Łapanie fal Einsteina

Astronomowie obserwują niebo w zasadniczo ten sam sposób od prawie 400 lat. Odkąd Galileusz skierował swoje teleskopy na Księżyc w 1609 roku, używali coraz bardziej wyrafinowanych sposobów wykrywania światła emitowanego przez odległe obiekty, zbierając nie tylko światło widzialne, ale także fale radiowe, promienie rentgenowskie i inne formy promieniowania elektromagnetycznego. Ale niektóre z najbardziej ekscytujących rzeczy w kosmosie nie wysyłają światła w naszą stronę.

Absolwenci Alma Steingart i Brett Shapiro, naukowiec LIGO Rich Mittleman oraz profesor fizyki Nergis Mavalvala w laboratorium MIT LIGO.

Możliwość obserwowania wszechświata za pomocą czegoś innego niż światło może zapoczątkować nową erę astronomii – erę, o której fizycy z MIT wierzą, że wkrótce nadejdzie. Ich nadzieje zależą od wykrycia fal grawitacyjnych, rodzaju podstawowego promieniowania przewidzianego przez Einsteina w 1916 roku, ale jeszcze nieobserwowanego bezpośrednio. Uważają, że analiza fal grawitacyjnych zapewni bezprecedensowy sposób badania aktywności spiralnych gwiazd neutronowych, czarnych dziur i jąder zapadających się gwiazd.

Fale grawitacyjne są nie tylko przewidywane przez teorię względności Einsteina, ale przewidywania te są poparte pośrednimi dowodami empirycznymi, takimi jak zmiany orbit podwójnych gwiazd neutronowych, które naukowcy obserwowali od dziesięcioleci. Zanim jednak astronomowie będą mogli analizować fale grawitacyjne pochodzące z odległych obiektów, fizycy eksperymentalni muszą je bezpośrednio wykryć.

Zespół naukowców z MIT i Caltech nie może oprzeć się wyzwaniu. Wspólnie obsługują laserowe obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), finansowane przez National Science Foundation w lokalizacjach w stanie Waszyngton i Luizjanie. Zbudowany w latach 90. LIGO opiera się na projektach opracowanych w latach 70. przez Rainera Weissa ‘55, PhD ‘62, który jest obecnie emerytowanym profesorem fizyki na MIT. Wykrywając zmiany odległości między precyzyjnie skalibrowanymi lustrami, instrumenty LIGO mierzą drobne zniekształcenia w strukturze czasoprzestrzeni. W przypadku pierwszej generacji detektorów, która kosztowała 230 milionów dolarów, prawdopodobieństwo wykrycia fali grawitacyjnej było niskie. Ale fizycy LIGO sądzą, że mają teraz technologię, która pozwoli im wyjść na prostą. Dzięki ulepszeniom w pracach mają nadzieję osiągnąć dziesięciokrotny wzrost czułości – wystarczająco dużo, aby do 2014 roku wykrywać fale grawitacyjne kilka razy w miesiącu.

Fizycy ci lubią rozwiązywać jeden z najtrudniejszych problemów inżynierii precyzyjnej na świecie: pomiar odległości mniejszych niż najmniejsze jądra atomowe. To naprawdę trudne. I to ma ogromną atrakcję, mówi Nergis Mavalvala, PhD '97, profesor nadzwyczajny fizyki, który projektuje ulepszone instrumenty dla LIGO. Ale jeszcze bardziej ekscytujące niż wyzwanie jest potencjalna wypłata. Fizyka fal grawitacyjnych zmieni sposób, w jaki postrzegamy wszechświat, mówi profesor fizyki Erik Katsavounidis, który analizuje dane LIGO. W tej klasie jest niewiele rzeczy.

Od Newtona do Einsteina
Newton opisał grawitację jako siłę przyciągania między masami. Ale nawet Newton był niezadowolony ze swojej niezdolności do wyjaśnienia, co… powoduje powaga. Zostało to pozostawione Einsteinowi, który wyjaśnił, w jaki sposób powstaje grawitacja, opisując samą przestrzeń w nowy sposób.

Przed Einsteinem uważano, że przestrzeń jest absolutna, istniejąca poza wpływem poruszających się w niej mas. Einstein postrzegał przestrzeń jako plastyczną i zaproponował, że czas i przestrzeń są częścią czterowymiarowego systemu. Masy takie jak słońce zniekształcają strukturę czasoprzestrzeni, powodując to, co fizycy nazywają krzywizną czasoprzestrzeni. Ta krzywizna wpływa na ruch innych mas: innymi słowy, doświadczamy tego jako grawitacji.

Einstein stwierdził, że przyspieszanie mas powoduje falowanie w czasoprzestrzeni, przypominające fale poruszające się w wodzie w ślad za łodzią. Te czasoprzestrzenne przebudzenia nazwał falami grawitacyjnymi. Podobnie jak fale świetlne i dźwiękowe, są one opisane pod względem częstotliwości i długości fali. W równaniach Newtona siła grawitacji działa natychmiast, przybliżenie, które działa wspaniale w przypadku większości tego, co możemy zaobserwować. Ale fale grawitacyjne rozchodzą się w czasoprzestrzeni z prędkością światła. Zatem każda zmiana w przyciąganiu grawitacyjnym odległego obiektu wymaga czasu, aby dotrzeć do Ziemi, podobnie jak jego światło. Wszystko to zajmuje trochę czasu, zanim się nad tym zastanowisz, przyznaje Scott Hughes, adiunkt fizyki.

