În urmă cu mai bine de un miliard de ani, într-o galaxie îndepărtată, îndepărtată, două găuri negre au executat ultimii pași într-un pas de deux, cu o viteză finală atât de violentă, încât a eliberat mai multă energie decât puterea combinată a fiecărei stele din fiecare galaxie din universul observabil. Cu toate acestea, spre deosebire de lumina stelară, energia era întunecată, fiind purtată de forța invitațională a gravitației. Pe 14 septembrie 2015, la 5:51 am Ora de vară a estului, un fragment din acea energie, sub formă de „undă gravitațională”, a ajuns pe Pământ, redus de vastul său tranzit în spațiu și timp la o simplă șoaptă a tunetului său. început.
Citiri conexe
Universul elegant
A cumparaDin câte știm, Pământul a fost scăldat în acest tip de perturbare gravitațională înainte. Frecvent. Diferența de data aceasta este că doi detectori extraordinar de precisi, unul în Livingston, Louisiana și celălalt în Hanford, Washington, stăteau la punct. Când valul gravitațional s-a rostogolit, a bifat detectoarele, oferind semnătura inconfundabilă de coliziune a găurilor negre din partea cealaltă a universului și marcând începutul unui nou capitol în explorarea cosmosului omenirii.
Când zvonurile despre descoperire au început să circule în ianuarie, mi-am rotit ochii la ceea ce era în mod clar o falsă alarmă sau o trupă pentru a stârni puțin zumzetul. Fiind un program de cercetare încă din al cincilea deceniu, vânătoarea valurilor gravitaționale devenise de multă vreme descoperirea majoră care se ridica mereu la orizont. Fizicienii deveniseră resemnați să-și aștepte Godot-ul gravitațional.
Dar ingeniozitatea și perseverența umană au triumfat. Este una dintre acele victorii care le oferă chiar și celor care ne înveselim de pe margine.
Iată povestea, pe scurt.
În luna noiembrie trecut, lumea a sărbătorit centenarul celei mai mari descoperiri a lui Einstein, teoria generală a relativității, care a dezvăluit o nouă paradigmă pentru înțelegerea gravitației. Abordarea lui Isaac Newton prezice corect atracția gravitațională dintre oricare două obiecte, dar nu oferă nicio informație despre modul în care ceva aici poate ajunge în spațiul gol și poate atrage ceva acolo. Einstein a petrecut un deceniu încercând să determine modul în care este comunicată gravitația și a ajuns la final la concluzia că spațiul și timpul formează mâna invizibilă care face licitația gravitației.
Abonați-vă la revista Smithsonian acum pentru doar 12 dolari
Această poveste este o selecție din numărul din aprilie al revistei Smithsonian
A cumparaMetafora alegerii, suprautilizată, dar evocatoare, este de a gândi spațiul ca o trambulină. Așezați o minge de bowling în mijlocul trambulinei provocând curbarea acesteia, iar o marmură va fi golită pentru a călători pe o traiectorie curbă. În mod similar, Einstein a mărturisit că în apropierea unui corp astronomic precum Soarele, mediul spațiu se curbe, ceea ce explică de ce Pământul, la fel ca marmura, urmează o traiectorie curbă. Până în 1919, observațiile astronomice au confirmat această viziune remarcabilă și l-au făcut pe Einstein Einstein.
Einstein și-a împins mai departe descoperirea de moment. Până la acel moment, el s-a concentrat pe situații statice: determinarea formei fixe a unei regiuni de spațiu-timp care rezultă dintr-o cantitate dată de materie. Dar Einstein a apelat apoi la situații dinamice: Ce s-ar întâmpla cu țesătura spațiu-timp dacă materia s-ar mișca și se agită? Și-a dat seama că, la fel ca copiii care sar pe o trambulină, generează valuri în suprafață care se încolăcesc spre exterior, materie care se mișcă în acest fel și care va genera valuri în materialul de spațiu care se încolăcește și în exterior. Și întrucât, potrivit relativității generale, spațiul curbat este gravitația, o undă de spațiu curbat este o undă a gravitației.
Undele gravitaționale reprezintă cea mai semnificativă plecare a relativității generale de la gravitația newtoniană. Spațiu-timp flexibil este, cu siguranță, o reformare profundă a gravitației, totuși, în contexte familiare, cum ar fi atracția gravitațională a Soarelui sau a Pământului, predicțiile lui Einstein abia diferă de cele ale lui Newton. Totuși, deoarece gravitația newtoniană este silențioasă cu privire la modul în care este transmisă gravitația, noțiunea de tulburări gravitaționale călătoare nu are loc în teoria lui Newton.
Einstein însuși a avut înțelegeri cu privire la predicarea sa de unde gravitaționale. Când întâmpinați pentru prima dată ecuațiile subtile ale relativității generale, este dificil să dezlipiți matematica abstractă de fizica măsurabilă. Einstein a fost primul care s-a angajat în acest ton și au existat trăsături pe care chiar el, ciobania relativității, nu a reușit să le înțeleagă pe deplin. Dar, în anii '60, oamenii de știință care au folosit metode matematice mai rafinate au stabilit, fără îndoială, că undele gravitaționale sunt o trăsătură distinctivă a teoriei generale a relativității.
