Oamenii de știință au auzit aria gravitației pentru prima dată.
Continut Asemanator
- Cinci lucruri de știut despre valurile gravitaționale
- Șapte moduri simple despre care știm că Einstein avea dreptate (deocamdată)
În timp ce două găuri negre au spiralat unul către celălalt și s-au contopit, au creat ondulări în țesătura cosmosului exact în forma pe care fizicienii au prevăzut-o timp de un secol: undele gravitaționale. Dezvăluit astăzi în cadrul unei suită de conferințe de presă internaționale, semnalul deschide calea către o înțelegere cu totul nouă a universului.
"Aceasta este prima dată când universul ne-a vorbit prin valuri gravitaționale. Până acum am fost surzi", a declarat astăzi directorul laboratorului LIGO, David Reitze, de la Universitatea din Florida, la un eveniment de presă din Washington, DC
La rădăcina undelor gravitaționale se află teoria gravitației lui Albert Einstein, care spune că orice lucru cu masă deformează chiar țesătura spațiului-timp. Atunci când obiectele masive se mișcă, ele creează distorsiuni în țesătura cosmică, generând unde gravitaționale. Aceste unde se încolăcesc prin univers ca undele sonore care pulsează prin aer.
Teoria lui Einstein prevede că universul este plin de unde gravitaționale, dar până acum nu am fost în măsură să le detectăm, în parte, deoarece undele sunt în mod excepțional leșin. Dar chiar înainte ca instrumentele sale modernizate să vină oficial online anul trecut, Laser Interferometru Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a preluat un semnal clar de la puternica coliziune a două găuri negre la 1, 3 miliarde de ani lumină.
„A detecta un semnal de gravitațională în timp ce LIGO încă nu este aproape de sensibilitatea la proiectare în prima cursă științifică este uimitor, este scăpând maxilarul, într-un mod bun”, spune Joan Centrella, care a condus Laboratorul de Astrofizică Gravitațională la Zborul Space Goddard al NASA Centrul înainte de a deveni director adjunct al Diviziei de Științe de Astrofizică la Goddard.
Această extazire s-a răsucit prin intermediul observatorului LIGO din Livingston, Louisiana și prin restul lumii, în timp ce echipa și-a făcut anunțul. Aproape tot ceea ce au aflat astronomi despre cosmos a venit din diferite forme de lumină, cum ar fi undele radio vizibile și razele X. Dar la fel cum undele seismice pot dezvălui structuri ascunse în interiorul Pământului, undele gravitaționale poartă cu ele informații despre proprietățile ascunse ale universului pe care chiar și lumina nu le poate dezvălui.
„Am început cu un loc de muncă cu risc ridicat, cu un potențial foarte mare de remunerare”, a declarat în timpul evenimentului de presă Kip Thorne, co-fondator LIGO și fizician gravitațional la Institutul Tehnologic din California. „Și suntem astăzi aici cu un mare triumf - un mod cu totul nou de a observa universul.”
Indici precoce
Vânătoarea valurilor gravitaționale a început cu un secol în urmă, cu publicarea teoriei generale a relativității a lui Einstein. La mijlocul anilor '70, fizicienii Russell A. Hulse și Joseph H. Taylor, Jr. au capturat dovezi extrem de convingătoare că există aceste onduleuri. Au măsurat timpul necesar pentru ca două stele neutre dense - miezurile zdrobite de stele odată masive - să orbiteze reciproc.
Pe baza lucrărilor lui Einstein, ei știau că aceste stele ar trebui să radieze energia gravitațională în timp ce se învârteau și că energia pierdută ar trebui să le determine să se rotească unul spre celălalt. După ce au studiat cele două stele pentru următorii câțiva ani, au văzut că orbita scade cu exact valoarea estimată de relativitatea generală.
În timp ce această constatare a câștigat duo-ul Premiul Nobel pentru fizică din 1993, majoritatea fizicienilor nu l-ar numi o detectare directă a undelor gravitaționale.
În 2001, LIGO a început să funcționeze în două locații la 1.875 de mile între ele - una în Livingston, Louisiana și cealaltă în Hanford, Washington. Câțiva ani mai târziu, telescopul cu unde gravitaționale europene Virgo a venit și el online. Ambele au funcționat până în 2010, respectiv 2011, înainte de a fi deconectat pentru actualizări.
În timp ce oamenii de știință speraseră că aceste observatorii inițiale vor capta valuri gravitaționale, știau că este o lovitură lungă. Aceste ondulare sunt semnale foarte slabe, iar instrumentele nu erau suficient de sensibile pentru a le auzi șoaptele. Dar rulările inițiale servesc ca teste ale tehnologiei pentru instrumentele de generație următoare.
Fecioara este în continuare modernizată, dar echipa LIGO și-a încheiat activitatea pe ambii detectori în 2015. Acum numită Advanced LIGO, observatorii din Louisiana și Washington au ascultat undele gravitaționale în timpul primei observații științifice desfășurate în perioada 18 septembrie 2015 și 12 ianuarie, 2016. Semnalul anunțat astăzi a fost preluat chiar înaintea primei alergări oficiale, deoarece echipa desfășura teste operaționale ale detectoarelor.
Precizia laser
Depistarea unui val pe măsură ce trecea pe Pământ a necesitat multă inginerie inteligentă, putere computerizată și peste 1.000 de oameni de știință care lucrează în întreaga lume.
În interiorul fiecărui observator LIGO în formă de L, un laser stă la punctul de întâlnire a două tuburi perpendiculare. Laserul trece printr-un instrument care împarte lumina, astfel încât două fascicule parcurg aproximativ 2, 5 mile în jos de fiecare tub. Oglinzile de la capetele tuburilor reflectă lumina înapoi spre sursa sa, unde așteaptă un detector.
De obicei, nu există lumină pe detector. Dar când trece o undă gravitațională, aceasta ar trebui să se întindă și să ghemuiască spațiul timpului într-un model previzibil, schimbând efectiv lungimile tuburilor cu o cantitate minusculă - de ordinul unei miiimi din diametrul unui proton. Apoi, un pic de lumină va ateriza pe detector.
Pentru a da seama de schimbările incredibil de mici, oglinzile instrumentului sunt atașate la sisteme complexe care le izolează de majoritatea vibrațiilor. Oamenii de știință LIGO au, de asemenea, programe informatice speciale care pot filtra prin diferite tipuri de zgomot de fond, cum ar fi tremururile ocazionale, și pot determina dacă un semnal de intrare se potrivește cu surse astronomice posibile calculate folosind relativitatea generală.
Siturile din Louisiana și Washington lucrează împreună pentru a verifica observarea. „Nu credem că vedem o undă gravitațională, cu excepția cazului în care ambii detectori văd același semnal în intervalul de timp pe care valul gravitațional va dura pentru a călători între cele două site-uri”, spune Amber Stuver, membru al echipei LIGO, din Universitatea de Stat din Louisiana. În acest caz, valul a trecut pe Pământ și i-a lovit pe cei doi detectori la doar șapte milisecunde distanță.
Odată ce siturile din Louisiana și Washington detectează o posibilă melodie gravitațională, oamenii de știință trebuie să lucreze la analiză. LIGO a preluat acest semnal pe 14 septembrie, dar abia acum poate spune cu mare siguranță că au văzut unde gravitaționale.
"Ne-a luat luni întregi de verificare atentă, re-verificare, analiză, de lucru cu fiecare bucată de date pentru a vă asigura de observare", a spus Reitze în timpul evenimentului DC. „Și ne-am convins că este cazul”. Rezultatele apar în această săptămână în Physical Review Letters .
O vedere aeriană a detectorului LIGO din Livingston, Louisiana. (Laboratorul LIGO) Semnalul valului gravitațional pe care astronomii l-au scos din cele mai recente observații se potrivea cu ceea ce se așteptau pentru două găuri negre care se învârteau unul spre celălalt. Dansul trimite valuri gravitaționale la o frecvență și o putere previzibile, în funcție de cât de departe sunt obiectele și de masa lor.
Pe măsură ce încep să danseze mai aproape, lungimile de undă ale undelor gravitaționale se micșorează, iar cântecul lor atinge groapele superioare. Atunci când găurile negre se închid pentru îmbrățișarea finală, semnalul valului gravitațional are o notă finală înaltă, sau „ciripit”, așa cum o numesc astronomii.
Semnalul din septembrie se aliniază frumos cu ceea ce echipa ar aștepta de la două găuri negre cu mase egale cu aproximativ 29 și 36 de ori mai mult decât soarele. Aceste găuri negre s-au trântit împreună pentru a crea o nouă gaură neagră de 62 de ori mai mult decât masa soarelui - care radiază trei mase solare în valoare de energie gravitațională.
Asteapta-te la neasteptat
Cu această detecție inițială, astronomii speră că Advanced LIGO va continua să capteze valuri gravitaționale și să înceapă să creeze date pentru tot felul de studii științifice, de la gândirea la modul în care funcționează supernovele până la învățarea despre primele momente ale universului. În timp ce niciun alt telescop astronomic nu a văzut niciun semn al acestei coliziuni cu gaura neagră, unele dintre celelalte surse ale cărora Advanced LIGO caută ar trebui să aibă omologii vizibile pentru telescoapele care captează lumina.
Acest lucru pare deosebit de promițător, având în vedere că Advanced LIGO nu este nici măcar la sensibilitatea sa deplină. Astver va veni în următorii ani, spune Stuver.
Fiecare dintre aceste semnale va oferi astronomilor ceea ce nu au avut niciodată înainte: o modalitate de a sonda cazuri extreme de gravitație și mișcările obiectelor invizibile. Și mai captivant, astronomii știu că, cu fiecare avans tehnologic, universul are un mod de a ne surprinde.
„De fiecare dată când am privit într-un mod nou și într-un fel diferit de lumină, descoperim ceva ce nu ne așteptăm să găsim", spune Stuver. „Și este acel lucru neașteptat care ne revoluționează înțelegerea universului." Nu de mult după ce astronomii au întors antenele radio pe cer, au descoperit un tip neașteptat de stea cu neutroni numit pulsar. Și, poate poetic, a fost o stea pulsar și neutronă care a făcut un dans orbital pe care Hulse și Taylor l-au studiat în anii '70.
Acum, odată cu zorii astronomiei cu unde gravitaționale, oamenii de știință au un nou instrument pentru prelevarea cosmosului. Și din sunetul acestuia, suntem în căutarea unei muzici frumoase.
Nota editorului: afilierea lui Joan Centrella a fost corectată.
