Forskere har hørt tyngdekraftens arie for første gang.
Relateret indhold
- Fem ting at vide om gravitationsbølger
- Syv enkle måder, vi ved Einstein var rigtigt (for nu)
Da to sorte huller spiralede mod hinanden og fusionerede, skabte de krusninger i kosmosens stof i nøjagtigt den form, som fysikere har forudsagt i et århundrede: tyngdekraftsbølger. Signalet afsløret i dag under en række internationale pressekonferencer baner vejen for en helt ny forståelse af universet.
”Dette er første gang, at universet har talt til os gennem tyngdepunktbølger. Indtil nu har vi været døv, ” sagde LIGO-laboratoriedirektør David Reitze fra University of Florida i dag ved en presseevent i Washington, DC
I roden af tyngdekraften ligger Albert Einsteins tyngdekraft, som siger, at alt med masse snedrider selve rummet-stoffet. Når massive genstande bevæger sig, skaber de forvrængninger i det kosmiske stof og frembringer gravitationsbølger. Disse bølger rippler gennem universet som lydbølger, der pulserer gennem luften.
Einsteins teori forudsiger, at universet vrimler af tyngdepunktbølger, men indtil nu havde vi ikke været i stand til at registrere dem, delvis fordi bølgerne er usædvanligt svage. Men allerede inden dets opgraderede instrumenter officielt kom online sidste år, tog Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) et klart signal fra den kraftige kollision af to sorte huller, der er 1, 3 milliarder lysår væk.
”At få et gravitationsbølgesignal detekteret, mens LIGO stadig ikke er i nærheden af designfølsomhed i det første videnskabskørsel, er forbløffende, det er kæbedråbende på en god måde” siger Joan Centrella, der ledede Gravitational Astrophysics Laboratory på NASAs Goddard Space Flight Center, inden han bliver viceadministrerende direktør for Astrophysics Science Division på Goddard.
Den begejstring krusede gennem LIGOs Livingston, Louisiana, observatorium og gennem resten af verden, da holdet offentliggjorde deres meddelelse. Næsten alt hvad astronomer har lært om kosmos er kommet fra forskellige former for lys, såsom synlige, radiobølger og røntgenstråler. Men ligesom seismiske bølger kan afsløre skjulte strukturer dybt inde i Jorden, bærer gravitationsbølger information om skjulte egenskaber i universet, som selv lys ikke kan afsløre.
”Vi begyndte med et højrisikojob med en meget høj potentiel udbetaling, ” sagde Kip Thorne, en LIGO-medstifter og en gravitationsfysiker ved California Institute of Technology, under pressebegivenheden. ”Og vi er her i dag med en stor triumf - en helt ny måde at observere universet på.”
Tidlige spor
Jakten på gravitationsbølger begyndte for et århundrede siden med offentliggørelsen af Einsteins generelle relativitetsteori. I midten af 1970'erne fangede fysikerne Russell A. Hulse og Joseph H. Taylor, jr. Ekstremt overbevisende bevis for, at disse krusninger eksisterer. De målte den tid, det tog for to tætte neutronstjerner - de knuste kerner fra en gang-massiv stjerner - at kredsede hinanden.
Baseret på Einsteins arbejde vidste de, at disse stjerner skulle udstråle gravitationsenergi, mens de spundet, og at mistet energi skulle få dem til at spiralere mod hinanden. Efter at have studeret de to stjerner i de næste par år, så de, at bane faldt med nøjagtigt den mængde, der var forudsagt af generel relativitet.
Selv om denne konstatering vandt duoen Nobelprisen i fysik i 1993, ville de fleste fysikere ikke kalde det en direkte påvisning af tyngdekraftsbølger.
I 2001 begyndte LIGO at operere på to steder 1, 875 miles fra hinanden - den ene i Livingston, Louisiana og den anden i Hanford, Washington. Få år senere kom det europæiske gravitationsbølgeteleskop Virgo også online. Begge opererede indtil henholdsvis 2010 og 2011, før de gik offline til opgraderinger.
Mens forskere havde håbet, at disse oprindelige observatorier ville fange tyngdekraftsbølger, vidste de, at det var et langskud. Disse krusninger er meget svage signaler, og instrumenterne var ikke følsomme nok til at høre deres hviske. Men de indledende kørsler fungerer som tests af teknologien til næste generations instrumenter.
Jomfruen opdateres stadig, men LIGO-teamet afsluttede deres arbejde med begge detektorer i 2015. Nu kaldet Advanced LIGO, lyttede observatorierne i Louisiana og Washington efter tyngdekraftsbølger under den første videnskabsobserverende kørsel mellem 18. september 2015 og 12. januar, 2016. Signalet, der blev annonceret i dag, blev afhentet lige før det første officielle løb, da teamet kørte operationelle test af detektorerne.
Laser præcision
At føle en bølge, da den passerede gennem Jorden, krævede en masse smart teknik, computerkraft og mere end 1.000 forskere, der arbejdede rundt omkring i verden.
Inde i hvert L-formet LIGO-observatorium sidder en laser på mødestedet for to vinkelrette rør. Laseren passerer gennem et instrument, der opdeler lyset, så to stråler bevæger sig cirka 2, 5 mil ned i hvert rør. Spejle i enderne af rørene reflekterer lyset tilbage mod dens kilde, hvor en detektor venter.
Typisk lander intet lys på detektoren. Men når en gravitationsbølge passerer, skal den imidlertid strække sig og klæbe pladstid i et forudsigeligt mønster og effektivt ændre rørlængderne med en lille mængde - i størrelsesordenen en tusindedel af diameteren til en proton. Derefter vil noget lys lande på detektoren.
For at redegøre for den utroligt lille ændring er instrumentets spejle knyttet til komplekse systemer, der isolerer dem fra de fleste vibrationer. LIGO-forskere har også specielle computerprogrammer, der kan filtrere gennem forskellige slags baggrundsstøj, som lejlighedsvis rysten, og bestemme, om et indgående signal matcher mulige astronomiske kilder beregnet ved hjælp af generel relativitet.
Louisiana- og Washington-webstederne arbejder sammen for at verificere en observation. ”Vi tror ikke, at vi ser en gravitationsbølge, medmindre begge detektorer ser det samme signal inden for den tid, som tyngdekraften ville tage at rejse mellem de to steder, ” siger LIGO-teammedlem Amber Stuver fra Louisiana State University. I dette tilfælde passerede bølgen gennem Jorden og ramte de to detektorer kun syv millisekunder fra hinanden.
Når Louisiana og Washington-webstederne registrerer en mulig tyngdepunkt, kommer forskere til at arbejde med analysen. LIGO hentede dette signal den 14. september, men er kun nu i stand til at sige med stor sikkerhed, at de så gravitationsbølger.
"Det tog os måneder med omhyggelig kontrol, genkontrol, analyse og arbejde med hvert stykke data for at sikre, at vi blev observeret, " sagde Reitze under DC-begivenheden. "Og vi har overbevist os selv om, at det er tilfældet." Resultaterne vises denne uge i Physical Review Letters .
En luftfoto af LIGO-detektoren i Livingston, Louisiana. (LIGO Laboratorium) Tyngdekraftsignalet om, at astronomer trak sig ud af de seneste observationer, stemte overens med, hvad de forventede for to sorte huller, der spiraler mod hinanden. Dansen udsender tyngdekraftsbølger med en forudsigelig frekvens og styrke, afhængigt af hvor langt fra hinanden objekterne er og af deres masser.
Når de begynder at danse tættere, svækkes bølgelængderne på tyngdekølvene, og deres sang når højere pladser. Når de sorte huller lukker ind for den sidste omfavnelse, har tyngdekraftsignalet en sidste høj note, eller "kvitring", som astronomer kalder det.
September-signalet stiller sig smukt sammen med, hvad holdet ville forvente af to sorte huller med masser svarende til ca. 29 og 36 gange solens masse. De sorte huller smækkede sammen for at skabe et nyt sort hul 62 gange solens masse - der udstråler 3 solmasser værd af tyngdekraft.
Forvent det uventede
Med denne første detektion er astronomer håbefulde for, at Advanced LIGO fortsætter med at fange tyngdekraftsbølger og begynde at opbygge data til alle former for videnskabelige studier, fra at finde ud af, hvordan supernovas fungerer til at lære om universets første par øjeblikke. Mens intet andet astronomisk teleskop så noget tegn på denne sorte hulkollision, er nogle af de andre kilder, som Advanced LIGO er på udkig efter, skulle have modstykker synlige for teleskoper, der fanger lys.
Dette synes især lovende i betragtning af, at Advanced LIGO ikke engang er på sin fulde følsomhed endnu. Det vil komme i de næste par år, siger Stuver.
Hvert af disse signaler vil give astronomer, hvad de aldrig havde før: en måde at undersøge ekstreme tilfælde af tyngdekraft og bevægelser af usynlige genstande. Endnu mere spændende ved astronomer, at universet med hver teknologisk fremgang har en måde at overraske os på.
"Hver gang vi har set på en ny måde og en anden slags lys, opdager vi noget, som vi ikke forventede at finde, " siger Stuver. "Og det er den uventede ting, der revolutionerer vores forståelse af universet." Ikke længe efter at astronomer vendte radioantenner på himlen, opdagede de en uventet type neutronstjerne kaldet en pulsar. Og måske poetisk var det en pulsar og neutronstjerne, der udøvede en orbital-dans, som Hulse og Taylor studerede i 1970'erne.
Nu med begyndelsen af gravitationsbølge-astronomi har videnskabsmænd et nyt værktøj til prøveudtagning af kosmos. Og ud fra lyden af det, er vi på for noget smuk musik.
Redaktørens note: Joan Centrellas tilknytning er blevet korrigeret.
