Arial valokuva LIGOsta. Klikkaa suurentaaksesi.
Aikaisemmin tähtitieteilijät pystyivät näkemään taivaan vain näkyvässä valossa käyttämällä silmiään reseptoreina. Mutta entä jos sinulla olisi painovoiman silmät? Einstein ennusti, että maailmankaikkeuden äärimmäisimpien esineiden ja tapahtumien tulisi tuottaa painovoima-aaltoja ja vääristää tilaa niiden ympärillä. Uusi koe, nimeltään Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (tai LIGO), voisi tehdä nämä gravitaatioaallot ensimmäiseksi.
Kuuntele haastattelua: Näkeminen gravitaatiosilmillä (7.9 MB)
Tai tilaa Podcast: universetoday.com/audio.xml
Mikä on podcast?
Fraser Cain: Hyvä on, niin mikä on painovoima-aalto?
Dr. Sam Waldman: Joten painovoima-aalto voidaan selittää, jos muistat, että massa vääristää avaruusaikaa. Joten jos muistat analogian arkin vetämisestä kireällä keilapalloilla, jotka heitettiin arkin keskelle, taivuttamalla arkkia; jossa keilapallo on massa ja arkki edustaa avaruusaikaa. Jos siirrät keilapalloa edestakaisin hyvin nopeasti, teet värejä arkkiin. Sama asia koskee maailmankaikkeuden massoja. Jos siirrät tähtiä edestakaisin hyvin nopeasti, teet rypistymiä avaruuden aikana. Ja ne aallon aikana tapahtuvat aallot ovat havaittavissa. Kutsumme heitä painovoima-aaltoiksi.
Fraser: Jos kävelen huoneen ympäri, aiheuttaako se painovoima-aaltoja?
Dr. Waldman: No niin tulee. Tietojemme mukaan painovoima toimii kaikissa mittakaavoissa ja kaikissa massoissa, mutta avaruusaika on erittäin jäykkä. Joten jotain 200 punnan itseni liikkumista toimistoni läpi ei aiheuta painovoima-aaltoja. Tarvitaan erittäin massiivisia esineitä, jotka liikkuvat erittäin nopeasti. Joten kun etsimme havaita painovoima-aaltoja, etsimme auringon massaskaalaisia esineitä. Erityisesti etsimme neutronitähtiä, jotka ovat välillä 1,5–3 aurinkoa. Etsimme mustia reikiä, jopa useita satoja aurinkomassoja. Ja odotamme näiden esineiden liikkuvan erittäin nopeasti. Joten kun puhumme neutronitähdistä, puhumme neutronitähdistä, joka liikkuu melkein valon nopeudella. Itse asiassa sen on värähtelevä valon nopeudella, sen ei voi vain liikkua, sen on ravistettava edestakaisin hyvin nopeasti. Joten, ne ovat hyvin ainutlaatuisia, erittäin massiivisia kataklysmisiä järjestelmiä, joita etsimme.
Fraser: Painovoima-aallot ovat puhtaasti teoreettisia, eikö niin? Einstein ennusti heille, mutta heitä ei ole vielä nähty?
Dr. Waldman: Heitä ei ole havaittu, heistä on päätelty. On pulsaarijärjestelmä, jonka taajuus pyörii alas nopeudella, joka on yhdenmukainen painovoima-aaltojen säteilyn kanssa. Se on PSR 1913 + 16. Ja että tämän tähden kiertorata on muuttumassa. Se on päätelmä, mutta tietenkin, se ei ole tarkkailu suoraan painovoima-aalloista. On kuitenkin melko selvää, että niiden on oltava olemassa. Jos Einsteinin lait ovat olemassa, jos yleinen relatiivisuus toimii ja se toimii erittäin hyvin hyvin monilla pituusasteikoilla, niin on olemassa myös painovoima-aaltoja. Heitä on vain vaikea nähdä.
