Arial fotografija LIGO. Kliknite za povečavo.
V preteklosti so astronomi lahko videli nebo samo v vidni svetlobi, pri čemer so svoje oči uporabljali kot receptorje. Kaj pa, če bi imeli gravitacijske oči? Einstein je predvideval, da bi morali najbolj ekstremni predmeti in dogodki v vesolju ustvarjati gravitacijske valove in izkrivljati prostor okoli njih. Nov eksperiment z imenom Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (ali LIGO) bi lahko prvič zaznal te gravitacijske valove.
Poslušajte intervju: Videti z Gravity Eyes (7,9 MB)
Ali pa se naročite na Podcast: universetoday.com/audio.xml
Kaj je podcast?
Fraser Cain: V redu, kaj je gravitacijski val?
Dr. Sam Waldman: Tako je mogoče razložiti gravitacijski val, če se spomnite, da masa izkrivlja vesoljski čas. Torej, če se spomnite analogije pločevine, potegnjene napete s kegljiščem, ki se je vrgel na sredino lista, upogibanje pločevine; kjer je žoga za balinanje masa in plošča predstavlja prostor-čas. Če to žogico za balinanje premikate naprej in nazaj zelo hitro, boste na rjuhi naredili valovanje. Enako velja za množice v našem vesolju. Če zvezdo premikate naprej in nazaj zelo hitro, boste v vesolju naredili valove. In te vaje v vesolju so opazne. Imenujemo jih gravitacijski valovi.
Fraser: Če bom hodil po sobi, bo to povzročilo gravitacijske valove?
Dr. Waldman: Pa bo. Kolikor vemo, gravitacija deluje na vseh lestvicah in za vse mase, vendar je vesoljski čas zelo okoren. Torej nekaj, kot je moj kilogram, ki se giblje skozi pisarno, ne bo povzročil gravitacijskih valov. Potrebni so izjemno masivni predmeti, ki se zelo hitro premikajo. Ko torej želimo zaznati gravitacijske valove, iščemo predmete v merilu sončne mase. Predvsem iščemo nevtronske zvezde, ki so med 1,5 in 3 sončne mase. Iščemo črne luknje, do nekaj sto sončnih mas. In iščemo, da se ti predmeti premikajo zelo hitro. Ko torej govorimo o nevtronski zvezdi, govorimo o nevtronski zvezdi, ki se giblje s skoraj svetlobno hitrostjo. Pravzaprav mora vibrirati s svetlobno hitrostjo, ne more se samo premikati, treba se je tresti naprej in nazaj zelo hitro. Torej so zelo edinstveni, zelo množični kataklizmični sistemi, ki jih iščemo.
Fraser: Gravitacijski valovi so čisto teoretični, kajne? Predvideval jih je Einstein, a jih še niso videli?
Dr. Waldman: Niso jih opazili, sklepali so o njih. Obstaja pulsarni sistem, katerega frekvenca se vrti navzdol s hitrostjo, skladno z oddajanjem gravitacijskih valov. To je PSR 1913 + 16. In da se orbita te zvezde spreminja. To je sklep, seveda pa to ni opazovanje neposredno gravitacijskih valov. Vendar je povsem jasno, da morajo obstajati. Če obstajajo Einsteinovi zakoni, če Splošna relativnost deluje in deluje zelo dobro na zelo dolgih lestvicah, potem obstajajo tudi gravitacijski valovi. Preprosto jih je videti.
Fraser: Kaj bo potrebno, da jih lahko zaznamo? Zveni, kot da gre za zelo kataklizmične dogodke. Velike velike črne luknje in nevtronske zvezde, ki se gibljejo naokoli, zakaj jih je tako težko najti?
Dr. Waldman: V tem sta dve komponenti. Ena stvar je, da črne luknje ne trčijo ves čas, nevtronske zvezde pa se ne tresejo na nobenem starem mestu. Torej je število dogodkov, ki lahko povzročijo opazne gravitacijske valove, pravzaprav zelo majhno. Zdaj govorimo o na primer galaksiji Mlečna pot z enim dogodkom, ki se zgodi vsakih 30-50 let.
Drugi del te enačbe pa je, da so gravitacijski valovi sami po sebi zelo majhni. Tako uvajajo tisto, čemur pravimo sev; to je sprememba dolžine na enoto dolžine. Na primer, če imam merilno palico dolg en meter, in gravitacijski val bo škropil to merilo, ko bo prišel skozi. Toda raven, da bo posegla po merilih, je izredno majhna. Če imam merilno palico na 1 metru, bo to povzročilo le spremembo 10e-21 metrov. Torej gre za zelo majhno spremembo. Seveda je opazovanje 10e-21 metrov velik izziv pri opazovanju gravitacijskega vala.
