Osana yleistä suhteellisuusteoriaa, Einstein ennusti, että massan tulisi emittoida painovoima-aaltoja. Sen pitäisi pystyä havaitsemaan tehokkaimmat painovoima-aallot, kun ne kulkevat maan läpi. Ja avaruudessa toimivan observatorion, joka on tarkoitus aloittaa vuonna 2015, nimeltään LISA, tulisi olla vielä vahvempi.
Tutkijat ovat lähellä nähdäkseen painovoima-aallot. Kuvan luotto: NASA
Painovoima on tuttu voima. Se on syy korkeuden pelkoon. Se pitää kuun maapallolla, maapallon auringolla. Se estää olutta lentämästä lasistamme.
Mutta miten? Lähettääkö Maa salaisia viestejä kuuhun?
No, kyllä - tavallaan.
Eanna Flanagan, Cornellin fysiikan ja tähtitieteen apulaisprofessori, on omistanut elämänsä painovoiman ymmärtämiseen, koska hän oli opiskelija Dublinin yliopisto-yliopistossa kotimaassaan Irlannissa. Nyt, melkein kaksi vuosikymmentä sen jälkeen kun Irlanti on lähtenyt jatkamaan tutkintotodistustaan kuuluisan relativistin Kip Thornen johdolla Kalifornian teknillisessä instituutissa, hänen työnsä keskittyy ennustamaan painovoima-aaltojen koon ja muodon - vaikea ilmiö, joka ennustetaan Einsteinin vuonna 1916 teoriassa Yleinen relatiivisuus mutta joita ei ole koskaan havaittu suoraan.
Vuonna 1974 Princetonin yliopiston tähtitieteilijät Russell Hulse ja Joseph H. Taylor Jr mittasivat epäsuorasti painovoima-aaltojen vaikutuksen neutronitähteiden kiertoradalla. Löytö ansaitsi heille vuoden 1993 fysiikan Nobel-palkinnon. Flanaganin ja hänen kollegoidensa äskettäisen työn ansiosta tutkijat ovat nyt näkemässä ensimmäisiä painovoima-aaltoja suoraan.
Ääntä ei voi olla tyhjiössä. Se vaatii väliaineen, kuten ilman tai veden, viestin välittämiseksi. Samoin painovoima ei voi esiintyä tyhjyydessä. Myös se tarvitsee välineen, jonka kautta se voi toimittaa viestinsä. Einstein teoriaan, että tämä väline on tila ja aika, tai "avaruuden aika kangas".
Paineenmuutokset - rummun isku, värisevä äänilanka - tuottavat ääniaaltoja, värinää ilmassa. Einsteinin teorian mukaan massamuutokset - kahden tähden törmäys, pölyn laskeutuminen kirjahyllyyn - tuottavat painovoima-aaltoja, aallot avaruusajassa.
Koska useimmissa päivittäisissä esineissä on massa, painovoima-aaltojen tulisi olla ympärillämme. Joten miksi emme löydä mitään?
"Vahimmat painovoima-aallot aiheuttavat mitattavia häiriöitä maapallolla 1 000 kertaa pienempiä kuin atominen ydin", Flanagan selitti. "Niiden havaitseminen on valtava tekninen haaste."
Vastaus haasteeseen on LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kolossaalinen koe, johon osallistuu yli 300 tutkijaa.
LIGO koostuu kahdesta asennuksesta, jotka sijaitsevat lähes 2000 mailin päässä toisistaan - yksi Hanfordissa, Wash., Ja yksi Livingstonissa, La. Jokainen laitos on muodoltaan jättiläinen "L", jossa on kaksi 2,5 mailin pituista käsivarsia, joiden halkaisija on 4 jalkaa. tyhjiöputket päällystetty betoniin. Erittäin vakaat lasersäteet kulkevat putkia pitkin peilien välillä kunkin varren päässä. Tutkijat odottavat kulkevan painovoima-aallon venyttävän toista vartta ja puristavansa toista, jolloin nämä kaksi laseria kulkevat hieman eri etäisyyksillä.
Ero voidaan sitten mitata "häiritsemällä" lasereita, joissa varret leikkaavat toisiaan. Se on verrattavissa kahteen autoon, jotka nopeuttavat kohtisuoraan kohti risteystä. Jos ne kulkevat samalla nopeudella ja etäisyydellä, ne kaatuvat aina. Mutta jos etäisyydet ovat erilaisia, ne saattavat ohittaa. Flanagan ja hänen kollegansa toivovat kaipaamista.
Lisäksi se, kuinka paljon lasereita osuu tai missaa, antaa tietoa gravitaatioaallon ominaisuuksista ja alkuperästä. Flanaganin tehtävänä on ennustaa näitä ominaisuuksia, jotta hänen kollegansa LIGOssa tietävät mitä etsiä.
Teknisten rajoitusten takia LIGO kykenee tunnistamaan vain tiettyjen taajuuksien painovoima-aaltoja voimakkaista lähteistä, mukaan lukien supernoova räjähdykset Linnunradalla ja nopeasti pyörivät tai kiertävät neutronitähdet joko Linnunradan tai kaukaisissa galakseissa.
Potentiaalisten lähteiden laajentamiseksi NASA ja Euroopan avaruusjärjestö suunnittelevat jo LIGOn seuraajaa LISAa, laserinfermometrin avaruusantennia. LISA on rakenteeltaan samanlainen kuin LIGO, paitsi että laserit pomppaavat kolmen satelliitin joukossa 3 miljoonan mailin päässä toisistaan seuraten maata kiertoradalla auringon ympäri. Seurauksena on, että LISA pystyy havaitsemaan aaltoja, jotka ovat alemmilla taajuuksilla kuin LIGO, kuten ne, jotka syntyvät neutronitähteen törmäyksessä mustan aukon kanssa tai kahden mustan aukon törmäyksessä. LISA on tarkoitus käynnistää vuonna 2015.
Flanagan ja Massachusetts Institute of Technologyn yhteistyökumppanit purkavat äskettäin painovoima-aallon allekirjoituksen, joka syntyy, kun supermassiivinen musta aukko nielee auringon kokoisen neutronitähden. Se on allekirjoitus, jonka on tärkeä tunnistaa LISA.
"Kun LISA lentää, meidän pitäisi nähdä satoja näitä asioita", Flanagan totesi. ”Pystymme mittaamaan kuinka tila ja aika vääntyvät ja kuinka tilan on tarkoitus kiertyä mustan aukon avulla. Näemme sähkömagneettisen säteilyn ja ajattelemme, että se on todennäköisesti musta aukko - mutta se on suunnilleen sikäli kuin meillä on. On erittäin jännittävää nähdä vihdoin, että suhteellisuusteoria todella toimii. ”
Mutta hän varoitti: ”Se ei välttämättä toimi. Astronomit huomaavat, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Yksi selitys on, että yleistä suhteellisuusteoria on muutettava: Einstein oli enimmäkseen oikeassa, mutta joissakin järjestelmissä asiat voivat toimia toisin. ”
Thomas Oberst on tiedekirjailija, harjoittelija Cornell News Service -palvelussa.
Alkuperäinen lähde: Cornell University
