Στο παρελθόν, οι αστρονόμοι μπορούσαν να δουν τον ουρανό μόνο σε ορατό φως, χρησιμοποιώντας τα μάτια τους ως υποδοχείς. Τι γίνεται όμως αν έχετε μάτια βαρύτητας; Ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι τα πιο ακραία αντικείμενα και γεγονότα στο Σύμπαν θα έπρεπε να δημιουργήσουν κύματα βαρύτητας και να διαστρεβλώσουν το χώρο γύρω τους. Ένα νέο πείραμα που ονομάζεται Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (ή LIGO) θα μπορούσε να κάνει την πρώτη ανίχνευση αυτών των κυμάτων βαρύτητας.
Ακούστε τη συνέντευξη: Βλέποντας με Gravity Eyes (7,9 MB)
Ή εγγραφείτε στο Podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Εντάξει, λοιπόν, τι είναι ένα κύμα βαρύτητας;
Δρ Sam Waldman: Έτσι, ένα κύμα βαρύτητας μπορεί να εξηγηθεί αν θυμάστε ότι η μάζα στρεβλώνει το χωροχρόνο. Έτσι, αν θυμάστε την αναλογία ενός φύλλου που τεντώνεται τεντωμένο με μια μπάλα μπόουλινγκ που ρίχνεται στη μέση του φύλλου, κάμπτοντας το φύλλο. όπου η μπάλα μπόουλινγκ είναι μάζα και το φύλλο αντιπροσωπεύει το χωροχρόνο. Εάν μετακινήσετε αυτήν την μπάλα μπόουλινγκ εμπρός και πίσω πολύ γρήγορα, θα κάνετε κυματισμούς στο φύλλο. Το ίδιο ισχύει και για τις μάζες στο Σύμπαν μας. Εάν μετακινήσετε ένα αστέρι εμπρός και πίσω πολύ γρήγορα, θα κάνετε κυματισμούς στο διάστημα. Και αυτοί οι κυματισμοί στο χωροχρόνο είναι παρατηρήσιμοι. Τους αποκαλούμε κύματα βαρύτητας.
Fraser: Τώρα αν περπατώ γύρω από το δωμάτιο, αυτό θα προκαλέσει κύματα βαρύτητας;
Δρ. Waldman: Λοιπόν. Από όσο γνωρίζουμε, η βαρύτητα λειτουργεί σε όλες τις κλίμακες και για όλες τις μάζες, αλλά ο χωροχρόνος είναι πολύ σκληρός. Άρα κάτι σαν τα 200 κιλά μου που κινούνται στο γραφείο μου δεν θα προκαλέσουν κύματα βαρύτητας. Αυτό που απαιτείται είναι εξαιρετικά τεράστια αντικείμενα που κινούνται πολύ γρήγορα. Έτσι, όταν ψάχνουμε να ανιχνεύσουμε κύματα βαρύτητας, αναζητούμε αντικείμενα ηλιακής μάζας. Συγκεκριμένα, αναζητούμε αστέρια νετρονίων, τα οποία κυμαίνονται μεταξύ 1,5 και 3 ηλιακών μαζών. Ψάχνουμε για μαύρες τρύπες, έως και αρκετές εκατοντάδες ηλιακές μάζες. Και αναζητούμε αυτά τα αντικείμενα να κινούνται πολύ γρήγορα. Έτσι, όταν μιλάμε για ένα αστέρι νετρονίων, μιλάμε για ένα αστέρι νετρονίων που κινείται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Στην πραγματικότητα, πρέπει να δονείται με την ταχύτητα του φωτός, δεν μπορεί απλώς να κινείται, πρέπει να ταλαντεύεται πολύ γρήγορα. Έτσι, είναι πολύ μοναδικά, πολύ μαζικά κατακλυσμικά συστήματα που αναζητούμε.
