For tredje gang på halvandet år har Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory fundet gravitationsbølger. Hypotetiseret af Einstein for et århundrede siden, identificeringen af disse krusninger i rummet - for tredje gang, ikke mindre - opfylder løftet om et område med astronomi, der har lokket forskere i årtier, men som altid syntes at ligge lige ud af vores rækkevidde.
Relateret indhold
- Sådan fandt astrofysikere et sort hul, hvor ingen andre kunne
- Mød teamet af videnskabsfolk, der opdagede tyngdekraftsbølger
- Gravitationsbølger strejker to gange
Som en gravitationsbølgende astrofysiker og medlem af LIGO Scientific Collaboration er jeg naturligvis begejstret over at se visionen om, at så mange af os bliver en realitet. Men jeg er vant til at finde mit eget arbejde mere interessant og spændende end andre mennesker gør, så i hvilket omfang hele verden ser ud til at blive fascineret af denne præstation blev noget af en overraskelse.
Spændingen er dog velfortjent. Ved at opdage disse tyngdekraftsbølger for første gang har vi ikke kun direkte verificeret en nøgleprediksion af Einsteins teori om generel relativitet på overbevisende og spektakulær måde, men vi har åbnet et helt nyt vindue, der vil revolutionere vores forståelse af kosmos .
Disse opdagelser har allerede påvirket vores forståelse af universet. Og LIGO er lige ved at komme i gang.
**********
I sin kerne stammer denne nye måde at forstå universet på vores nyvundne evne til at høre dets lydspor. Tyngdekraftsbølger er faktisk ikke lydbølger, men analogien er passende. Begge typer bølger bærer information på en lignende måde, og begge er fuldstændigt uafhængige fænomener fra lys.
Tyngdekraftsbølger er krusninger i rum-tid, der udbreder sig udad fra intenst voldelige og energiske processer i rummet. De kan genereres af genstande, der ikke skinner, og de kan rejse gennem støv, stof eller noget andet uden at blive absorberet eller forvrænget. De bærer unikke oplysninger om deres kilder, der når os i en uberørt tilstand, hvilket giver os en sand fornemmelse af kilden, der ikke kan fås på nogen anden måde.
Generel relativitet fortæller os blandt andet, at nogle stjerner kan blive så tæt, at de lukker sig væk fra resten af universet. Disse ekstraordinære genstande kaldes sorte huller. Generel relativitet forudsagde også, at når par sorte huller kredser tæt rundt om hinanden i et binært system, omrører de rum-tid, selve stoffet i kosmos. Det er denne forstyrrelse af rum-tid, der sender energi over universet i form af tyngdekraftsbølger.
Dette energitab får den binære til at stramme yderligere, indtil de to sorte huller til sidst smadrer sammen og danner et enkelt sort hul. Denne spektakulære kollision genererer mere kraft i tyngdepunktbølger, end der udstråles som lys af alle stjerner i universet kombineret. Disse katastrofale begivenheder varer kun titusinder af millisekunder, men i løbet af denne tid er de de mest magtfulde fænomener siden Big Bang.
Disse bølger bærer information om de sorte huller, som umuligt kan opnås på nogen anden måde, da teleskoper ikke kan se genstande, der ikke udsender lys. For hver begivenhed er vi i stand til at måle de sorte hulers masser, deres rotationshastighed eller "spin" og detaljer om deres placering og orientering med forskellige grader af sikkerhed. Denne information giver os mulighed for at lære, hvordan disse objekter blev dannet og udviklet sig i hele den kosmiske tid.
Selvom vi tidligere har haft stærke bevis for eksistensen af sorte huller baseret på virkningen af deres tyngdekraft på omgivende stjerner og gas, er den detaljerede information fra tyngdekraften uvurderlig for at lære om oprindelsen af disse spektakulære begivenheder.
Luftfoto af LIGO gravitationsbølgedetektor i Livingston, Louisiana. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
For at opdage disse utroligt stille signaler konstruerede forskere to LIGO-instrumenter, et i Hanford, Washington og det andet 3.000 miles væk i Livingston, Louisiana. De er designet til at udnytte den unikke effekt, som tyngdekraftsbølger har, uanset hvad de møder. Når gravitationsbølger passerer, ændrer de afstanden mellem genstande. Der går tyngdekraftsbølger gennem dig lige nu, og tvinger dit hoved, fødder og alt imellem til at bevæge sig frem og tilbage på en forudsigelig - men umærkelig måde.
Du kan ikke mærke denne effekt eller endda se den med et mikroskop, fordi ændringen er så utrolig lille. Tyngdekraften, som vi kan registrere med LIGO, ændrer afstanden mellem hver ende af de 4 kilometer lange detektorer med kun 10 meter. Hvor lille er dette? Tusind gange mindre end størrelsen på en proton - hvorfor vi ikke kan forvente at se det selv med et mikroskop.
LIGO-forskere, der arbejder med dens optiske suspension. (LIGO Laboratory, CC BY-ND) For at måle en sådan minutafstand bruger LIGO en teknik kaldet ”interferometri.” Forskere opdeler lyset fra en enkelt laser i to dele. Hver del bevæger sig derefter ned ad en af to vinkelrette arme, der hver er 2, 5 mil lange. Endelig går de to sammen igen og får lov til at forstyrre hinanden. Instrumentet er omhyggeligt kalibreret, således at interferensen af laser resulterer i næsten perfekt annullering - i mangel af en gravitationsbølge - er der ikke noget lys ud af interferometeret.
