Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatoriossa (LIGO) työskentelevät tutkijat tekivät historian helmikuussa 2016, kun he julkistivat ensimmäisen kerran gravitaatioaallot. Siitä lähtien on tehty useita havaintoja ja observatorioiden välinen tieteellinen yhteistyö - kuten Advanced LIGO ja Advanced Virgo - mahdollistaa ennennäkemättömän herkkyyden ja tiedon jakamisen.
Painovoima-aaltojen havaitseminen ensimmäistä kertaa ei ollut vain historiallista saavutusta, vaan aloitti myös uuden astrofysiikan aikakauden. Ei siis ihme, miksi kolmelle tutkijalle, jotka olivat keskeisessä asemassa ensimmäisessä havainnassa, on myönnetty fysiikan Nobel-palkinto vuonna 2017. Palkinnon jakoivat yhdessä Caltech-professorit emeritus Kip S. Barish yhdessä MIT-professori emeritus Rainer Weissin kanssa.
Yksinkertaisesti sanottuna, painovoima-aallot ovat ajoituksessa aallot, jotka muodostuvat suurista tähtitieteellisistä tapahtumista - kuten binaarisen mustan aukon parin sulautumisesta. Niitä ennustettiin ensimmäistä kertaa yli sata vuotta sitten Einsteinin teoriassa suhteellisuudesta, joka osoitti, että massiiviset häiriöt muuttavat avaruus-ajan rakennetta. Vasta viime vuosina havaittiin kuitenkin ensimmäistä kertaa todisteita näistä aalloista.
Ensimmäisen signaalin havaitsi LIGO: n kaksoistutkimuslaitokset - vastaavasti Washingtonin Hanfordissa ja Livingstonissa Louisianassa -, ja ne jäljitettiin mustan moolin sulautumiseen 1,3 miljardin valovuoden päässä. Tähän mennessä on havaittu neljä havaintaa, jotka kaikki johtuivat mustia reikäparien sulautumisesta. Ne tapahtuivat 26. joulukuuta 2015, 4. tammikuuta 2017 ja 14. elokuuta 2017, viimeisimmän havaitseman LIGO: n ja Euroopan neitsytgravitaatioaaltotunnistimen avulla.
Puolusta palkinnostaan heille, jotka he ovat toimineet tässä saavutuksessa, jaettiin yhdessä Caltechin Barry C. Barishille - Ronaldin ja Maxine Linden fysiikan professori, emeritus - ja Kip S. Thornelle, Richard P. Feynmanin teoreettisen fysiikan professori. , Emeritus. Toinen puoli palkittiin fysiikan professori Rainer Weissille, emeritus, Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Kuten Caltechin presidentti Thomas F. Rosenbaum - Sonjan ja William Davidowin presidentin puheenjohtaja ja fysiikan professori - sanoi hiljattain Caltechin lehdistötiedotteessa:
”Minulla on ilo ja kunnia onnitella Kipiä ja Barrya sekä MIT: n Rai Weissia tämän aamun 2017 fysiikan Nobel-palkinnon palkinnosta. Ensimmäinen suora LIGO: n suorittama gravitaatioaaltojen havainto on poikkeuksellinen osoitus tieteellisestä visiosta ja pysyvyydestä. Neljän vuosikymmenen aikana kehitetyllä erittäin herkällä instrumentoinnilla - joka kehittää mielikuvituksemme kapasiteettia - pystymme nyt vilkaamaan kosmisia prosesseja, joita aikaisemmin ei voitu havaita. Se on todellakin uuden aikakauden alku astrofysiikassa. ”
Tämä saavutus oli sitäkin vaikuttavampi, kun otetaan huomioon, että Albert Einstein, joka ensi ennustaa heidän olemassaolonsa, uskoi painovoima-aaltojen olevan liian heikkoja tutkittavaksi. Kuitenkin 1960-luvulle saakka, lasertekniikan kehitys ja uudet käsitykset mahdollisista astrofysiikan lähteistä johtivat tutkijoiden päätelmään, että nämä aallot saattavat olla todella havaittavissa.