Fraser: Τα κύματα βαρύτητας είναι καθαρά θεωρητικά, σωστά; Προβλέφθηκαν από τον Αϊνστάιν, αλλά δεν έχουν δει ακόμα;
Δρ. Waldman: Δεν έχουν παρατηρηθεί, έχουν συναχθεί. Υπάρχει ένα σύστημα πάλσαρ του οποίου η συχνότητα περιστρέφεται κάτω με ρυθμό συμβατό με την εκπομπή κυμάτων βαρύτητας. Αυτό είναι το PSR 1913 + 16. Και ότι η τροχιά αυτού του αστεριού αλλάζει. Αυτό είναι ένα συμπέρασμα, αλλά φυσικά, δεν είναι μια παρατήρηση άμεσα των βαρυτικών κυμάτων. Ωστόσο, είναι πολύ σαφές ότι πρέπει να υπάρχουν. Εάν υπάρχουν οι νόμοι του Αϊνστάιν, εάν η Γενική Σχετικότητα λειτουργεί, και λειτουργεί πολύ καλά σε πάρα πολλές κλίμακες, τότε υπάρχουν και κύματα βαρύτητας. Είναι πολύ δύσκολο να το δεις.
Fraser: Τι θα χρειαστεί για να τα εντοπίσετε; Φαίνεται ότι είναι πολύ κατακλυσμικά γεγονότα. Μεγάλες μεγάλες μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων κινούνται, γιατί είναι τόσο δύσκολο να βρεθούν;
Δρ. Waldman: Υπάρχουν δύο στοιχεία σε αυτό. Ένα πράγμα είναι ότι οι μαύρες τρύπες δεν συγκρούονται συνεχώς και τα αστέρια νετρονίων δεν κλονίζονται σε οποιοδήποτε παλιό μέρος. Έτσι, ο αριθμός των συμβάντων που μπορούν να προκαλέσουν παρατηρήσιμα κύματα βαρύτητας είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρός. Τώρα μιλάμε για, για παράδειγμα, ο Γαλαξίας με ένα γεγονός που συμβαίνει κάθε 30-50 χρόνια.
Αλλά το άλλο μέρος αυτής της εξίσωσης είναι ότι τα ίδια τα κύματα βαρύτητας είναι πολύ μικρά. Έτσι εισάγουν αυτό που λέμε στέλεχος. αυτή είναι μια αλλαγή μήκους ανά μήκος μονάδας. Για παράδειγμα, αν έχω ένα μέτρο μήκους ενός μέτρου, και ένα κύμα βαρύτητας θα σκουριάσει αυτό το κριτήριο καθώς περνάει. Αλλά το επίπεδο που θα σκουριάσει το κριτήριο είναι εξαιρετικά μικρό. Εάν έχω ένα μέτρο κριτηρίου 1 μέτρου, θα προκαλέσει αλλαγή μόνο 10e-21 μέτρων. Είναι μια πολύ μικρή αλλαγή. Φυσικά, η παρατήρηση 10e-21 μέτρων είναι εκεί όπου η μεγάλη πρόκληση είναι η παρατήρηση ενός κύματος βαρύτητας.
Fraser: Εάν μετρήσατε το μήκος ενός κριτηρίου με ένα άλλο κριτήριο, το μήκος αυτού του άλλου κριτηρίου θα άλλαζε. Το βλέπω ότι είναι δύσκολο να γίνει.
Δρ. Waldman: Ακριβώς, έτσι έχετε πρόβλημα. Ο τρόπος επίλυσης του προβλήματος είναι ότι έχουμε στην πραγματικότητα 2 μέτρα και τα διαμορφώνουμε σε L. Και ο τρόπος με τον οποίο τα μετράμε είναι να χρησιμοποιήσουμε λέιζερ. Και ο τρόπος με τον οποίο τακτοποιήσαμε το κριτήριο μας είναι στην πραγματικότητα σε "L" μήκους 4 χιλιομέτρων. Υπάρχουν 2 όπλα, το καθένα μήκους 4 χλμ. Και στο τέλος κάθε βραχίονα υπάρχει μια δοκιμαστική μάζα χαλαζία 4 κιλών από την οποία αναποδογυρίζουμε τα λέιζερ. Και όταν ένα κύμα βαρύτητας έρχεται μέσω αυτού του ανιχνευτή σχήματος "L", απλώνεται το ένα πόδι ενώ συρρικνώνεται το άλλο πόδι. Και το κάνει αυτό στα 100 hertz, σε συχνότητες ήχου. Αν λοιπόν ακούσετε την κίνηση αυτών των μαζών, θα ακούσετε έναν βουητό στα 100 hertz. Και λοιπόν, αυτό που μετράμε με τα λέιζερ είναι το διαφορικό μήκος βραχίονα αυτού του μεγάλου, ιντερφερόμετρου σχήματος "L". Γι 'αυτό είναι LIGO. Είναι το Παρατηρητήριο Βαρύτητας-Κύματος του Ιντερφερόμετρου.