En passerende gravitationsbølge vil imidlertid strække den ene arm på samme tid, som den klemmer den anden arm. Når armens relative længder er ændret, vil interferensen af laserlyset ikke længere være perfekt. Det er denne lille ændring i mængden af interferens, som Advanced LIGO faktisk måler, og denne måling fortæller os, hvad den detaljerede form for den passerende gravitationsbølge skal være.
Lyt
Lyden af to sorte huller, der kolliderer:Alle gravitationsbølger har formen af en "kvitring", hvor både amplituden (beslægtet med lydstyrken) og frekvensen eller tonehøjden af signalerne øges med tiden. Kendetegnene for kilden er dog kodet i de nøjagtige detaljer i dette kvit og hvordan det udvikler sig med tiden.
Formen på tyngdekraften, som vi observerer, kan igen fortælle os detaljer om kilden, der ikke kunne måles på nogen anden måde. Med de tre første fortrolige detektioner fra Advanced LIGO har vi allerede fundet, at sorte huller er mere almindelige, end vi nogensinde havde forventet, og at den mest almindelige sort, der dannes direkte fra sammenbruddet af massive stjerner, kan være mere massiv end vi tidligere tanke var muligt. Al denne information hjælper os med at forstå, hvordan massive stjerner udvikler sig og dør.
De tre bekræftede detektioner med LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) og en detektering med lavere tillid (LVT151012) peger på en bestand af binære sorte stjernemasse, der, når de først er fusioneret, er større end 20 solmasser - større end hvad var kendt før. (LIGO / Caltech / Sonoma-staten (Aurore Simonnet), CC BY-ND) **********
Denne seneste begivenhed, som vi opdagede den 4. januar 2017, er den fjerneste kilde, vi har observeret indtil videre. Fordi gravitationsbølger bevæger sig med lysets hastighed, når vi ser på meget fjerne genstande, ser vi også tilbage i tiden. Denne seneste begivenhed er også den mest ældgamle gravitationsbølgekilde, vi har opdaget indtil videre, og som har fundet sted for over to milliarder år siden. Dengang var universet selv 20 procent mindre end det er i dag, og multicellulært liv var endnu ikke opstået på Jorden.
Massen af det sidste sorte hul, der blev efterladt efter denne seneste kollision er 50 gange massen af vores sol. Før den første detekterede begivenhed, som vejes ind 60 gange solens masse, troede astronomer ikke, at sådanne massive sorte huller kunne dannes på denne måde. Mens den anden begivenhed kun var 20 solmasser, antyder det at opdage denne ekstra meget massive begivenhed, at sådanne systemer ikke kun findes, men kan være relativt almindelige.
Ud over deres masser kan sorte huller også rotere, og deres spins påvirker formen af deres gravitationsbølgeemission. Effekten af spin er sværere at måle, men denne seneste begivenhed viser ikke kun bevis for spin, men potentielt for spin, der ikke er orienteret omkring den samme akse som binærens bane. Hvis sagen for en sådan forkert justering kan gøres stærkere ved at observere fremtidige begivenheder, vil det have betydelige konsekvenser for vores forståelse af, hvordan disse sorte hulpar dannes.
I de kommende år vil vi have flere instrumenter som LIGO, der lytter til tyngdekraftsbølger i Italien, i Japan og i Indien, og lærer endnu mere om disse kilder. Mine kolleger og jeg venter stadig ivrigt på den første detektion af en binær indeholdende mindst en neutronstjerne - en type tæt stjerne, der ikke var helt massiv nok til at kollapse helt til et sort hul.
De fleste astronomer forudsagde, at par af neutronstjerner ville blive observeret før sorte hulpar, så deres fortsatte fravær ville være en udfordring for teoretikere. Deres eventuelle detektion vil lette en række nye muligheder for opdagelser, herunder udsigten til bedre forståelse af ekstremt tætte tilstande af stof, og potentielt observere en unik lyssignatur ved hjælp af konventionelle teleskoper fra samme kilde som tyngdekraftsbølgesignalet.
Vi forventer også at registrere gravitationsbølger inden for de næste par år fra rummet ved hjælp af meget præcise naturlige ure kaldet pulsarer, som sender stråler fra vores vej med meget regelmæssige intervaller. Til sidst planlægger vi at placere ekstremt store interferometre i bane, hvor de kan undgå den vedvarende rumling af Jorden, som er en begrænsende kilde til støj for de avancerede LIGO-detektorer.
Næsten hver gang forskere har bygget nye teleskoper eller partikelacceleratorer, har de opdaget ting, som ingen kunne have forudsagt. Så spændende som de kendte udsigter til opdagelse er inden for dette nye felt af gravitationsbølgerastrofysik, som teoretiker er jeg mest begejstret over de ukendte vidundere, der stadig ligger i vente for os.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Sean McWilliams, adjunkt i fysik og astronomi, West Virginia University