Ensimmäiset painovoima-aaltoilmaisimet rakensi Marylandin yliopiston astrofysiikka tutkija Joseph Weber. Hänen ilmaisimiensa, jotka rakennettiin 1960-luvulla, koostui suurista alumiinisylintereistä, jotka ajettiin värisemään ohittamalla painovoima-aaltoja. Seuraavat muut yritykset, mutta kaikki osoittautuivat epäonnistuneiksi; kehottaa siirtymään uudentyyppiseen ilmaisimeen, johon sisältyy interferometria.
Yhden tällaisen instrumentin kehitti Weiss MIT: llä, joka luottaa tekniikkaan, jota kutsutaan laserinterferometriaksi. Tällaisessa instrumentissa gravitaatioaallot mitataan laajasti toisistaan toisistaan erotettuilla peileillä, jotka heijastavat lasereita pitkiä matkoja. Kun painovoima-aallot saavat tilaa venymään ja puristumaan äärettömän pienillä määrinä, se aiheuttaa ilmaisimen sisällä olevan heijastuneen valon siirtymisen hetkellisesti.
Samaan aikaan Thorne - yhdessä opiskelijoidensa ja Caltechin postdokumenttien kanssa - ryhtyi parantamaan painovoima-aaltojen teoriaa. Tämä sisälsi uusia arvioita esineiden kuten mustien reikien, neutronitähteiden ja supernoovien tuottamien aaltojen voimakkuudesta ja taajuudesta. Tämä huipentui vuonna 1972 julkaistuun artikkeliin, jonka Throne julkaisi yhdessä hänen opiskelijansa Bill Pressin kanssa, joka tiivisti heidän näkemyksensä siitä, kuinka painovoima-aaltoja voitaisiin tutkia.
Samana vuonna Weiss julkaisi myös yksityiskohtaisen analyysin interferometreistä ja niiden mahdollisuuksista astrofysikaaliseen tutkimukseen. Tässä lehdessä hän totesi, että suuremman mittakaavan operaatioilla - joiden mitat ovat useita km tai enemmän - saattaa olla laukaus gravitaatioaaltojen havaitsemiseksi. Hän tunnisti myös havaitsemisen suurimmat haasteet (kuten maan värähtelyt) ja ehdotti mahdollisia ratkaisuja niiden torjumiseksi.
Vuonna 1975 Weiss kutsui Thornen puhumaan NASA-komitean kokoukseen Washingtonissa, D.C., ja he viettivät koko yön puhuakseen painovoimakokeista. Heidän keskustelujensa tuloksena Thorne palasi takaisin Caltehiin ja ehdotti kokeellisen painovoimaryhmän perustamista, joka toimisi interferometrillä samanaikaisesti MIT: n, Glasgow'n yliopiston ja Garchingin yliopiston (jossa vastaavia kokeita tehtiin) tutkijoiden kanssa.
Ensimmäisen interferometrin kehittäminen alkoi pian sen jälkeen Caltechissa, mikä johti 40-metrisen prototyypin luomiseen Weissin teorioiden testaamiseksi painovoima-aalloista. Vuonna 1984 kaikki näiden vastaavien instituutioiden tekemä työ tuli yhteen. Caltech ja MIT muodostivat National Science Foundationin (NSF) tuella LIGO-yhteistyön ja aloittivat työskentelyn kahdella interferometrillä Hanfordissa ja Livingstonissa.
LIGOn rakentaminen oli suuri haaste sekä logistisesti että teknisesti. Asioihin autettiin kuitenkin valtavasti, kun Barry Barishista (silloin Caltech-hiukkasfyysikko) tuli LIGOn päätutkija (PI) vuonna 1994. Kymmenen vuoden pysähtyneiden yritysten jälkeen hänestä tehtiin myös LIGO: n johtaja ja palautettiin sen rakentaminen takaisin raiteilleen. . Hän laajensi myös tutkimusryhmää ja kehitti yksityiskohtaisen työsuunnitelman NSF: lle.
Kuten Barish totesi, hänen tekemänsä työ LIGON kanssa oli unelma:
”Halusin aina olla kokeellinen fyysikko, ja minua kiinnosti ajatus käyttää jatkuvaa edistymistä tekniikassa perustavanlaatuisten tieteellisten kokeiden suorittamiseen, joita ei voida tehdä muuten. LIGO on erinomainen esimerkki siitä, mitä ei voida tehdä ennen. Vaikka projekti oli erittäin laaja, haasteet olivat hyvin erilaisia kuin tapa rakentaa siltaa tai toteuttaa muita suuria teknisiä projekteja. LIGOlle haasteena oli ja on, miten kehittää ja suunnitella edistynyttä instrumentointia suuressa mittakaavassa, projektin edetessä. ”
Vuoteen 1999 mennessä LIGO-observatorioiden rakentaminen oli valmis, ja vuoteen 2002 mennessä LIGO aloitti tiedonhankinnan. Vuonna 2008 aloitettiin alkuperäisten ilmaisimiensa, tunnetuksi nimellä Advanced LIGO Project, parantaminen. Prosessi muuntaa 40 metrin prototyyppi LIGOn nykyisiksi 4 km: n (2,5 mailin) interferometreiksi oli massiivinen tehtävä, ja siksi se oli jaoteltava vaiheisiin.
Ensimmäinen askel tapahtui vuosina 2002-2010, kun ryhmä rakensi ja testasi alkuperäiset interferometrit. Vaikka tämä ei johtanut havaitsemiseen, se esitteli observatorion peruskäsitteet ja ratkaisi monet tekniset esteet. Seuraava vaihe, nimeltään Advanced LIGO, joka pidettiin vuosina 2010–2015, antoi ilmaisimille mahdollisuuden saavuttaa uudet herkkyystasot.
Nämä päivitykset, jotka tapahtuivat myös Barishin johdolla, antoivat mahdollisuuden kehittää useita keskeisiä tekniikoita, jotka viime kädessä tekivät mahdolliseksi ensimmäisen havaitsemisen. Kuten Barish selitti:
”LIGO: n alkuvaiheessa ilmaisimien eristämiseksi maan liikkeestä käytimme jousitusjärjestelmää, joka koostui pianolangan ripustamista koemassapeileistä, ja käytimme monivaiheisia passiivisia iskunvaimentimia, samanlaisia kuin ne autossasi. Tiesimme, että tämä ei todennäköisesti olisi tarpeeksi hyvä havaitsemaan painovoima-aaltoja, joten LIGO-laboratoriossa kehitimme Advanced LIGO: lle kunnianhimoisen ohjelman, joka sisälsi uuden ripustusjärjestelmän peilien vakauttamiseksi ja aktiivisen seismisen eristysjärjestelmän, joka havaitsee ja korjaa maaperäiset liikkeet. ”
Koska Thorne, Weiss ja Barish olivat keskittyneet tutkimaan painovoima-aaltoja, kaikki kolme tunnustettiin perustellusti tämän vuoden Nobel-palkinnon saajaksi fysiikassa. Sekä Thornelle että Barishille ilmoitettiin voittaneensa varhain aamulla 3. lokakuuta 2017. Vastauksena uutisiin molemmat tutkijat tunnustivat varmasti LIGO: n, siihen osallistuneiden tiederyhmien jatkuvat toimet ja Caltechin ja MIT: n pyrkimykset observatorioiden perustamisessa ja ylläpidossa.
"Palkinto kuuluu perustellusti satoille LIGO-tutkijoille ja -insinöörille, jotka rakensivat ja paransivat monimutkaisia painovoima-aaltointerferometrejämme, ja satoille LIGO- ja neitsytutkijoille, jotka löysivät painovoima-aaltosignaalit LIGO: n meluisasta tiedosta ja poimivat aaltojen tiedot, ”Sanoi Thorne. "On valitettavaa, että Nobel-säätiön perussäännön vuoksi palkinnon on saatava enintään kolme henkilöä, kun ihmeellinen löytömme on yli tuhannen työ."
