Mød teamet af videnskabsfolk, der opdagede tyngdekraftsbølger

Det var et øjeblik, bare et øjeblik, hvor alle så ud til at tage en pause fra at tale om krige og politik og se op på himlen. Den 11. februar 2016 rapporterede større nyhedssteder, at menneskeheden for første gang havde opdaget tyngdekraftsbølger, der passerer Jorden fra det dybeste ydre rum, et uutviklende subtilt, men dog dybtgående fænomen først forudsagt af Albert Einstein i 1916. Bølgerne kom fra to sorte huller der kolliderede for 1, 3 milliarder år siden, en kosmisk påvirkning, der genererede ti gange mere magt end lysstyrken for alle stjerner i det observerbare univers kombineret. Men de tyngdekraftsbølger, det skabte, blekede til blot en vis, da de krusede gennem rum og tid. Intet instrument havde nogensinde været i stand til at registrere dem - indtil nu.

Fra denne historie

Black Hole Blues og andre sange fra det ydre rum

Købe

Relateret indhold

• Forskere hører to endnu flere gamle sorte huller kolliderer

Selvom præstationen blev muliggjort af mere end 1.000 videnskabsfolk og ingeniører, der arbejdede i årtier, var de største bevægere Kip Thorne, Ronald Drever og Barry Barish, alle Caltech; og Rainer Weiss fra MIT. For at fange deres umuligt lille stenbrud udsendte de en unik enorm detektor, $ 620 millioner Laserinterferometer Gravitations-Wave Observatory eller LIGO, der har en del i Louisiana og en anden i Washington State.

Thorne kampagne for projektet gennem 1980'erne og 1990'erne i en række højprofilerede foredrag rundt om i verden. Lanky og skægget var han allerede en legende inden for astrofysik - en teoretiker med en vision så ekspansiv, at han senere ville hjælpe med at skabe Hollywood-film som Interstellar . Da han startede sin karriere, troede mange fysikere, at gravitationsbølger selv var science fiction, på trods af Einsteins forudsigelse. I en skarp pause fra Newtons fysik havde Einsteins generelle relativitetsteori antydet, at tyngdekraften genererede tidligere uopdagede krusninger, der bevægede sig gennem rum-tid på en måde, der ligner lyd.

Måling af disse bølger syntes imidlertid næsten umulig. Sammenlignet med andre kræfter er tyngdekraften ekstremt svag. Den elektromagnetiske kraft mellem to elektroner er 10 ⁴⁰ (mere end en billion billioner en billion gange en billion) stærkere end deres gravitationsattraktion. Optagelse af en gravitationsbølge ville kræve ekstremt massive genstande og ufatteligt følsomme instrumenter.

Thorne siger alligevel, at han troede, at der findes gravitationsbølger, da han startede sin ph.d. i 1962. I løbet af 1970'erne kom de fleste andre forskere til at blive enige med ham, overtalt af lufttætte matematiske modeller og tankeeksperimenter. Musikken var derude. De havde bare ikke hørt det endnu.

LIGO, der blev bygget i midten af ​​1990'erne og først aktiveret i 2002, var designet til at være udsøgt følsom over for de små triller. Observatoriet omfattede to kæmpe L-formede detektorer beliggende 1.865 miles fra hinanden. Afstanden mellem dem og fjernplaceringen af ​​de to steder ville forhindre de to instrumenter i at samle interferens fra den samme jordiske rysten eller passere lastbil. Hver detektor bestod af to 2, 5-mils arme med en laser i krydset, opdelt i to bjælker og spejle i hver ende. Når en gravitationsbølge passerede gennem rørene, forudsagde forskere, at den ville fordreje rumtid kun lidt - omkring en ti tusindedel af diameteren på et proton. Den minuscule forvrængning ville være tilstrækkelig til at ændre længden af ​​rørene og få laseren til at skinne på detektorerne.

Redaktørens note, 28. februar 2017: Denne artikel omhandlede oprindeligt den elektromagnetiske "træk" mellem to elektroner, men "kraft" er et bedre ord til at beskrive det.

Abonner på Smithsonian magasin nu for kun $ 12

Denne artikel er et udvalg fra decemberudgaven af ​​Smithsonian magazine

Købe

Den indledende runde af LIGO-eksperimenter for mere end et årti siden kunne ikke hente et signal. Men i en stor fordobling af deres oprindelige indsats overbeviste forskerne National Science Foundation om at bruge yderligere $ 200 millioner til at opgradere LIGO, og i 2015 var arbejdet gjort. Forskerteamet omfattede nu mere end 1.000 forskere ved 90 institutioner rundt om i verden. Forventningerne var overvældende. I august sidste år fortalte Weiss Janna Levin - en astrofysiker fra Columbia, der skrev en bog om LIGO kaldet Black Hole Blues og andre sange fra det ydre rum - "Hvis vi ikke opdager sorte huller, er denne ting en fiasko."

Mandag den 14. september 2015 kom en gravitationsbølge fra et sted dybt i den sydlige himmel. Det pingede instrumentet i Louisiana, inden det krydstog over De Forenede Stater for at ping instrumentet i Washington State syv millisekunder senere. Kl. 05:51 registrerede LIGOs udstyr endelig den lille kvit.

Som Levin udtrykte det, var LIGOs store præstation, at det tilføjede et lydspor til det, der tidligere var en stumfilm. Femoghalvfem procent af universet er mørkt, hvilket betyder, at det er ud over målingen af ​​vores mest avancerede teleskoper og radarapparater. Den svage gravitationsbølge gjorde det muligt for forskere at opdage et par sorte huller for allerførste gang - og de var meget større end forventet. Den ene var 29 gange massen og den anden 35 gange solens masse.

Da Thorne og Weiss først så logfilerne, bekymrede de sig for, at hackere havde indsat korrupte data i logfilerne. (Drever kunne ikke dele hans svar: Han var faldet dårligt i årenes løb og var i et plejehjem tilbage i sit hjemland Skotland.) Det tog uges undersøgelse, før forskerne kom til udtryk med deres gennemførelse.

Den 26. december 2015 registrerede LIGO gravitationsbølger fra en anden fusion i sort hul. Forskerne arbejder stadig på at finjustere instrumenterne, som de siger kun vil blive bedre til at måle fjerntliggende kosmiske afstande.

Selv om det virkelig er vigtigt at opdage sorte huller, er det bare begyndelsen. I stigende grad opdager vi, hvor meget vi ikke ved. Det er den virkelige spænding for Thorne, Weiss og deres kolleger. Hvad hvis mørkt stof figurerer i tyngdekraften på måder, som ingen nogensinde har overvejet? Hvis vi henter tyngdekraftsbølger lige efter Big Bang, hvad lærer dette os om universets natur? Takket være LIGO kan vi nu begynde at høre de fascinerende kompositioner, der ringer mellem stjernerne, den stadig ukendte musik til hvad der ellers er derude

"De har givet menneskeheden en helt ny måde at se på universet på." Stephen Hawking, lykønsker Kip Thorne, Rainer Weiss, Barry Barish og Ronald Drever, de første forskere, der opdagede gravitationsbølger, ved 2016 Smithsonian magazine American Ingenuity Awards. I år meddelte genierne bag LIGO, at de endelig havde fundet, hvad Albert Einstein havde forudsagt for et århundrede siden.