Einšteina viļņu ķeršana

Astronomi gandrīz 400 gadus ir novērojuši debesis būtībā tādā pašā veidā. Kopš Galileo 1609. gadā pagrieza savus teleskopus uz Mēnesi, tie ir izmantojuši arvien sarežģītākus līdzekļus, lai noteiktu tālu objektu izstarotu gaismu, savācot ne tikai redzamo gaismu, bet arī radioviļņus, rentgenstarus un citus elektromagnētiskā starojuma veidus. Taču dažas no aizraujošākajām lietām kosmosā nesūta mums gaismu.

Absolventi Alma Steingarta un Brets Šapiro, LIGO zinātnieks Ričs Mitlmens un fizikas profesors Nergis Mavalvala MIT LIGO laboratorijā.

Spēja novērot Visumu, izmantojot kaut ko citu, nevis gaismu, varētu uzsākt jaunu astronomijas laikmetu — laikmetu, kas, pēc MIT fiziķu domām, drīz sāksies. Viņu cerības ir saistītas ar gravitācijas viļņu noteikšanu, sava veida fundamentālu starojumu, ko Einšteins paredzēja 1916. gadā, bet vēl nav tieši novērots. Gravitācijas viļņu analīze, pēc viņu domām, sniegs vēl nebijušu veidu, kā izpētīt spirālveida neitronu zvaigžņu, melno caurumu un sabrūkošo zvaigžņu kodolu darbību.

Einšteina relativitātes teorija paredz ne tikai gravitācijas viļņus, bet arī prognozes apstiprina netieši empīriski pierādījumi, piemēram, izmaiņas bināro neitronu zvaigžņu orbītās, kuras zinātnieki ir novērojuši gadu desmitiem. Tomēr, pirms astronomi var analizēt gravitācijas viļņus no attāliem objektiem, eksperimentālajiem fiziķiem tie ir jānosaka tieši.

MIT un Caltech pētnieku komanda nevar pretoties izaicinājumam. Viņi kopīgi pārvalda lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatoriju (LIGO), ko finansē Nacionālais zinātnes fonds Vašingtonas štatā un Luiziānā. LIGO, kas tika uzbūvēts 90. gados, ir balstīts uz 1970. gados izstrādātajiem dizainparaugiem, ko 1970. gados izstrādājis Rainers Veiss ‘55, PhD 62, kurš tagad ir MIT fizikas emeritētais profesors. Nosakot attāluma izmaiņas starp precīzi kalibrētiem spoguļiem, LIGO instrumenti mēra nelielus kropļojumus laika telpas struktūrā. Ar pirmās paaudzes detektoriem, kas maksāja 230 miljonus ASV dolāru, gravitācijas viļņa noteikšanas iespējamība bija zema. Bet LIGO fiziķi domā, ka tagad viņiem ir tehnoloģija, lai pagrieztu stūri. Pēc jauninājumiem viņi cer sasniegt desmitkārtīgu jutīguma pieaugumu — viņi uzskata, ka pietiekami daudz, lai līdz 2014. gadam noteiktu gravitācijas viļņus dažas reizes mēnesī.

Šie fiziķi labprāt risina vienu no sarežģītākajām precīzās inženierijas problēmām pasaulē: mērīt attālumus, kas ir mazāki par mazākajiem atomu kodoliem. Tas ir patiešām grūti. Un tam ir milzīga pievilcība, saka Nergis Mavalvala, PhD ‘97, fizikas asociētais profesors, kurš izstrādā modernizētus instrumentus LIGO. Bet vēl aizraujošāks par izaicinājumu ir potenciālā atdeve. Gravitācijas viļņu fizika mainīs veidu, kā mēs redzam Visumu, saka fizikas asociētais profesors Eriks Katsavounidis, kurš analizē LIGO datus. Šajā klasē ir maz lietu.

No Ņūtona līdz Einšteinam
Ņūtons gravitāciju aprakstīja kā pievilkšanās spēku starp masām. Bet pat Ņūtons bija neapmierināts ar savu nespēju izskaidrot ko cēloņi smagums. Tas tika atstāts Einšteinam, kurš paskaidroja, kā rodas gravitācija, aprakstot pašu telpu jaunā veidā.

Pirms Einšteina kosmoss tika uzskatīts par absolūtu, pastāvot ārpus tajā kustīgo masu ietekmes. Einšteins uztvēra telpu kā kaļamu un ierosināja, ka laiks un telpa ir daļa no četrdimensiju sistēmas. Masas, piemēram, saule, izkropļo telpas-laika audumu, izraisot to, ko fiziķi sauc par telpas-laika izliekumu. Šis izliekums ietekmē citu masu kustību: citiem vārdiem sakot, tas ir tas, ko mēs piedzīvojam kā gravitāciju.

Masām pieaugot, Einšteins ierosināja, ka tās rada viļņošanos telpā-laikā, piemēram, viļņus, kas ceļo pa ūdeni laivas pavadā. Šīs telpas-laika pamošanās ir tas, ko viņš sauca par gravitācijas viļņiem. Tāpat kā gaismas un skaņas viļņi, tie ir aprakstīti pēc frekvences un viļņa garuma. Ņūtona vienādojumos gravitācijas spēks tiek iedarbināts uzreiz, tuvinājums, kas lieliski darbojas lielākajai daļai no tā, ko mēs varam novērot. Bet gravitācijas viļņi izplatās telpā un laikā ar gaismas ātrumu. Tātad jebkura attāla objekta gravitācijas spēka izmaiņa prasa laiku, lai sasniegtu Zemi, tāpat kā tā gaismai. Tas viss aizņem kādu laiku, lai aplauztu galvu, atzīst fizikas docents Skots Hjūzs.

Gravitācijas viļņiem ceļojot, tie stiepjas un saspiež telpas laiku, saka Mavalvala. Ja kāds jums tagad izietu cauri, jūs varētu kļūt nedaudz garāks, tad nedaudz īsāks; nedaudz platāks, tad nedaudz plānāks. Tāpat, ja gravitācijas vilnis iet cauri diviem objektiem, attālums starp tiem mainās. LIGO ir izstrādāts, lai izmērītu šo efektu.

Gadās, ka lietas, ko LIGO spēs labi atklāt, piemēram, melnos caurumus, kas saduras ar neitronu zvaigznēm, nav labi redzamas ar teleskopiem. Bet, lai gan šādas parādības ir interesantas, to izpētes patiesā vērtība, saka Hjūzs, ir tā, ka tās ļaus mums pārbaudīt fizikas likumus Visuma apgabalos, kas ļoti atšķiras no mūsu pašu.

Ņūtona likumi labi darbojas mūsu Saules sistēmā, kur gravitācija ir vāja. Taču melno caurumu tuvumā, saka Rainers Veiss, telpa ir tik spēcīgi gravitācija, ka tā vairs nav līdzena; tas ir šausmīgos veidos uzvilkts uz sevi. Viņš saka, ka ar LIGO mēs redzēsim lietas no Visuma reģioniem, kur Einšteins ir viss stāsts. Ņūtonu jūs varat aizmirst. Fiziķi cer, ka LIGO atvērs to, ko Hjūzs sauc par ekstrēmu laboratoriju. Gravitācijas viļņu mērīšana sniegs mums ieskatu telpas un laika dziļākajā dabā, saka Edvards Bertšingers, MIT fizikas nodaļas vadītājs. Kamēr mēs tos rūpīgi neizpētījām, mēs neesam sapratuši gravitāciju.

Tomēr bija vajadzīgs ilgs laiks, līdz fizikas iestāde noticēja, ka tehnoloģijās, kas paredzētas gravitācijas viļņu mērīšanai, ir vērts ieguldīt. Veisam, kurš visu savu karjeru ir pavadījis MIT, bija svarīga loma plūdmaiņas pavērsienā.

LIGO pirmsākumi
Pat Einšteins atzina, ka gravitācijas viļņus būtu grūti, ja ne neiespējami izmērīt. Lai gan viņš uzskatīja, ka tie patiešām pastāv, 30. gados fiziķi gravitācijas viļņus sāka uzskatīt par matemātiskiem kurioziem. Pats Einšteins atteicās no saviem iepriekšējiem apgalvojumiem, nekādā veidā nepārbaudot savas idejas par tiem.

Taču 1960. gadā kāds vīrietis, kuru Veiss dēvē par drosmīgu un izdomas bagātu riekstu, nolēma mēģināt izmērīt gravitācijas viļņus. Džozefs Vēbers, Merilendas universitātes profesors, uzbūvēja detektoru, kas darbojās kā metāla ksilofona stienis; bet tā vietā, lai vibrētu, kad to triektu ar āmuru, tas vibrētu, kad to satriektu gravitācijas viļņi. Veiss saka, ka Vēbers redzējis visdažādākās brīnišķīgās lietas un apgalvojis, ka ir atklājis Einšteina prognozēto.

Problēma bija tā, ka neviens nevarēja dublēt viņa rezultātus, lai gan Vēbers, kurš nomira 2000. gadā, pie tiem palika. Veiss saka, ka uzmanīgāks fiziķis būtu bijis skeptiskāks pret saviem secinājumiem; viņš spekulē, ka Vēbera mašīnas varētu būt atklājušas tādas lietas kā zibens spērieni vai problemātiskas tālruņa līnijas, taču Vēbers neizmeklēja citus iespējamos viņa datu skaidrojumus. Bez neatkarīga apstiprinājuma par Vēbera viļņiem lauks nonāca briesmīgā stāvoklī, saka Veiss.

Veiss, ne mazāk izdomas bagāts kā Vēbers, arī interesējās par gravitāciju no eksperimentālā viedokļa. Viņš bija izkritis no MIT 1950. gados, bet leģendārais fizikas profesors Džerolds Zahariass viņam deva vēl vienu iespēju, nolīgdams viņu strādāt savā laboratorijā. Pēc doktora grāda iegūšanas MIT, Veiss pavadīja laiku Prinstonas universitātē Roberta Dika, vadošā gravitācijas eksperta, laboratorijā.

Drīz pēc tam, kad viņš atgriezās MIT kā profesors, Veiss tika norīkots mācīt absolventu līmeņa relativitātes teoriju. Bija 1966. gada pavasaris, un Vēbera detektors darbojās. Veiss atceras, ka es nevarēju saprast, ko Vēbers dara, tāpēc viņš nolēma saviem studentiem izskaidrot gravitācijas viļņus, izstrādājot visvienkāršāko skaidrojumu tam, kā es varētu iedomāties tādus viļņus. Viņa ideja bija izmantot interferometru, L-veida spoguļu konfigurāciju, kas ir vienādi izvietoti un kas izmanto lāzera gaismu, lai precīzi izmērītu attālumu. Gravitācijas viļņiem ejot garām objektiem, tie stiepjas un saspiež telpas laiku tā, ka mainās attālumi starp šiem objektiem. Jo lielāks sākotnējais attālums starp diviem objektiem, jo ​​lielākas izmaiņas. Jo lielākas izmaiņas, jo vieglāk tās izmērīt.

Dažu nākamo gadu laikā Weiss izstrādāja prototipus tam, kas kļūs par LIGO. Caltech pētnieki, kā arī Nacionālā zinātnes fonda finansētāji atpalika no viņa plāniem pirms MIT administrācijas; Institūts nevēlējās veltīt naudu tam, kas šķita riskants piedāvājums. Bet, kad Veisa sadarbība ar Caltech Kipu Tornu un Ronaldu Dreveru bija izveidota un finansējums tika nodrošināts, MIT iesaistījās.

Mūsdienu LIGO ir milzīgu interferometru komplekts, no kuriem divi ir ar četrus kilometrus gariem svirām un trešais ar diviem kilometriem. Vairāk kā auss, nevis acs, LIGO uztvers visus viļņus, ko tas var dzirdēt, neatkarīgi no tā, no kāda virziena tie nāk. Bet Veiss cer, ka tehnoloģija kļūs par jauna veida teleskopu.

Katras L stūrī ir spogulis, kas sadala lāzera gaismas staru divās daļās un sūta vienu staru uz leju katrā rokā, izmantojot vakuumā noslēgtu nerūsējošā tērauda cauruli, uz spoguļa galā. Spoguļi atstaro starus atpakaļ uz stūri, kur tie atkal apvienojas, veidojot spilgtu un tumšu plankumu interferences modeli. Šis modelis paliek nemainīgs, kamēr nekas nekustas. Bet, ja gravitācijas vilnis iziet cauri interferometram, tas smalki izspiež un izstiepj telpu, izstumjot spoguļus tā, ka modelis mainās.

Tas izklausās pietiekami vienkārši. Bet trokšņa noņemšana no sistēmas ir neticami sarežģīta. Viss pārējais uz planētas var pārvietot spoguļus vairāk nekā gravitācijas viļņi, saka Mavalvala ar ļoti nelielu pārspīlējumu. Viņa atzīmē īsu parādību sarakstu, kas var traucēt LIGO: tektonisko plātņu kustības, okeāna viļņi, ceļu satiksme, metro, pat tikai cilvēku darbība, kas pārvietojas. Pat ražojot mikroprocesorus ar ļoti mazām funkcijām, lietas nav jātur tikpat nekustīgi kā LIGO detektoros. Tikai vizionārs var paskatīties uz LIGO tehniskajām prasībām un būt bezbailīgs, saka Bertschinger.

LIGO zinātnieki analizē datus no detektoru pirmās pilna mēroga darbības no 2005. gada novembra līdz 2007. gada oktobrim. Milzīgais datu apjoms — detektori ģenerē apmēram gigabaitu dienā — rada milzīgu skaitļošanas izaicinājumu. Vēl grūtāk ir izlemt, kā noteikt, kad gravitācijas vilnis ir atklāts bez jebkādām pamatotām šaubām. Ņemot vērā Vēbera mantojumu, Ēriks Katsavounidis saka, ka mēs vēlamies būt pilnīgi pārliecināti.

Pētnieki uzskata, ka LIGO pašreizējai tehnoloģijai jāspēj atklāt vardarbīgus kosmiskos notikumus, piemēram, supernovas, ja vien tie nav pārāk tālu. Mūsu galaktikai mums ir laba jutība, saka Katsavounidis. Tomēr supernovas ir reti sastopamas; tiek uzskatīts, ka tie LIGO diapazonā notiek apmēram reizi 30 gados. Kamēr LIGO nevar redzēt tālāk, viņš saka, ka labākie potenciālie nosakāmo gravitācijas viļņu avoti varētu būt objekti, par kuriem astrofiziķi vēl nezina.

Nākamā paaudze
Izmantojot lielāko ultraaugsta vakuuma sistēmu uz Zemes, LIGO var noteikt spoguļu pārvietojumus, kas ir tik niecīgi kā 10–18 metri – tūkstošdaļa no mazākā atoma kodola. Šī jutība dubultosies aptuveni gada laikā, pateicoties uzlabojumiem, ko Mavalvala salīdzina ar turbo dzinēja ievietošanu automašīnā. Un LIGO komanda plāno pilnībā nomainīt sākotnējos detektorus. Izstrādāts projektam Advanced LIGO, jaunais detektoru komplekts būs 10 reizes jutīgāks, palielinot novērojamās telpas apjomu tūkstoškārtīgi.

LIGO komandas spoži apgaismotajā angāram līdzīgu proporciju laboratorijā MIT universitātes pilsētiņas rietumu pusē Mavalvala noliek savu beisbola cepures galvu zem vienas no divām 15 metru nerūsējošā tērauda caurulēm. Caurules savienojas L formā, veidojot mazāka mēroga Luiziānas un Vašingtonas interferometru kopiju. Netālu uz paaugstinātas tērauda platformas, kas ieskauta plastmasas loksnē, atrodas aparāts, kas, šķiet, ir izgatavots no milzu Erector komplekta. Mavalvala skaidro, kā Advanced LIGO nodrošinās, lai platformas, no kurām ir piekārti spoguļi, paliktu ļoti, ļoti nekustīgas.

Kad iekārta darbojas, platformu akselerometri nosaka kustību, un motori to koriģē, pārvietojot platformu pretējā virzienā. Katrs spogulis karāsies no savas platformas uz stieples, kurā ir metāla un stikla atsvari. Iegūtā svārsta dabiskā frekvence ir zemāka nekā gravitācijas viļņu frekvence. Kad platformu strauji satricina seismiskais troksnis, svārsti buferēs spoguļu kustību, nodrošinot, ka gravitācijas viļņu radītās niecīgās kustības netiks maskētas.

Šie uzlabojumi uzlabos LIGO jutību pret zemas frekvences gravitācijas viļņiem. Bet, mērot pārvietojumus, kas ir daudz mazāki par atomu, pētniekiem ir jācīnās arī ar dažādiem trokšņa avotiem, kas ierobežo jutību citos diapazonos. Vidējā diapazonā LIGO ierobežo termiskā kustība: atomi temperatūrā, kas pārsniedz absolūto nulli, traucas apkārt. Tādējādi metāla atomi vados, kas apkarina LIGO spoguļus, ievieš troksni sistēmā. Uzlabotajā LIGO tiks izmantotas īpaši izgatavotas stikla šķiedras, kas ir mazāk zudumiem bagāts materiāls: atomi kustās mazāk, un mazāka to kustība tiek pārnesta uz spoguli.

Augstākās frekvencēs problēma ir gaismas kvantu īpašības. Veicot mērījumus ar gaismu, Mavalvala saka, ka jums ir jārisina pašas gaismas trokšņa īpašības. Lielāka lāzera jauda nozīmē labāku signāla un trokšņa attiecību: uzlabotā LIGO lāzera jauda būs 20 reizes lielāka par pašreizējo.

Pateicoties šiem uzlabojumiem, mums vajadzētu kaut ko redzēt reizi nedēļā, saka Deivids Shoemaker, SM 80, MIT vecākais pētnieks, kurš vada Advanced LIGO. Ja mēs neko neredzam, ar vispārējo relativitāti kaut kas nav kārtībā.

Kad gravitācijas vilnis pirmo reizi tiek atklāts, visi sarīkos trakulīgu ballīti, saka Skots Hjūzs. Pēc tam, kad paģiras būs beigušās, mēs teiksim: 'Labi, ko mums tagad darīt?'

Izveidojot datoru modeļus tādiem objektiem kā melnie caurumi, Hjūzs mēģina izdomāt, kā izmantot gravitācijas viļņus astronomijas veikšanai. Tā kā no melnajiem caurumiem neizplūst gaisma, fiziķi tos ir redzējuši tikai netieši, teiksim, atklājot rentgena starus, ko izstaro zvaigznes, kad tās tiek ievilktas tajā. Bet, kad melnie caurumi kaut ko apēd, saka Veiss, tie izdala ļoti apmierinātu atraugas — gravitācijas vilni. Ņemot vērā veidu, kā vispārējā relativitāte apraksta lietas, ņemot vērā mūsu izstrādātos detektorus, saka Hjūzs, cik precīzi es varu izmērīt melnā cauruma masu un griešanos?

Fiziķi, kas uzdod šādus jautājumus, iziet nezināmajā, un viņi nevar paredzēt visu, ko viņi varētu uzzināt. Bet, saka Bertšingers, es vēlos, lai MIT būtu daļa no šī laikmeta — lai piedalītos gaidāmajos zinātnes svētkos.

paslēpties