"Olen nöyrä ja kunnia vastaanottaa tämä palkinto", sanoi Barish. ”Painovoima-aaltojen havaitseminen on todella voitto modernille laajamittaiselle kokeelliselle fysiikalle. Useiden vuosikymmenien ajan Caltechin ja MIT: n tiimimme kehittivät LIGOsta uskomattoman herkän laitteen, joka löytöi. Kun signaali saavutti LIGOan kahden tähtimustaisen mustan aukon törmäyksestä, joka tapahtui 1,3 miljardia vuotta sitten, 1000 tutkijan vahva LIGO-tieteellinen yhteistyö pystyi tunnistamaan ehdokastapahtuman muutamassa minuutissa ja suorittamaan yksityiskohtaisen analyysin, joka vakuuttavasti osoitti, että painovoima-aallot olla olemassa."
Katse eteenpäin on myös melko selvää, että Advanved LIGO, Advanced Virgo ja muut gravitaatioaaltojen observatoriat ympäri maailmaa ovat vasta alkamassa. Sen lisäksi, että se on havainnut neljä erillistä tapahtumaa, viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että painovoima-aaltojen havaitseminen voisi myös avata uusia rajoja tähtitieteelliselle ja kosmologiselle tutkimukselle.
Esimerkiksi Monashin astrofysiikkakeskuksen tutkijaryhmän äskettäisessä tutkimuksessa ehdotettiin teoreettista käsitettä, joka tunnetaan nimellä ”orvomuisti”. Tutkimuksensa mukaan painovoima-aallot eivät vain aiheuta aaltoja avaruusajassa, vaan myös jättävät pysyviä väreilyjä sen rakenteeseen. Tutkimalla menneiden tapahtumien ”orpoja”, painovoima-aaltoja voidaan tutkia sekä niiden saavuttaessa maapallon että kauan sen jälkeen.
Lisäksi elokuussa julkaisi tutkimuksen Kalifornian Irvine-yliopiston kosmologiakeskuksen tähtitieteilijöiden ryhmä, joka osoitti, että mustien aukkojen sulautumiset ovat paljon yleisempiä kuin luulimme. Suoritettuaan tutkimuksen kosmosta, jonka tarkoituksena oli laskea ja luokitella mustia reikiä, UCI-ryhmä päätti, että galaksissa voi olla jopa 100 miljoonaa mustaa reikää.
Eräs uusi äskettäinen tutkimus osoitti, että Advanced LIGO-, GEO 600- ja Virgo-painovoima-aaltoilmaverkkoa voitaisiin myös käyttää havaitsemaan supernovien luomat gravitaatioaallot. Havaitsemalla tähtien aiheuttamat aallot, jotka räjähtävät lähellä eliniänsä loppua, tähtitieteilijät voisivat nähdä ensimmäistä kertaa romahtavien tähtien sydämissä ja koettaa mustien reikien muodostumisen mekaniikan.
Fysiikan Nobel-palkinto on yksi korkeimmista kunnianosoituksista, jotka voidaan antaa tutkijalle. Mutta vielä suurempi on tieto siitä, että ihmisen omasta työstä johtui suuria asioita. Vuosikymmenten ajan sen jälkeen, kun Thorne, Weiss ja Barish aloittivat gravitaatioaallotutkimuksia ja pyrkivät luomaan ilmaisimia, tutkijat ympäri maailmaa tekevät syvällisiä löytöjä, jotka mullistavat tapaa, jolla ajattelemme maailmankaikkeutta.
Ja koska nämä tutkijat varmasti todistavat, se, mitä olemme tähän mennessä nähneet, on vain jäävuoren huippua. Voidaan kuvitella, että jossain Einstein myös säteilee ylpeydellä. Kuten muissakin hänen yleiseen suhteellisuusteoriaan liittyvissä tutkimuksissa, painovoima-aaltojen tutkimus osoittaa, että jopa vuosisadan jälkeen hänen ennusteensa olivat silti räjähtäviä!
Ja muista tarkistaa tämä video Caltech-lehdistötilaisuudesta, jossa Barishia ja Thornia kunnioitettiin suorituksistaan:
