Februarja 2016 so znanstveniki, ki delajo za laserski interferometer Gravitacijsko-valovni observatorij (LIGO), zgodovino ustvarili, ko so napovedali prvo odkrivanje gravitacijskih valov. Od takrat se je zgodilo večkratno odkrivanje in znanstvena sodelovanja med opazovalnicami - kot sta napredni LIGO in napredna devica - omogočajo neverjetno raven občutljivosti in izmenjave podatkov.
Ne samo, da je bilo prvič zaznavanje gravitacijskih valov zgodovinski dosežek, to je začelo novo obdobje astrofizike. Zato ni čudno, zakaj so trije raziskovalci, ki so bili osrednji pri prvem odkritju, prejeli Nobelovo nagrado za fiziko za leto 2017. Nagrado so skupaj podelili profesorjem Caltech-a emeritus Kip S. Barish, skupaj s profesorjem MIT emeritus Rainerjem Weissom.
Preprosto povedano, gravitacijski valovi so valovanje v vesolju in času, ki ga tvorijo veliki astronomski dogodki - na primer združitev binarnega para črne luknje. Pred prvim stoletjem jih je napovedala Einsteinova Teorija splošne relativnosti, ki je nakazovala, da bodo velike motnje spremenile strukturo prostora-časa. Toda šele v zadnjih letih so bili dokazi o teh valovih prvič opaženi.
Prvi signal so zaznali LIGO-jevi dvojni opazovalniki - v Hanfordu, Washingtonu in Livingstonu v Louisiani - in našli sled črne krtine, ki je bila blizu 1,3 milijarde svetlobnih let. Do danes so bila že štiri odkritja, ki so nastala zaradi združitev parov črnih lukenj. Ti so se zgodili 26. decembra 2015, 4. januarja 2017 in 14. avgusta 2017, zadnjega pa sta zaznala gravitacijski valovni detektor LIGO in evropski virgo.
Za vlogo, ki so jo odigrali v tem dosežku, sta polovico nagrade skupaj prejela Caltech Barry C. Barish - Ronald in Maxine Linde profesor fizike, Emeritus - in Kip S. Thorne, profesor teoretične fizike Richard P. Feynman , Emeritus. Drugo polovico je prejel Rainer Weiss, profesor fizike, emeritus, s tehnološkega inštituta v Massachusettsu (MIT).
Kot je v nedavni izjavi za medije Caltech dejal predsednik Caltech Thomas F. Rosenbaum - predsedniški predsednik Sonja in William Davidow ter profesor fizike:
„Vesel sem in počaščen, da sem Kip-u in Barryju ter Raiju Weissu z MIT-a čestital za nagrado zjutraj za podelitev Nobelove nagrade za fiziko 2017. Prvo neposredno opazovanje gravitacijskih valov s strani LIGO je izjemen prikaz znanstvene vizije in vztrajnosti. Skozi štiri desetletja razvoja izredno občutljivega instrumentacije - ki spodbuja zmogljivost naših domišljij - smo zdaj sposobni videti kozmične procese, ki so bili prej neznani. To je res začetek nove dobe v astrofiziki. "
Ta dosežek je bil še toliko bolj impresiven, saj je Albert Einstein, ki je prvi napovedal njihov obstoj, verjel, da bodo gravitacijski valovi prešibki za preučevanje. Vendar pa so do šestdesetih let napredek laserske tehnologije in novi vpogledi v možne astrofizične vire privedli znanstvenike do zaključka, da bi te valove dejansko lahko zaznali.
Prve detektorje gravitacijskega vala je zgradil Joseph Weber, astrofizik z univerze v Marylandu. Njegovi detektorji, ki so bili zgrajeni v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, so sestavljali velike aluminijaste jeklenke, ki bi jih s pomočjo gravitacijskih valov poganjali. Sledili so drugi poskusi, vendar so se vsi izkazali za neuspešne; spodbuda za prehod na novo vrsto detektorja, ki vključuje interferometrijo.
Enega takšnih instrumentov je razvil Weiss na MIT, ki se je opiral na tehniko, znano kot laserska interferometrija. V tej vrsti instrumentov se gravitacijski valovi merijo s široko odmaknjenimi in ločenimi ogledali, ki odsevajo laserje na dolge razdalje. Ko gravitacijski valovi povzročijo, da se prostor razteza in stisne z neskončno majhnimi količinami, povzroči, da se odbija odsevna svetloba znotraj detektorja v trenutku premakne.
Obenem je Thorne - skupaj s svojimi študenti in postdoktorti na Caltechu - začel delati na izboljšanju teorije gravitacijskih valov. To je vključevalo nove ocene moči in frekvence valovanja, ki jih proizvajajo predmeti, kot so črne luknje, nevtronske zvezde in supernove. To se je končalo v prispevku iz leta 1972, ki ga je Throne objavil skupaj s svojim študentom Billom Pressom, ki je povzel njihovo vizijo, kako je mogoče proučevati gravitacijske valove.
Istega leta je Weiss objavil tudi podrobno analizo interferometrov in njihovega potenciala za astrofizična raziskovanja. V tem prispevku je izjavil, da bodo operacije večjega obsega, ki merijo več kilometrov ali več, lahko posnele zaznavanje gravitacijskih valov. Prav tako je opredelil glavne izzive pri odkrivanju (kot so vibracije z Zemlje) in predlagal možne rešitve za boj proti njim.
Leta 1975 je Weiss povabil Thorneja na sejo odbora NASA v Washingtonu, D.C., in dva sta preživela celo noč, ko sta govorila o gravitacijskih poskusih. Kot rezultat njunega pogovora je Thorne odšel nazaj v Calteh in predlagal ustanovitev eksperimentalne gravitacijske skupine, ki bi delala na interferometrih vzporedno z raziskovalci na MIT, univerzi v Glasgowu in univerzi Garching (kjer so se izvajali podobni poskusi).
Razvoj prvega interferometra se je začel kmalu zatem pri Caltechu, kar je privedlo do izdelave 40-metrskega (130 čevljev) prototipa za testiranje Weissovih teorij o gravitacijskih valovih. Leta 1984 so se vsa dela teh institucij združila. Caltech in MIT sta s podporo Nacionalne znanstvene fundacije (NSF) ustanovila sodelovanje LIGO in začela delati na svojih dveh interferometrih v Hanfordu in Livingstonu.
Gradnja LIGO je bila velik izziv, tako logistično kot tehnično. Vseeno pa so stvari neizmerno pomagale, ko je Barry Barish (tedaj fizik delcev Caltech-a) postal glavni preiskovalec (PI) LIGO leta 1994. Po desetletju zastarelih poskusov je bil tudi direktor LIGO in njegovo gradnjo spet postavil na sled . Razširil je tudi raziskovalno skupino in razvil podroben delovni načrt za NSF.
Kot je Barish nakazal, je bilo delo, ki ga je opravil z LIGO, nekaj sanjskega:
»Vedno sem želel biti eksperimentalni fizik in me je privlačila ideja, da bi se uporabljal nenehen napredek tehnologije za izvajanje temeljnih znanstvenih eksperimentov, ki jih drugače ne bi bilo mogoče. LIGO je odličen primer tistega, česar prej ni bilo mogoče storiti. Čeprav je šlo za zelo obsežen projekt, so bili izzivi zelo različni od načina gradnje mostu ali izvajanja drugih velikih inženirskih projektov. Za LIGO je bil izziv in kako razviti in oblikovati napredne instrumente v velikem obsegu, tudi ko se projekt razvija. "
Do leta 1999 se je gradnja zavila v opazovalnice LIGO in do leta 2002 je LIGO začel pridobivati podatke. Leta 2008 se je začelo delo na področju izboljšanja originalnih detektorjev, znanih kot Napredni projekt LIGO. Postopek pretvorbe 40-metrskega prototipa v trenutne 4-kilometrske (2,5 mi) interferometre LIGO je bil velik posel, zato ga je treba razčleniti po korakih.
Prvi korak se je zgodil med letoma 2002 in 2010, ko je ekipa izdelala in preizkusila začetne interferometre. Čeprav to ni povzročilo nobenega odkritja, je pokazalo osnovne koncepte opazovalnice in rešilo številne tehnične ovire. Naslednja faza, imenovana Advanced LIGO, ki je potekala med letoma 2010 in 2015, je detektorjem omogočila, da dosežejo novo raven občutljivosti.
Te nadgradnje, ki se je zgodilo tudi pod vodstvom Barish-a, so omogočile razvoj več ključnih tehnologij, ki so na koncu omogočile prvo odkrivanje. Kot je Barish pojasnil:
»V začetni fazi LIGO smo za izolacijo detektorjev od zemeljskega gibanja uporabili sistem vzmetenja, ki je bil sestavljen iz ogledal z maso, obešenimi s klavirsko žico, in uporabljal večstopenjski pasivni amortizerji, podobni tistim v avtu. Vedeli smo, da to verjetno ne bo dovolj dobro za zaznavanje gravitacijskih valov, zato smo v laboratoriju LIGO razvili ambiciozen program za napredni LIGO, ki je vključil nov sistem vzmetenja za stabilizacijo zrcal in aktivni sistem potresne izolacije, da ga zaznamo in popravimo za predlogi tal. "
Glede na to, kako osrednji Thorne, Weiss in Barish so se ukvarjali s preučevanjem gravitacijskih valov, so bili vsi trije upravičeno priznani kot letošnji prejemniki Nobelove nagrade za fiziko. Tako Thorne kot Barish sta bila obveščena, da sta zmagala v zgodnjih jutranjih urah 3. oktobra 2017. Kot odziv na novice sta oba znanstvenika zagotovo priznala nenehna prizadevanja LIGO, znanstvenih skupin, ki so prispevale k temu, in prizadevanja Caltech in MIT pri ustvarjanju in vzdrževanju opazovalnic.
"Nagrada upravičeno pripada stotinam znanstvenikov in inženirjev LIGO, ki so zgradili in izpopolnili naše kompleksne interferometre gravitacijskega vala, in stotine znanstvenikov LIGO in Device, ki so v hrupnih podatkih LIGO našli gravitacijske valovne signale in črpali podatke valov," "Je rekel Thorne. "Žal je zaradi statuta Nobelove fundacije treba dobiti nagrado največ treh ljudi, ko je naše čudovito odkritje delo več kot tisoč."
"Ponižen sem in počaščen, da sem prejel to nagrado," je dejal Barish. »Zaznavanje gravitacijskih valov je resnično zmaga sodobne velike eksperimentalne fizike. V nekaj desetletjih sta naši ekipi Caltech in MIT razvili LIGO v neverjetno občutljivo napravo, ki je naredila odkritje. Ko je signal dosegel LIGO zaradi trka dveh zvezdnih črnih lukenj, ki se je zgodil pred 1,3 milijarde let, je znanstveno sodelovanje LIGO s 1.000 znanstveniki v nekaj minutah lahko identificiralo kandidatni dogodek in izvedlo podrobno analizo, ki je prepričljivo pokazala, da gravitacijski valovi obstajajo. "
Če pogledamo naprej, je tudi povsem jasno, da Advanved LIGO, Advanced Devica in druge opazovalnice gravitacijskih valov po vsem svetu šele začenjajo. Poleg tega, da so odkrili štiri ločene dogodke, nedavne študije kažejo, da bi odkrivanje gravitacijskih valov lahko odprlo tudi nove meje za astronomske in kozmološke raziskave.
Na primer, nedavna študija skupine raziskovalcev iz Monash centra za astrofiziko je predlagala teoretični koncept, znan kot „sirota spomin“. Po njihovih raziskavah gravitacijski valovi ne le povzročajo valove v vesolju in času, temveč puščajo trajne valove v svoji strukturi. S preučevanjem »sirote« preteklih dogodkov lahko gravitacijske valove preučimo tako, da dosežejo Zemljo in še dolgo po tem, ko minejo.
Poleg tega je avgusta objavila študijo skupina astronomov iz Centra za kozmologijo na kalifornijski univerzi Irvine, ki je pokazala, da so združitve črnih lukenj veliko bolj pogoste, kot smo mislili. Po opravljeni raziskavi kozmosa, ki je bila namenjena izračunu in kategorizaciji črnih lukenj, je skupina UCI ugotovila, da lahko v galaksiji šteje kar 100 milijonov črnih lukenj.
Druga nedavna študija je pokazala, da se lahko za zaznavanje gravitacijskih valov, ki jih ustvarijo supernove, uporabljajo tudi napredni detektorji gravitacijskih valov LIGO, GEO 600 in Devica. Z zaznavanjem valov, ki jih je ustvarila zvezda, ki eksplodirajo blizu konca življenjske dobe, bi astronomi lahko prvič videli v srcih strmoglavljenih zvezd in preizkusili mehaniko tvorbe črnih lukenj.
Nobelova nagrada za fiziko je eno najvišjih priznanj, ki se ga lahko podeli znanstveniku. Toda še večje od tega je znanje, da so velike stvari izhajale iz lastnega dela. Desetletja po tem, ko so Thorne, Weiss in Barish začeli predlagati študije gravitacijskih valov in sodelovali pri ustvarjanju detektorjev, znanstveniki z vsega sveta delajo globoka odkritja, ki spreminjajo način, kako razmišljamo o vesolju.
In kot bodo zagotovo potrdili ti znanstveniki, je to, kar smo videli do zdaj, le vrh ledene gore. Lahko si predstavljamo, da nekje Einstein žari tudi s ponosom. Tako kot druge raziskave, ki se nanašajo na njegovo teorijo splošne relativnosti, tudi študija gravitacijskih valov dokazuje, da so se tudi po stoletju njegove napovedi še vedno zaletavale!
In prepričajte se, da si oglejte ta video posnetek tiskovne konference v Caltechu, na katerem sta bila Barish in Thorn pohvaljena za svoje dosežke:
