Vedci počuli gravitačnú áriu prvýkrát.
Súvisiaci obsah
- Päť vecí, ktoré by ste mali vedieť o gravitačných vlnách
- Sedem jednoduchých spôsobov, o ktorých vieme, že Einstein mal pravdu (zatiaľ)
Keď sa dve čierne diery špirálovali k sebe navzájom a spájali sa, vytvorili vlnky v štruktúre vesmíru presne tak, ako to predpovedali fyzici na jedno storočie: gravitačné vlny. Signál, ktorý bol dnes predstavený počas série medzinárodných tlačových konferencií, pripravuje pôdu pre úplne nové chápanie vesmíru.
"Je to po prvýkrát, čo sa k nám vesmír rozprával prostredníctvom gravitačných vĺn. Až doteraz sme boli hluchí, " uviedol dnes na tlačovej udalosti vo Washingtone DC, riaditeľ laboratória LIGO David Reitze z Floridskej univerzity.
Základom gravitačných vĺn je teória gravitácie Alberta Einsteina, ktorá hovorí, že čokoľvek s hmotnosťou narúša samotnú štruktúru časopriestoru. Keď sa masívne objekty pohybujú, vytvárajú v kozmickej štruktúre skreslenie a vytvárajú gravitačné vlny. Tieto vlny sa vlnia vesmírom ako zvukové vlny pulzujúce vzduchom.
Einsteinova teória predpovedá, že vesmír sa hemží gravitačnými vlnami, ale doteraz sme ich nedokázali zistiť, čiastočne preto, že vlny sú mimoriadne slabé. Ale ešte predtým, ako boli jeho inovované prístroje minulý rok oficiálne online, laserové interferometrické gravitačné vlnové observatórium (LIGO) zachytilo jasný signál zo silného nárazu dvoch čiernych dier vzdialených 1, 3 miliardy svetelných rokov.
„Ak necháme detekovať gravitačný vlnový signál, zatiaľ čo LIGO stále nie je blízko dizajnovej citlivosti, v prvom vedeckom behu je úžasné, je to čeľusť, dobre, “ hovorí Joan Centrella, ktorá v čele Goddard Space Flight nasmerovala gravitačné astrofyzikálne laboratórium. Predtým, ako sa stanete zástupcom riaditeľa divízie astrofyziky na Goddarde.
Toto nadšenie sa rozprestieralo cez observatórium Livingston v Louisiane v Louisiane a cez zvyšok sveta, keď tím oznámil svoje oznámenie. Takmer všetko, čo sa astronómovia naučili o vesmíre, pochádza z rôznych foriem svetla, ako sú viditeľné, rádiové vlny a röntgenové lúče. Ale rovnako ako seizmické vlny môžu odhaliť skryté štruktúry hlboko vo vnútri Zeme, gravitačné vlny so sebou prinášajú informácie o skrytých vlastnostiach vesmíru, ktoré nemôže odhaliť ani svetlo.
"Začali sme s vysoko rizikovým zamestnaním s veľmi vysokým potenciálnym prínosom, " uviedol počas tlačovej udalosti Kip Thorne, spoluzakladateľ spoločnosti LIGO a gravitačný fyzik na Kalifornskom technologickom inštitúte. "A my sme tu dnes s veľkým víťazstvom - úplne novým spôsobom, ako pozorovať vesmír."
Skoré stopy
Lov gravitačných vĺn začal pred sto rokmi vydaním Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. V polovici 70. rokov fyzici Russell A. Hulse a Joseph H. Taylor, Jr. získali veľmi presvedčivé dôkazy o tom, že tieto vlnky existujú. Zmerali čas potrebný na obe obežné obežné dráhy dvoch hustých neutrónových hviezd - drvených jadier kedysi veľkých hviezd.
Na základe Einsteinovej práce vedeli, že tieto hviezdy by mali vyžarovať gravitačnú energiu, keď sa točili, a že stratená energia by mala spôsobiť, že sa budú špirálovať k sebe. Po preštudovaní týchto dvoch hviezd v nasledujúcich rokoch videli, že obežná dráha klesla presne o množstvo predpovedané všeobecnou relativitou.
Aj keď toto zistenie získalo duo Nobelovej ceny za fyziku z roku 1993, väčšina fyzikov by to nenazvala priamou detekciou gravitačných vĺn.
V roku 2001 začala spoločnosť LIGO pôsobiť na dvoch miestach vzdialených 1 875 kilometrov - jedno v Livingstone v Louisiane a druhé v Hanforde vo Washingtone. O niekoľko rokov neskôr sa pripojil aj európsky gravitačný vlnový ďalekohľad Panna. Obidve fungovali do roku 2010, respektíve 2011, predtým, ako prešli na aktualizáciu offline.
Vedci dúfali, že tieto počiatočné observatóriá zachytia gravitačné vlny, ale vedeli, že je to dlhá strela. Tieto vlnky sú veľmi slabé signály a nástroje neboli dostatočne citlivé na to, aby počuli ich šepot. Počiatočné jazdy však slúžia ako skúšky technológie pre prístroje novej generácie.
Panna sa stále zdokonaľuje, ale tím LIGO dokončil prácu na oboch detektoroch v roku 2015. Observatóriá Louisiana a Washington, ktoré sa teraz nazývajú Advanced LIGO, počúvali gravitačné vlny počas prvého vedeckého pozorovania od 18. septembra 2015 do 12. januára, 2016. Dnes oznámený signál bol vyzdvihnutý tesne pred prvým oficiálnym spustením, pretože tím vykonával prevádzkové testy detektorov.
Laserová presnosť
Snímanie vlny, ktorá prešla Zemou, si vyžadovalo veľa dômyselného inžinierstva, počítačového výkonu a viac ako 1 000 vedcov pracujúcich po celom svete.