Fraser: Mitä tarvitaan niiden havaitsemiseksi? Kuulostaa siltä, että ne ovat erittäin kataklysmisiä tapahtumia. Suuri suuria mustia aukkoja ja neutronitähtiä liikkuu, miksi niitä on niin vaikea löytää?
Dr. Waldman: Tähän on kaksi osaa. Yksi asia on, että mustat aukot eivät törmää koko ajan, ja neutronitähdet eivät tärise missään vanhassa paikassa. Joten tapahtumien määrä, joka voi aiheuttaa havaittavissa olevia painovoima-aaltoja, on oikeastaan hyvin pieni. Nyt puhumme esimerkiksi Linnunradan galaksista, ja yksi tapahtuma tapahtuu 30-50 vuoden välein.
Mutta toinen osa yhtälöä on, että itse painovoima-aallot ovat hyvin pieniä. Joten he esittelevät niin kutsutun kannan; se on pituuden muutos yksikköpituutta kohti. Esimerkiksi, jos minulla on metrin mittapuu, ja painovoima-aalto puristaa sen, sen läpi. Mutta taso, jolla se ryntää mittarin, on erittäin pieni. Jos minulla on 1 metrin mittapuu, se saa aikaan muutoksen vain 10 e – 21 metriä. Joten se on erittäin pieni muutos. Tietysti 10e-21 metrin tarkkailu on iso haaste painovoima-aallon tarkkailemisessa.
Fraser: Jos mittaat mittarin pituuden toisella mittarilla, kyseisen toisen mittarin pituus muuttuu. Näen, että sitä on vaikea tehdä.
Dr. Waldman: Aivan, niin sinulla on ongelma. Tapa, jolla me ratkaisemme mittapuu-ongelman, on se, että meillä on tosiasiallisesti kaksi mittapuuta, ja me muotoilemme ne L.: ksi. Ja tapa mitata niitä on käyttää laseria. Ja tapa, jolla olemme järjestäneet mittatikun, ovat oikeastaan 4 km pitkässä L: ssä. Siellä on 2 käsivarret, jokaisen pituus 4 km. Ja kunkin varren päässä on 4 kg: n kvartsikoe, josta pompaamme lasereita. Ja kun painovoima-aalto tulee tämän L-muotoisen ilmaisimen läpi, se venyy toiseen jalkaan samalla kun kutistaa toista jalkaa. Ja se tekee tämän sanoen 100 hertsiä äänitaajuuksilla. Joten jos kuuntelet näiden joukkojen liikettä, kuulet suminan 100 hertsiä. Joten mitä mittaamme lasereillamme, on tämän suuren, L-muotoisen interferometrin varren pituusero. Siksi se on LIGO. Se on laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatorio.
Fraser: Katsotaanko ymmärrän tämän oikein. Miljardeja vuosia sitten musta aukko törmää toiseen ja tuottaa joukon painovoima-aaltoja. Nämä painovoima-aallot ylittävät maailmankaikkeuden ja pesevät Maan ohi. Kun he menevät maapallon ohitse, he pidentävät yhtä näistä käsivarresta ja kutistavat toista käsivarsi, ja voit havaita tämän muutoksen laserilla, joka pomppii edestakaisin.
Dr. Waldman: Se on totta. Haasteena on tietysti se, että pituuden muutos on erittäin pieni. 4km-interferometrien tapauksessa tällä hetkellä mitattava pituuden muutos on 10e-19 metriä. Ja asteikon asettamiseksi atom atomin ytimen halkaisija on vain 10e-15 metriä. Joten herkkyytemme on subatominen.
Fraser: Ja niin millaisia tapahtumia sinun pitäisi pystyä havaitsemaan tässä vaiheessa?