Fraser: Če bi merili dolžino merilne palice z drugo merilno palico, bi se dolžina te druge meritve spreminjala. Vidim, da je to težko storiti.
Dr. Waldman: Točno, tako da imate težave. Način reševanja meril je, da dejansko imamo dve merici in jih oblikujemo v L. In način merjenja je uporaba laserja. In način, kako smo si uredili merilnico, je pravzaprav v 4-kilometrski dolgi L. Dve roki sta dolgi 4 km. In na koncu vsake roke je 4-kilogramska kremenčeva testna masa, iz katere se odbijamo laserji. In ko gravitacijski val pride skozi ta detektor v obliki črke L, iztegne eno nogo, medtem ko drugo skrči. In to stori na recimo 100 hertov, znotraj zvočnih frekvenc. Če torej poslušate gibanje teh množic, slišite brenčanje pri 100 hertz. Torej, kar merimo z našimi laserji, je razlika dolžine roke tega velikega interferometra v obliki črke L. Zato je LIGO To je observatorij gravitacijskega valovanja z laserskim interferometrom.
Fraser: Poglejmo, če to pravilno razumem. Pred milijardami let se črna luknja trči v drugo in ustvari kup gravitacijskih valov. Ti gravitacijski valovi prečkajo vesolje in se umivajo mimo Zemlje. Ko gredo mimo Zemlje, podaljšajo eno od teh ročic, drugo pa krčijo, to spremembo pa lahko zaznate s laserjem, ki skače naprej in nazaj.
Dr. Waldman: Tako je. Seveda je izziv ta, da je sprememba dolžine izredno majhna. V primeru naših 4 km interferometrov je sprememba dolžine, ki jo merimo trenutno, 10e-19 metrov. In če dodamo lestvico, je premer atomskega jedra le 10e-15 metrov. Torej je naša občutljivost subatomska.
Fraser: In kakšne vrste dogodkov bi morali na tej točki zaznati?
Dr. Waldman: Torej je to dejansko zanimivo področje. Uporabljamo analogijo, kot da gledamo vesolje z radijskimi valovi kot na vesolje s teleskopi. Stvari, ki jih vidite, so popolnoma različne. Občutljivi ste za popolnoma drugačen režim vesolja. Še posebej je LIGO občutljiv na te kataklizmične dogodke. Naše dogodke razvrstimo v 4 široke kategorije. Prvi, ki mu pravimo poči, je nekaj podobnega črni luknji. Torej pride do eksplozije supernove in toliko snovi se giblje tako hitro, da tvori črne luknje, vendar ne veste, kako izgledajo gravitacijski valovi. Vse kar veste je, da obstajajo gravitacijski valovi. To so stvari, ki se dogajajo izjemno hitro. Trajajo največ 100 milisekund, nastanejo pa iz nastanka črnih lukenj.
Naslednji dogodek je tudi, ko sta dva orbita v orbiti drug z drugim, recimo dve nevtronski zvezdi, ki krožita drug ob drugem. Sčasoma premer te orbite propade. Zvezde nevtronov se bodo združile, padle bodo druga v drugo in tvorile črno luknjo. In zadnjih nekaj orbite se nevtronske zvezde (upoštevajte, da gre za predmete, ki tehtajo 1,5 do 3 sončne mase) gibljejo z velikimi deleži hitrosti svetlobe; recimo 10%, 20% hitrosti svetlobe. In to gibanje je zelo učinkovit generator gravitacijskih valov. To je tisto, kar uporabljamo kot svojo standardno svečo. To mislimo, da vemo, da obstaja; vemo, da so tam zunaj, vendar nismo prepričani, koliko se jih odpravi naenkrat. Nismo prepričani, kako izgleda nevtronska zvezda v spirali v radijskih valovih ali rentgenskih žarkih v optičnem sevanju. Zato je malo težko natančno izračunati, kako pogosto boste videli bodisi v spiralo bodisi supernovo.
Fraser: Zdaj boste lahko zaznali njihovo smer?
Dr Waldman: Imamo dva interferometra. Dejansko imamo dve lokaciji in tri interferometre. En interferometer je v Livingstonu Louisiani, ki je severno od New Orleansa. In drugi naš interferometer je v vzhodni zvezni državi Washington. Ker imamo dva interferometra, lahko na nebu naredimo triangulacijo. Vendar je ostalo nekaj negotovosti, kje točno je izvor. Na svetu obstajajo tudi druga sodelovanja, s katerimi precej tesno sodelujemo v Nemčiji, Italiji in na Japonskem, imajo tudi detektorje. Če torej več detektorjev na več mestih vidi gravitacijski val, potem lahko dobro lokaliziramo. Upanje je, da vidimo gravitacijski val in vemo, od kod prihaja. Nato svojim radio-astronomskim kolegom in kolegom z rentgenskimi astronomi in kolegi optičnim astronomom povemo, da si ogledajo ta del neba.
Fraser: Na obzorju je nekaj novih velikih teleskopov; nadvse velik in velikansko velik, in Magellan ... veliki teleskopi, ki se spuščajo po cevi, s precej velikimi proračuni. Recimo, da lahko zanesljivo najdemo gravitacijske valove, to je skoraj tako, kot da dodaja nov spekter našemu zaznavanju. Če bi v te detektorje gravitacijskih valov vložili velike proračune, kaj menite, da bi jih lahko uporabili?
Dr. Waldman: No, kot sem že rekel, je to kot revolucija v astronomiji, ko so radijski teleskopi prvič prišli na splet. Gledamo temeljno drugačen razred pojavov. Moram reči, da je laboratorij LIGO precej velik laboratorij. Delamo več kot 150 znanstvenikov, zato je to veliko sodelovanje. In upamo, da bomo sodelovali z vsemi optičnimi in radio astronomi, ko bomo šli naprej. Toda malo je težko napovedati, kako pot bo šla znanost Mislim, da če govorite z več splošnimi relativisti, je najbolj privlačna značilnost gravitacijskih valov ta, da delamo nekaj, kar imenujemo Močna polja Splošna relativnost. To je vse, kar je Splošna relativnost, ki jo lahko merite s pogledom na zvezde in galaksije, zelo šibka. V to ni veliko mase, ne giblje se zelo hitro. Na zelo velikih razdaljah Medtem ko, ko govorimo o trku črne luknje in nevtronske zvezde, je ta zadnji trenutek, ko nevtronska zvezda pade v črno luknjo, izredno silovit in preizkuša kraljestvo splošne relativnosti, ki preprosto ni zelo dostopen z običajnimi teleskopi, z radiem, z rentgenom. Torej upanje je, da je tam nekaj bistveno nove in vznemirljive fizike. Mislim, da nas to predvsem motivira, lahko bi rekli, zabava s splošno relativnostjo.
Fraser: In kdaj upate na prvo odkritje.
Dr. Waldman: Torej interferometri LIGO - vsi trije interferometri -, ki jih upravlja LIGO, delujejo pri oblikovni občutljivosti in trenutno smo sredi našega S5; naš peti znanstveni tek, ki je celo leto. Vse, kar delamo leto dni, je, da bi iskali gravitacijske valove. Kot pri številnih stvareh v astronomiji je tudi večina počakati in videti. Če supernova ne eksplodira, je seveda ne bomo videli. In zato moramo biti čim dlje na spletu. Verjetnost opazovanja dogodka, kot dogodka supernove, se šteje, da je v naši trenutni občutljivosti mišljena, da ga bomo videli na vsakih 10–20 let. Obstaja velik razpon. V literaturi obstajajo ljudje, ki trdijo, da se bomo videli večkrat na leto, in potem obstajajo ljudje, ki trdijo, da ne bomo videli nobene, ki bi bila kdaj občutljiva. In konzervativni srednji del je enkrat na 10 let. Po drugi strani pa nadgrajujemo svoje detektorje takoj, ko se ta zagon konča. In izboljšujemo občutljivost za faktor 2, kar bi povečalo našo stopnjo zaznavanja za faktor 2 kubiki. Ker je občutljivost polmer in preverjamo glasnost v prostoru. Ko je faktor 8-10 v stopnji odkrivanja, bi morali vsako leto videti kakšen dogodek. Nato pa nadgradimo na tako imenovano Advanced LIGO, kar je faktor 10 izboljšanja občutljivosti. V tem primeru bomo skoraj zagotovo enkrat dnevno videli gravitacijske valove; vsake 2-3 dni. Ta instrument je zasnovan kot zelo pravo orodje. Želimo narediti gravitacijsko astronomijo; da se vsakih nekaj dni srečujemo z dogodki. Kot bi izstrelili satelit Swift. Takoj, ko je Swift šel navzgor, smo ves čas začeli opazovati gama žarke in podobno bo tudi Advanced LIGO.