O ilustrare a undelor gravitaționale (John Hersey) Atunci, cum ar putea fi testată această predicție iconică? În 1974, folosind radioul telescopului Arecibo, Joseph Taylor și Russell Hulse au descoperit un pulsar binar: două stele de neutroni care orbitau a căror perioadă orbitală putea fi urmărită cu mare precizie. Conform relativității generale, stelele care orbitează generează o marșă constantă de unde gravitaționale care scurg energia, determinând stelele să se apropie și să orbiteze mai repede. Observațiile au confirmat această predicție către o T, oferind dovezi, deși indirecte, că undele gravitaționale sunt reale. Hulse și Taylor au primit premiul Nobel din 1993.
Realizarea a făcut doar detectarea directă a undelor gravitaționale cu atât mai atrăgătoare. Dar sarcina a fost descurajantă. Calculele arată că, pe măsură ce o undă gravitațională se răsufle prin spațiu, orice din calea sa va fi alternativ întinsă și stoarsă de-a lungul axelor perpendiculare pe direcția de mișcare a undei. Un val gravitațional îndreptat direct spre Statele Unite s-ar întinde și strânge alternativ spațiul dintre New York și California, iar cel dintre Texas și Dakota de Nord. Prin monitorizarea precisă a acestor distanțe, ar trebui astfel să putem identifica trecerea valului.
Provocarea este aceea că, pe măsură ce se răspândește, o ondulare gravitativă se diluează în timp ce se deplasează de la sursa sa. Întrucât coliziunile cosmice majore se întâmplă de obicei foarte departe de noi (din fericire), când valurile gravitaționale născute ajung pe Pământ, cantitatea de întindere și stoarcere pe care o provoacă este mică - mai mică decât un diametru atomic. Detectarea acestor schimbări este la fel cu măsurarea distanței de la Pământ la cea mai apropiată stea dincolo de sistemul solar, cu o precizie mai bună decât grosimea unei foi de hârtie.
Prima încercare, pionierată de Joseph Weber de la Universitatea din Maryland, în anii '60, a folosit cilindri de aluminiu solid de mai multe tone, în speranța că vor rezona ușor ca niște furculițe de reglare uriașe ca răspuns la un val gravitațional care trece. Până la începutul anilor '70, Weber a revendicat succesul, timp mare. El a raportat că undele gravitaționale îi sunau detectorul aproape zilnic. Această realizare de moment i-a inspirat pe alții să coroboreze afirmațiile lui Weber, dar după ani de încercare, nimeni nu a putut prinde nici măcar un singur val.
Credința tenace a lui Weber în rezultatele sale, mult timp după dovezile reunite sugerate altfel, a contribuit la o perspectivă care a colorat domeniul timp de zeci de ani. De-a lungul anilor, mulți oameni de știință au crezut, la fel ca Einstein, că, chiar dacă undele gravitaționale ar fi reale, ele ar fi pur și simplu prea slabe pentru a fi detectate vreodată. Cei care și-au propus să-i găsească au fost în misiunea unui nebun, iar cei care credeau că pretențiile de detecție au fost păcăliți.
Până în anii '70, puțini care mai aveau eroarea gravitațională au început să apeleze la o schemă de detectare mai promițătoare, în care laserele vor fi folosite pentru a compara lungimile a două tuneluri identice lungi, orientate la 90 de grade una de cealaltă. O undă gravitațională de trecere ar întinde un tunel în timp ce îl strecurați pe celălalt, modificând ușor distanțele parcurse de fascicule laser tras de-a lungul fiecăruia. Când cele două fascicule laser sunt recombinate ulterior, modelul rezultat care se formează lumina este sensibil la diferențele minime în ceea ce privește distanța în care a traversat fiecare fascicul. Dacă o undă gravitațională se rostogolește, chiar și tulburarea minusculă pe care o creează ar lăsa un model laser modificat ca urmare.
Este o idee frumoasă. Dar jackhammers din apropiere, camioane zbuciumate, rafale de vânt sau copaci căzuți ar putea perturba un astfel de experiment. Atunci când căutați diferențe de lungime mai mici de o miliardime de miliardime de metru, capacitatea de a proteja aparatul de orice posibilă agitație de mediu, oricât de ușoară, devine primordială. Cu această cerință aparent insurmontabilă, cei din jur au primit încă muniție. Atragerea unui val gravitațional ar face auzirea lui Horton ca un Who, chiar și peste roaring-ul din metroul din New York, simplă joacă pentru copii.
Cu toate acestea, fizicienii americani Kip Thorne și Rainer Weiss, care s-au alăturat ulterior fizicianului scoțian Ronald Drever, au visat să construiască un detector de unde gravitaționale bazat pe laser și au pus roțile în mișcare pentru a face ca visul să devină realitate.
În 2002, după câteva decenii de cercetare și dezvoltare și mai mult de o investiție de peste 250 de milioane de dolari de la Fundația Națională a Științei, două minunății științifice și tehnologice care alcătuiesc LIGO (Laser Interferometru Gravitational-Wave Observatory) au fost desfășurate în Livingston, Louisiana și Hanford, Washington. Tunelele evacuate de patru kilometri în formă de literă gigant „L” ar adăposti un fascicul laser de aproximativ 50.000 de ori mai puternic decât un indicator laser standard. Lumina cu laser ar răsuna înainte și înapoi între oglinzile cele mai netezești ale lumii, așezate la capetele opuse ale fiecărui braț, căutând o neconcordanță minusculă în timpul necesar pentru fiecare finalizare a călătoriei.
Cercetătorii au așteptat. Și a așteptat. Dar după opt ani, nimic. Dezamăgitor, pentru a fi sigur, dar după cum au argumentat echipele de cercetare, nu este surprinzător. Calculele au arătat că LIGO abia se situa la pragul de sensibilitate necesar pentru detectarea undelor gravitaționale. Așadar, în 2010, LIGO a fost închis pentru diverse upgrade-uri, la o valoare de peste 200 de milioane de dolari, iar în toamna anului 2015, a fost activat un LIGO îmbunătățit, de multe ori mai sensibil. Șocant, mai puțin de două zile mai târziu, un fior brusc a zguduit detectorul în Louisiana, iar șapte milisecunde mai târziu, detectorul din Washington s-a răsucit aproape exact în același mod. Modelul vibrațiilor delicate s-a potrivit cu ceea ce simulările computerului au prezis pentru undele gravitaționale care ar fi produse de gâturile finale ale orbitelor de găuri negre care se prăbușesc.
Un prieten de-al meu din interior, jurat în secret, dar dispus să ofere un indiciu nu atât de subtil, mi-a spus: „Imaginați-vă că visul nostru cel mai sălbatic s-a făcut realitate.” Dar a fost aceasta lovirea jackpot-ului gravitațional. asta a dat cercetătorilor o pauză. Era aproape prea perfect.
Aparatul LIGO depinde de oglinzile precis proiectate și perfect curate. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Cu câteva luni de efort intens și harnic de a investiga cu atenție toate celelalte explicații, oricât de improbabile, o singură concluzie a fost lăsată în picioare. Semnalul a fost real. La un secol după ce Einstein a prezis existența lor, prima detectare directă a undelor gravitaționale a fost sărbătorită de cei peste 1.000 de oameni de știință care lucrează la experimentul LIGO. Prinseseră murmurul momentan al unui tsunami gravitațional dezlănțuit în urmă cu mai bine de un miliard de ani, vestigiul unei fuziuni întunecate undeva în cerul adânc de sud.
Anunțul oficial de presă, pe 11 februarie, la Washington, DC, era electric. La propria instituție, Universitatea Columbia, a trebuit să mutăm transmisia în direct a uneia dintre cele mai mari locații din campus și povești similare redate în universități din întreaga lume. Pentru un moment scurt, undele gravitaționale au dat peste prognosticarea prezidențială.
Entuziasmul era justificat. Istoria va privi înapoi descoperirea ca unul dintre puținele puncte de inflexiune care schimbă cursul științei. Încă de la primul om a privit spre cer, am explorat universul folosind valuri de lumină. Telescopul a îmbunătățit substanțial această abilitate și cu ea am întâlnit splendoarea noilor peisaje cosmice. Pe parcursul secolului XX, am extins tipurile de semnale luminoase pe care le detectăm - infraroșu, radio, ultraviolete, raze X și raze X - toate formele de lumină, dar cu lungimi de undă în afara intervalului pe care îl putem vedea cu ochiul liber. Și cu aceste noi sonde, peisajul cosmic a devenit tot mai bogat.
Undele gravitaționale sunt un tip complet diferit de sondă cosmică, cu potențialul de a produce consecințe și mai dramatice. Lumina poate fi blocată. Un material opac, precum o umbră de fereastră, poate bloca lumina vizibilă. O cușcă metalică poate bloca undele radio. În schimb, gravitația trece prin toate, practic neschimbate.
Și astfel, cu undele gravitaționale ca sondă, vom putea examina tărâmuri care nu sunt limitate la lumină, cum ar fi scotocirea haotică a spațiului în timp ce două găuri negre se ciocnesc sau poate zvonul sălbatic al big bang-ului, în urmă cu 13, 8 miliarde de ani. Deja, observația a confirmat ideea că găurile negre ar putea forma perechi binare. Mai amuzant încă, este posibil să găsim un peisaj întunecat, populat de lucruri pe care încă nu le imaginăm.
Ca rețea de detectori de pe tot globul - în Italia, Germania, curând Japonia și India probabilă - își combină datele, sperăm să fie unite în viitor de un detector enorm care funcționează în spațiu, capacitatea noastră de a sonda cosmosul va face un alt salt uriaș. redirecţiona. Ceea ce este extrem de palpitant. Nu este nimic mai inspirat decât capacitatea noastră, în mijlocul luptelor noastre terestre mereu prezente, de a privi în sus, de a ne mira și de a avea ingeniozitatea și dedicația de a vedea puțin mai departe.
**********