Fraser: Ας δούμε αν το καταλαβαίνω σωστά. Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια μια μαύρη τρύπα συγκρούεται με μια άλλη και δημιουργεί ένα σωρό κύματα βαρύτητας. Αυτά τα κύματα βαρύτητας διασχίζουν το Σύμπαν και ξεπλένουν τη Γη. Καθώς περνούν πέρα από τη Γη, επιμηκύνουν ένα από αυτά τα χέρια και συρρικνώνουν το άλλο, και μπορείτε να εντοπίσετε αυτήν την αλλαγή με αυτό το λέιζερ που αναπηδά μπρος-πίσω.
Δρ. Waldman: Αυτό είναι σωστό. Η πρόκληση, φυσικά, είναι ότι αυτή η αλλαγή μήκους είναι εξαιρετικά μικρή. Στην περίπτωση των ιντερφερόμετρων 4 χιλιομέτρων, η αλλαγή μήκους που μετράμε τώρα είναι 10e-19 μέτρα. Και για να θέσουμε μια κλίμακα σε αυτό, η διάμετρος ενός ατομικού πυρήνα είναι μόνο 10e-15 μέτρα. Έτσι η ευαισθησία μας είναι υποατομική.
Fraser: Και τι είδους συμβάντα πρέπει να μπορείτε να εντοπίσετε σε αυτό το σημείο;
Δρ. Waldman: Αυτό είναι πραγματικά μια συναρπαστική περιοχή. Η αναλογία που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε είναι σαν να βλέπουμε το Σύμπαν με ραδιοκύματα ήταν να κοιτάζουμε το Σύμπαν με τηλεσκόπια. Τα πράγματα που βλέπετε είναι εντελώς διαφορετικά. Είστε ευαίσθητοι σε ένα εντελώς διαφορετικό καθεστώς του Σύμπαντος. Ειδικότερα, το LIGO είναι ευαίσθητο σε αυτά τα κατακλυσμικά γεγονότα. Κατατάσσουμε τις εκδηλώσεις μας σε 4 ευρείες κατηγορίες. Το πρώτο που ονομάζουμε ριπές, και αυτό μοιάζει με μια μαύρη τρύπα. Έτσι συμβαίνει μια έκρηξη σουπερνόβα και τόσο μεγάλη ύλη κινείται τόσο γρήγορα που σχηματίζει μαύρες τρύπες, αλλά δεν ξέρετε πώς μοιάζουν τα κύματα βαρύτητας. Το μόνο που γνωρίζετε είναι ότι υπάρχουν κύματα βαρύτητας. Αυτά είναι πράγματα που συμβαίνουν εξαιρετικά γρήγορα. Διαρκούν το πολύ 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου και προέρχονται από το σχηματισμό μαύρων οπών.
Ένα άλλο γεγονός που εξετάζουμε είναι όταν δύο αντικείμενα βρίσκονται σε τροχιά το ένα με το άλλο, για παράδειγμα δύο αστέρια νετρονίων σε τροχιά μεταξύ τους. Τελικά η διάμετρος αυτής της τροχιάς μειώνεται. Τα αστέρια νετρονίων θα ενώνονται, θα πέσουν μεταξύ τους και θα σχηματίσουν μια μαύρη τρύπα. Και για τις λίγες τελευταίες τροχιές, αυτά τα αστέρια νετρονίων (λάβετε υπόψη ότι είναι αντικείμενα που ζυγίζουν 1,5 έως 3 ηλιακές μάζες), κινούνται σε μεγάλα κλάσματα της ταχύτητας του φωτός. ας πούμε 10%, 20% της ταχύτητας του φωτός. Και αυτή η κίνηση είναι μια πολύ αποτελεσματική γεννήτρια κυμάτων βαρύτητας. Αυτό λοιπόν χρησιμοποιούμε ως τυπικό μας κερί. Αυτό πιστεύουμε ότι γνωρίζουμε ότι υπάρχει. ξέρουμε ότι είναι εκεί έξω, αλλά δεν είμαστε σίγουροι πόσοι από αυτούς ξεκινούν κάθε στιγμή. Δεν είμαστε σίγουροι πώς μοιάζει ένα αστέρι νετρονίων στη σπείρα στα ραδιοκύματα ή στις ακτίνες Χ, στην οπτική ακτινοβολία. Λοιπόν, είναι λίγο δύσκολο να υπολογίσετε με ακρίβεια πόσο συχνά θα βλέπετε είτε ένα σπιράλ είτε ένα σουπερνόβα.