Vo vnútri každého observatória LIGO v tvare L leží laser v mieste stretnutia dvoch kolmých trubíc. Laser prechádza nástrojom, ktorý rozdeľuje svetlo, takže dva lúče prechádzajú zhruba 2, 5 míľ po každej skúmavke. Zrkadlá na koncoch trubíc odrážajú svetlo späť k jeho zdroju, kde čaká detektor.
Na detektor obvykle neprichádza žiadne svetlo. Keď však gravitačná vlna prejde, mala by sa roztiahnúť a prebiť časopriestor v predvídateľnom vzore, čím by efektívne zmenila dĺžku skúmaviek o malé množstvo - rádovo tisícinu priemeru protónu. Potom na detektor dopadne nejaké svetlo.
Aby sa zohľadnila neuveriteľne malá zmena, zrkadlá nástroja sú pripojené k zložitým systémom, ktoré ich izolujú od väčšiny vibrácií. Vedci LIGO majú tiež špeciálne počítačové programy, ktoré dokážu filtrovať rôzne druhy hluku v pozadí, napríklad príležitostné chvenie, a určiť, či sa akýkoľvek prichádzajúci signál zhoduje s možnými astronomickými zdrojmi vypočítanými pomocou všeobecnej relativity.
Stránky Louisiana a Washington spolupracujú pri overovaní pozorovania. "Neveríme, že vidíme gravitačnú vlnu, pokiaľ obidva detektory neuvidia ten istý signál v čase, ktorý by gravitačná vlna potrebovala na cestovanie medzi týmito dvoma miestami, " hovorí člen tímu LIGO Amber Stuver z Louisianskej štátnej univerzity. V tomto prípade vlna prešla Zemou a zasiahla dva detektory vzdialené iba sedem milisekúnd.
Keď lokality Louisiana a Washington zistia možnú gravitačnú melódiu, vedci sa začnú zaoberať analýzou. LIGO tento signál zachytil 14. septembra, ale až teraz je možné s veľkou istotou povedať, že videli gravitačné vlny.
„Trvalo nám mesiace starostlivej kontroly, opätovnej kontroly, analýzy, práce s každým údajom, aby sme sa ubezpečili o pozorovaní, “ povedal Reitze počas udalosti DC. „Presvedčili sme sa, že tomu tak je.“ Výsledky sa objavia tento týždeň v listoch Fyzická recenzia .
Letecký pohľad na detektor LIGO v Livingstone v Louisiane. (Laboratórium LIGO) Signál gravitačnej vlny, ktorý astronómovia vytiahli z najnovších pozorovaní, sa zhodoval s tým, čo očakávali od dvoch čiernych dier, ktoré sa k sebe špirálovali. Tanec vysiela gravitačné vlny s predvídateľnou frekvenciou a silou, v závislosti od vzdialenosti objektov a od ich hmotnosti.
Keď sa začínajú blížiť, vlnové dĺžky gravitačných vĺn sa zmenšujú a ich pieseň dosahuje vyššie výšky. Keď sa čierne diery priblížia na záverečné objatie, signál gravitačnej vlny má jednu poslednú vysokú notu alebo „pípnutie“, ako to astronómovia nazývajú.
Septemberový signál sa krásne spája s tým, čo by tím očakával od dvoch čiernych dier s hmotnosťou rovnajúcou sa asi 29 a 36-násobku hmotnosti Slnka. Tieto čierne diery narazili spolu a vytvorili novú čiernu dieru, ktorá je 62-krát väčšia ako množstvo slnečného žiarenia - vyžaruje 3 gravitačné energie v hodnote 3 slnečných hmôt.
Očakávajte neočakávané
Vďaka tejto počiatočnej detekcii dúfajú astronómovia, že Advanced LIGO bude aj naďalej zachytávať gravitačné vlny a začne vytvárať údaje pre všetky druhy vedeckých štúdií, od vymýšľania, ako supernovy fungujú, až po učenie sa o prvých niekoľkých okamihoch vesmíru. Zatiaľ čo žiadny iný astronomický teleskop nevidel žiadne známky tejto kolízie s čiernymi dierami, niektoré ďalšie zdroje, ktoré Advanced LIGO hľadá, by mali mať náprotivky viditeľné pre teleskopy, ktoré zachytávajú svetlo.
Zdá sa to obzvlášť sľubné vzhľadom na to, že Advanced LIGO ešte nie je úplne v plnej citlivosti. To príde v najbližších rokoch, hovorí Stuver.
Každý z týchto signálov dá astronómom to, čo predtým nemali: spôsob, ako zisťovať extrémne prípady gravitácie a pohyby neviditeľných predmetov. Ešte viac vzrušujúce, astronómovia vedia, že s každým technologickým pokrokom má vesmír spôsob, ako nás prekvapiť.
„Zakaždým, keď sme sa pozerali novým spôsobom a iným spôsobom svetla, objavujeme niečo, čo sme neočakávali, “ hovorí Stuver. „A je to neočakávaná vec, ktorá revolucionizuje naše chápanie vesmíru.“ Netrvalo dlho potom, čo astronómovia otočili rádiové antény na oblohe, objavili neočakávaný typ neutrónovej hviezdy nazývanej pulzár. A možno poeticky, to bol pulzar a neutrónová hviezda, ktorá robila orbitálny tanec, ktorý Hulse a Taylor študovali v 70. rokoch.
Vedci teraz majú na svedomí gravitačnej vlnovej astronómie nový nástroj na vzorkovanie vesmíru. A zo zvuku toho sme pripravení na krásnu hudbu.
Poznámka editora: Opravené bolo pridruženie Joan Centrella.