Dr. Waldman: Joten se on todella kiehtova alue. Analogia, jota haluamme käyttää, on kuin se, että se katsoi maailmankaikkeutta radioaaltojen avulla, oli katsoa universumia kaukoputkilla. Näkemäsi asiat ovat täysin erilaisia. Olet herkkä täysin erilaiselle maailmankaikkeuden järjestelmälle. Erityisesti LIGO on herkkä näille kataklysmisille tapahtumille. Luokittelemme tapahtumamme neljään laajaan luokkaan. Ensimmäinen, jota kutsumme purskeiksi, ja se on jotain mustan aukon muodostumista. Joten tapahtuu supernoovan räjähdys ja niin paljon ainetta liikkuu niin nopeasti, että se muodostaa mustia reikiä, mutta et tiedä miltä painovoima-aallot näyttävät. Tiedät vain, että on olemassa painovoima-aaltoja. Joten nämä ovat asioita, jotka tapahtuvat erittäin nopeasti. Ne kestävät korkeintaan 100 millisekuntia ja johtuvat mustien reikien muodostumisesta.
Toinen tapahtuma, jota tarkastelemme, on silloin, kun kaksi objektia on kiertoradalla toistensa kanssa, sanotaan esimerkiksi kaksi toisiaan kiertävää neutronitähteä. Lopulta kyseisen kiertoradan halkaisija vähenee. Neutronitähdet yhdistyvät, ne putoavat toisiinsa ja muodostavat mustan aukon. Ja muutaman viimeisen kiertoradan aikana, ne neutronitähdet (pidä mielessä, että ne ovat esineitä, jotka painavat 1,5 - 3 aurinkoa), liikkuvat valonopeuden murto-osilla; sanotaan 10%, 20% valon nopeudesta. Ja se liike on erittäin tehokas painovoima-aaltojen generaattori. Joten sitä me käytämme tavallisena kynttilänämme. Sitä luulemme tietävämme olevan olemassa; tiedämme, että he ovat siellä, mutta emme ole varmoja siitä, kuinka moni heistä lähtee kerrallaan. Emme ole varmoja siitä, miltä spiraalin neutronitähti näyttää radioaalloissa tai röntgensäteissä optisessa säteilyssä. Joten on vähän vaikea laskea tarkalleen kuinka usein näet joko spiraalin tai supernoovan.
Fraser: Nyt pystyt tunnistamaan heidän suunnan?
Dr. Waldman: Meillä on kaksi interferometriä. Itse asiassa meillä on kaksi sivustoa ja kolme interferometriä. Yksi interferometri on Livingston Louisianassa, joka on hieman New Orleansin pohjoispuolella. Ja toinen interferometrimme on itäisessä Washingtonin osavaltiossa. Koska meillä on kaksi interferometriä, voimme tehdä kolmiomittauksen taivaalla. Mutta missä tietolähde on, on jäljellä jonkin verran epävarmuutta. Maailmassa on muitakin yhteistyöhankkeita, joiden kanssa työskentelemme melko tiiviisti Saksassa, Italiassa ja Japanissa, ja heillä on myös ilmaisimia. Joten jos useat ilmaisimet useissa paikoissa näkevät painovoima-aallon, voimme tehdä erittäin hyvää työtä lokalisoinnissa. Toivottavasti näemme painovoima-aallon ja tiedämme mistä se tulee. Sitten sanomme radio-tähtitieteilijöiden kollegoillemme ja röntgentähdistystovereidemme kollegoillemme ja optisten tähtitieteilijöidemme kollegoillemme menemään katsomaan sitä osaa taivaasta.
Fraser: Horisontissa on joitain uusia suuria kaukoputkia; ylivoimaisesti suuri ja gigantisen suuri, ja Magellan… suuret kaukoputket tulevat putken päältä melko suurilla budjetteilla. Oletetaan, että voit löytää luotettavasti painovoima-aaltoja, se on melkein kuin se lisää uuden spektrin havaintoomme. Jos joihinkin näistä painovoima-aaltoilmaisimista annettiin suuria budjetteja, mihin luulet niitä voivan käyttää?
Dr. Waldman: No, kuten aiemmin totesin, se on kuin tähtitieteen vallankumous, kun radioteleskoopit tulivat ensimmäistä kertaa verkkoon. Tarkastellaan rahallisesti erilaista ilmiöluokkaa. Minun pitäisi sanoa, että LIGO-laboratorio on melko suuri laboratorio. Meillä on yli 150 tutkijaa työskentelemässä, joten se on laaja yhteistyö. Ja toivomme yhteistyötä kaikkien optisten ja radionähtitieteilijöiden kanssa etenessämme. Mutta on hiukan vaikea ennustaa, mikä tie tie kulkee. Luulen, että jos puhut paljon yleisrelativisteja, painovoima-aaltojen mielenkiintoisin piirre on, että teemme jotain nimeltään Vahvan kentän yleinen suhteellisuus. Se on kaikki yleinen suhteellisuus, jonka voit mitata katselemalla tähtiä ja galakseja, on erittäin heikko. Joukko joukkoja ei ole mukana, se ei liikku kovin nopeasti. Se on erittäin suurilla etäisyyksillä. Kun taas puhutaan mustan aukon ja neutronitähden törmäyksestä, viimeinen bitti, kun neutronitähti putoaa mustaan aukkoon, on erittäin väkivaltainen ja koettaa yleisen suhteellisuussuunnan valtakunnan, joka ei vain ole kovin päästävä normaaliin kaukoputkiin, radioon, röntgenkuvaukseen. Joten toivon, että siellä on joitain täysin uusia ja jännittäviä fysiikkoja. Mielestäni juuri se motivoi meitä, voisit kutsua sitä, hauskaa yleissuhteellisuudesta.
Fraser: Ja milloin toivot saavasi ensimmäisen havaintosi.
Dr. Waldman: Joten LIGO: n käyttämät LIGO-interferometrit - kaikki kolme interferometriä - ajavat suunnittelun herkkyydellä, ja olemme tällä hetkellä S5-ajon keskellä; viides tiedejuoksumme, joka on vuoden mittainen. Teemme vain vuoden ajan yrittää etsiä painovoima-aaltoja. Kuten monissa astronomian asioissa, suurin osa siitä on odottelua. Jos supernova ei räjähtää, niin emme tietenkään näe sitä. Ja niin meidän on oltava verkossa niin kauan kuin mahdollista. Todennäköisyyden seurata tapahtumaa, kuten supernoovatapahtumaa, uskotaan olevan alueella - nykyisellä herkkyydellä - ajatellaan, että näemme sen jokainen 10–20 vuosi. Siellä on suuri valikoima. Kirjallisuudessa on ihmisiä, jotka väittävät, että meillä on useita vuodessa, ja sitten ihmiset, jotka väittävät, ettemme näe koskaan herkkyydessään. Ja konservatiivinen keskitie on kerran kymmenessä vuodessa. Toisaalta päivitämme ilmaisimia heti, kun tämä ajo on ohi. Ja parannamme herkkyyttä kertoimella 2, mikä lisäisi havaitsemistiheyttä kertoimella 2 kuutiota. Koska herkkyys on säde, ja tutkimme tilavuutta tilavuudessa. Kun tunnistusnopeuden kerroin on 8-10, meidän pitäisi nähdä tapahtuma kerran vuodessa. Ja sitten sen jälkeen olemme siirtymässä niin kutsuttuun Advanced LIGO -tekniikkaan, mikä on tekijä 10 herkkyyden paranemisessa. Tällöin näemme melkein ehdottomasti painovoima-aallot kerran päivässä; joka 2-3 päivä. Tämä instrumentti on suunniteltu erittäin todellinen työkalu. Haluamme tehdä painovoima tähtitiede; nähdä tapahtumia muutaman päivän välein. Se on kuin Swift-satelliitin laukaisu. Heti kun Swift nousi ylös, aloimme nähdä gammasäteiden purskeita koko ajan, ja Advanced LIGO tulee olemaan samanlainen.