Fraser: Τώρα θα μπορείτε να εντοπίσετε την κατεύθυνση τους;
Δρ. Waldman: Έχουμε δύο παρεμβολόμετρα. Στην πραγματικότητα έχουμε δύο τοποθεσίες και τρία παρεμβολόμετρα. Ένα ιντερφερόμετρο βρίσκεται στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνας, που βρίσκεται ακριβώς βόρεια της Νέας Ορλεάνης. Και το άλλο ιντερφερόμετρο μας βρίσκεται στην ανατολική πολιτεία της Ουάσιγκτον. Επειδή έχουμε δύο ιντερφερόμετρα, μπορούμε να κάνουμε τριγωνισμό στον ουρανό. Ωστόσο, απομένει κάποια αβεβαιότητα όπου ακριβώς βρίσκεται η πηγή. Υπάρχουν άλλες συνεργασίες στον κόσμο με τις οποίες συνεργαζόμαστε πολύ στενά στη Γερμανία, την Ιταλία και την Ιαπωνία και έχουν επίσης ανιχνευτές. Έτσι, εάν πολλοί ανιχνευτές σε πολλές τοποθεσίες βλέπουν ένα κύμα βαρύτητας, τότε μπορούμε να κάνουμε πολύ καλή δουλειά στον εντοπισμό. Η ελπίδα είναι ότι βλέπουμε ένα κύμα βαρύτητας και ξέρουμε από πού προέρχεται. Στη συνέχεια, λέμε στους συναδέλφους μας αστρονόμους ραδιοφώνου και στους συναδέλφους μας αστρονόμων ακτίνων Χ, και στους συναδέλφους οπτικών αστρονόμων μας να δουν αυτό το τμήμα του ουρανού.
Fraser: Υπάρχουν μερικά νέα μεγάλα τηλεσκόπια στον ορίζοντα. υπερβολικά μεγάλα και γιγαντιαία μεγάλα, και ο Magellan… τα μεγάλα τηλεσκόπια που κατεβαίνουν από το σωλήνα με αρκετά μεγάλους προϋπολογισμούς για να ξοδέψουν. Ας πούμε ότι μπορείτε να βρείτε αξιόπιστα κύματα βαρύτητας, είναι σχεδόν σαν να προσθέτει ένα νέο φάσμα στον εντοπισμό μας. Εάν τοποθετήθηκαν μεγάλοι προϋπολογισμοί σε ορισμένους από αυτούς τους ανιχνευτές κύματος βαρύτητας, για ποιο λόγο πιστεύετε ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν;
Δρ. Waldman: Λοιπόν, όπως είπα και πριν, είναι σαν την επανάσταση στην αστρονομία όταν τα ραδιοτηλεσκόπια ήρθαν για πρώτη φορά στο διαδίκτυο. Εξετάζουμε μια θεμελιωδώς διαφορετική κατηγορία φαινομένων. Πρέπει να πω ότι το εργαστήριο LIGO είναι ένα αρκετά μεγάλο εργαστήριο. Εργαζόμαστε πάνω από 150 επιστήμονες, οπότε είναι μια μεγάλη συνεργασία. Και ελπίζουμε να συνεργαστούμε με όλους τους αστρονόμους οπτικών και ραδιοφώνων καθώς προχωράμε. Αλλά είναι λίγο δύσκολο να προβλέψουμε ποια πορεία θα ακολουθήσει η επιστήμη. Νομίζω ότι εάν μιλάτε σε πολλούς γενικούς σχετικιστές, το πιο συναρπαστικό χαρακτηριστικό των κυμάτων βαρύτητας είναι ότι κάνουμε κάτι που ονομάζεται Strong Field General Relativity. Αυτό είναι όλο που η γενική σχετικότητα που μπορείτε να μετρήσετε κοιτάζοντας τα αστέρια και οι γαλαξίες είναι πολύ αδύναμη. Δεν υπάρχει πολλή μάζα, δεν κινείται πολύ γρήγορα. Είναι σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Ενώ, όταν μιλάμε για τη σύγκρουση μιας μαύρης τρύπας και ενός άστρου νετρονίων, αυτό το τελευταίο κομμάτι, όταν το αστέρι νετρονίων πέφτει στη μαύρη τρύπα, είναι εξαιρετικά βίαιο και διερευνά έναν κόσμο γενικής σχετικότητας που απλά δεν είναι πολύ προσβάσιμο με κανονικά τηλεσκόπια, με ραδιόφωνο, με ακτίνες Χ. Έτσι, η ελπίδα είναι ότι υπάρχουν κάποια θεμελιωδώς νέα και συναρπαστική φυσική εκεί. Νομίζω ότι αυτό που μας παρακινεί πρωτίστως είναι, θα μπορούσατε να το ονομάσετε, διασκεδαστικό με τη Γενική Σχετικότητα.
