temu. Jednak te początkowe fale grawitacyjne prawdopodobnie nie zostaną wykryte, ponieważ ich sygnał jest zbyt słaby we współczesnym Wszechświecie. Podejmowane są jednak próby wykrycia ich w „blasku tła” Wielkiego Wybuchu. Takim projektem jest teleskop BICEP2 na biegunie południowym, który poszukuje bardzo specyficznego rodzaju polaryzacji w kosmicznym mikrofalowym tle, prawdopodobnie spowodowanym przez pierwotne fale grawitacyjne. Pomimo ostatnich zapowiedzi sygnały te nie zostały jeszcze wykryte.
Jak możemy je wykryć?
W 2002 r. Laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) rozpoczęło pracę nad konkretnym zadaniem: bezpośrednim wykrywaniem fal grawitacyjnych przechodzących przez naszą lokalną objętość przestrzeni. Fale grawitacyjne są transmitowane w przestrzeni kosmicznej i mogą być wykryte w dowolnej części nieba w nocy iw dzień, przechodząc przez mgławicę, gwiazd, a nawet stałe planety. Te fale, teoretycznie, nieustannie przechodzą przez kosmos, podróżując całkowicie swobodnie. Fale te mogą być wszędzie, ale ich efekt jest zaskakująco słaby, a LIGO został zaprojektowany, aby zbadać ich możliwe istnienie. LIGO składa się z dwóch stacji obserwacyjnych znajdujących się w odległości 2 tys. Mil od siebie - jednej w Waszyngtonie, drugiej w Luizjanie. Obie stacje są identyczne i mają dwa długie tunele w kształcie litery L. Każdy tunel ma długość 2,5 mil. Kąt „L” zawiera zaawansowane laboratorium optyczne wykorzystujące lasery do wykrywania niewielkich wahań odległości spowodowanych przejściem fali grawitacyjnej. Poprzez wielokrotne odbijanie laserów wzdłuż tunelu, a następnie porównywanie wiązek, sprzęt LIGO może wykryć najmniejszą zmianę fazy. Ta niezwykle dokładna technika nazywa się interferometrią. Każda zmiana fazy może oznaczać lekką krzywiznę czasoprzestrzeni - niewielką zmianę odległości, odpowiadającą 1/1000 szerokości protonu.
Do tej pory LIGO nie mógł wykryć żadnych sygnałów fal grawitacyjnych, ale wraz z uaktualnieniem do Advanced LIGO sytuacja może się zmienić.
Posiadanie dwóch stacji ma kluczowe znaczenie dla Advanced LIGO. Jeśli jedna stacja wykryje zmianę w czasoprzestrzeni, a druga nie, naukowcy mogą wyeliminować rozprzestrzenianie się fal grawitacyjnych. Te fałszywe alarmy mogą być spowodowane przez wibracje przechodzącej ciężarówki lub silne wiatry podczas burzy. Tylko wtedy, gdy dwie stacje zarejestrują to samo zdarzenie, zostanie potwierdzone istnienie sygnału fali grawitacyjnej.
Inne ziemskie detektory fal grawitacyjnych, takie jak Virgo (Włochy) i GEO 600 (Niemcy), również wykorzystują interferometrię do przechwytywania tych małych oscylacji czasoprzestrzeni. Niedawno uruchomiono misję LISA Pathfinder, aby przetestować kluczowe technologie za pomocą interferometru kosmicznego nowej generacji interferometru kosmicznego Evolution Laser Interferometer (eLISA), który Europejska Agencja Kosmiczna planuje uruchomić w 2034 roku.
Dlaczego są takie ważne?
Potwierdzenie wykrycia fal grawitacyjnych będzie ostatecznym połączeniem teoretycznej fizyki i rozwoju technologicznego. Fale grawitacyjne rodzą się bezpośrednio z ogólnej teorii względności Einsteina, która opisuje naturę przestrzeni i czasu. Zaskakujące jest to, że 100 lat temu, rok w roku, Einstein zasiał te zakłócenia w czasoprzestrzeni, tylko po to, aby w ciągu stulecia opracować technologię i spróbować je wykryć. Ich odkrycie potwierdzi kolejne założenie ogólnej teorii względności i pomoże nam w przyszłości znaleźć odpowiedzi na niektóre z najbardziej nieprzyjemnych zagadek stojących przed astrofizykami i kosmologami.
Bezpośrednie wykrywanie fal grawitacyjnych jest niewątpliwie wydarzeniem godnym Nagrody Nobla, a społeczność naukowa nie ma wątpliwości, że to osiągnięcie będzie na równi z odkryciem bozonu Higgsa w 2012 r. I być może nawet z koncepcją Edwina Hubble'a na temat ekspansji Wszechświata w 1929 r.
Ciekawe, że zasugerował, że różne zjawiska kosmiczne stworzą fale grawitacyjne o różnej częstotliwości. Współczesna astronomia skupia się na wykorzystaniu widma elektromagnetycznego do eksploracji Wszechświata. Tradycyjnie, widoczna część światła widma elektromagnetycznego, była używana przez astronomów do otwierania planet, a nawet patrzenia na sąsiednie galaktyki. Wraz z rozwojem metod astronomicznych i modernizacją technologii astronomowie zaczęli badać fale o różnych częstotliwościach, takie jak promieniowanie rentgenowskie, aby zobaczyć zdarzenia energetyczne wokół czarnych dziur i promieniowania podczerwonego, aby zajrzeć do mgławic tworzących gwiazdy.
Ale bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych będzie zmianą paradygmatu. Dzięki wystarczającej liczbie detektorów fal grawitacyjnych będziemy w stanie „zobaczyć” obiekty i obiekty, które pozostają niewidoczne dla widma elektromagnetycznego. Na przykład zderzające się dwie czarne dziury nie mogą wytwarzać dużego promieniowania elektromagnetycznego, ale mogą tworzyć ogromny sygnał fali grawitacyjnej. I podobnie jak promieniowanie elektromagnetyczne, częstotliwość fal grawitacyjnych będzie opisywać naturę generujących je zjawisk. Ostatecznie będziemy w stanie stworzyć mapę grawitacyjną pobliskiego Wszechświata ze zjawiskami czasowymi, takimi jak supernowe, i okresowymi pulsacjami z rotacji czarnych dziur. Astronomiczne fale grawitacyjne stworzą rewolucję w naszym postrzeganiu wszechświata.