Fraser: Και πότε ελπίζετε να έχετε την πρώτη σας ανίχνευση.
Δρ. Waldman: Έτσι, τα ιντερφερόμετρα LIGO - και τα τρία ιντερφερόμετρα - που λειτουργεί το LIGO λειτουργούν με ευαισθησίες στο σχεδιασμό, και τώρα βρισκόμαστε στη μέση της λειτουργίας S5. η πέμπτη επιστημονική μας πορεία, η οποία είναι μια χρονιά. Το μόνο που κάνουμε για ένα χρόνο είναι να προσπαθήσουμε να βρούμε κύματα βαρύτητας. Όπως με πολλά πράγματα στην αστρονομία, τα περισσότερα είναι να περιμένουμε και να δούμε. Εάν μια σουπερνόβα δεν εκραγεί, δεν θα το δούμε, φυσικά. Και έτσι πρέπει να είμαστε συνδεδεμένοι όσο το δυνατόν περισσότερο. Η πιθανότητα παρακολούθησης ενός συμβάντος, όπως ένα γεγονός σουπερνόβα, πιστεύεται ότι βρίσκεται στην περιοχή - με την τρέχουσα ευαισθησία μας - πιστεύεται ότι θα βλέπουμε ένα κάθε 10-20 χρόνια. Υπάρχει μια μεγάλη γκάμα. Στη βιβλιογραφία, υπάρχουν άνθρωποι που ισχυρίζονται ότι θα βλέπουμε πολλαπλούς ετησίως, και στη συνέχεια υπάρχουν άνθρωποι που ισχυρίζονται ότι δεν θα δούμε ποτέ την ευαισθησία μας. Και το συντηρητικό μεσαίο έδαφος είναι κάθε 10 χρόνια. Από την άλλη πλευρά, αναβαθμίζουμε τους ανιχνευτές μας μόλις τελειώσει αυτή η εκτέλεση. Και βελτιώνουμε την ευαισθησία κατά έναν συντελεστή 2, κάτι που θα αύξανε το ποσοστό ανίχνευσής μας κατά έναν συντελεστή 2 κύβων. Επειδή η ευαισθησία είναι μια ακτίνα και διερευνούμε έναν όγκο στο διάστημα. Με αυτόν τον παράγοντα 8-10 στο ποσοστό ανίχνευσης, θα πρέπει να βλέπουμε ένα συμβάν μία φορά κάθε χρόνο. Και μετά από αυτό, αναβαθμίζουμε σε αυτό που ονομάζεται Advanced LIGO, το οποίο αποτελεί παράγοντα 10 βελτίωσης της ευαισθησίας. Σε αυτήν την περίπτωση, σχεδόν σίγουρα θα βλέπουμε κύματα βαρύτητας μία φορά κάθε μέρα. κάθε 2-3 ημέρες. Αυτό το όργανο έχει σχεδιαστεί για να είναι ένα πολύ πραγματικό εργαλείο. Θέλουμε να κάνουμε αστρονομία βαρύτητας. να βλέπω εκδηλώσεις κάθε λίγες μέρες. Θα ήταν σαν να εκτοξεύουμε τον δορυφόρο Swift. Μόλις ανέβηκε το Swift, αρχίσαμε να βλέπουμε εκρήξεις ακτίνων γάμμα όλη την ώρα και το Advanced LIGO θα είναι παρόμοιο.