Jak mówi Mavalvala, fale grawitacyjne rozciągają się i ściskają czasoprzestrzeń. Jeśli ktoś przeszedł przez ciebie w tej chwili, możesz stać się trochę wyższy, a potem trochę niższy; trochę szerszy, potem trochę cieńszy. Podobnie, jeśli fala grawitacyjna przechodzi przez dwa obiekty, odległość między nimi jest różna. LIGO służy do pomiaru tego efektu.

Tak się składa, że ​​to, co LIGO będzie dobre w wykrywaniu, takie jak kolizje czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi, nie będzie dobrze widoczne przez teleskopy. Ale chociaż takie zjawiska są interesujące, prawdziwa wartość ich badania, mówi Hughes, polega na tym, że pozwolą nam przetestować prawa fizyki w obszarach Wszechświata bardzo niepodobnych do naszego.

Prawa Newtona działają dobrze w naszym Układzie Słonecznym, gdzie grawitacja jest słaba. Ale w pobliżu czarnych dziur, mówi Rainer Weiss, przestrzeń jest tak silnie grawitacyjna, że ​​nie jest już płaska; jest zwinięty w straszny sposób. Mówi, że dzięki LIGO będziemy widzieć rzeczy z regionów we wszechświecie, w których Einstein jest całą historią. Newton, o którym możesz zapomnieć. Fizycy mają nadzieję, że LIGO otworzy coś, co Hughes nazywa ekstremalnym laboratorium. Pomiar fal grawitacyjnych da nam wgląd w najgłębszą naturę przestrzeni i czasu, mówi Edward Bertschinger, kierownik wydziału fizyki MIT. Dopóki ich dokładnie nie przestudiujemy, nie rozumiemy grawitacji.

Jednak minęło dużo czasu, zanim establishment fizyczny uwierzył, że warto zainwestować w technologie zaprojektowane do pomiaru fal grawitacyjnych. Weiss, który całą karierę spędził w MIT, odegrał ważną rolę w odwróceniu losów.

Początki LIGO
Nawet Einstein zdawał sobie sprawę, że pomiar fal grawitacyjnych będzie trudny, jeśli nie niemożliwy. Chociaż wierzył, że naprawdę istnieją, w latach 30. fizycy zaczęli myśleć o falach grawitacyjnych jako o matematycznych ciekawostkach. I nie mając możliwości sprawdzenia swoich poglądów na ich temat, sam Einstein wycofał się ze swoich wcześniejszych twierdzeń.

Ale w 1960 roku człowiek, którego Weiss nazywa odważnym i pomysłowym wariatem, postanowił spróbować zmierzyć fale grawitacyjne. Joseph Weber, profesor na Uniwersytecie Maryland, zbudował detektor, który działał podobnie do metalowego ksylofonu; ale zamiast wibrować po uderzeniu młotkiem, wibruje po uderzeniu falami grawitacyjnymi. Weiss mówi, że Weber widział wiele wspaniałych rzeczy i twierdził, że wykrył to, co przewidział Einstein.

Problem polegał na tym, że nikt nie mógł powielić jego wyników, chociaż Weber, który zmarł w 2000 roku, utknął w nich. Weiss mówi, że bardziej ostrożny fizyk byłby bardziej sceptyczny co do własnych wniosków; spekuluje, że maszyny Webera mogły wykryć takie rzeczy, jak uderzenia pioruna lub problematyczne linie telefoniczne, ale Weber nie zbadał innych możliwych wyjaśnień jego danych. Bez niezależnego potwierdzenia fal Webera pole poszło w straszny stan, mówi Weiss.

Weiss, nie mniej pomysłowy niż Weber, był również zainteresowany grawitacją z perspektywy eksperymentalnej. Wyleciał z MIT w latach pięćdziesiątych, ale dostał kolejną szansę od legendarnego profesora fizyki Jerrolda Zachariasa, który zatrudnił go do pracy w swoim laboratorium. Po zdobyciu doktoratu na MIT Weiss spędził czas na Uniwersytecie Princeton w laboratorium Roberta Dicke'a, czołowego eksperta w dziedzinie grawitacji.

Wkrótce po tym, jak wrócił do MIT jako profesor, Weiss został przydzielony do prowadzenia zajęć z teorii względności na poziomie magisterskim. Była wiosna 1966 roku, a detektor Webera działał. Nie mogłem zrozumieć, co robi Weber, wspomina Weiss, więc postanowił wyjaśnić swoim uczniom fale grawitacyjne, wymyślając najprostsze wyjaśnienie, jak można je wykryć, jakie mogłem sobie wyobrazić. Jego pomysł polegał na użyciu interferometru, konfiguracji w kształcie litery L z równomiernie rozmieszczonych luster, która wykorzystuje światło laserowe do precyzyjnego pomiaru odległości. Gdy fale grawitacyjne przechodzą przez obiekty, rozciągają i kompresują czasoprzestrzeń w taki sposób, że zmieniają się odległości między tymi obiektami. Im większa początkowa odległość między dwoma obiektami, tym większa zmiana. Im większa zmiana, tym łatwiej ją zmierzyć.

W ciągu następnych kilku lat Weiss opracował prototypy tego, co miało stać się LIGO. Naukowcy z Caltech, a także fundatorzy z National Science Foundation, poparli jego plany, zanim zrobiła to administracja MIT; Instytut był niechętny przeznaczaniu pieniędzy na coś, co wydawało się ryzykowną propozycją. Ale kiedy współpraca Weissa z Kip Thorne z Caltech i Ronaldem Dreverem została nawiązana i finansowanie zostało zabezpieczone, MIT włączył się do akcji.

Dzisiejsze LIGO to zestaw ogromnych interferometrów, z których dwa mają czterokilometrowe ramiona, a trzeci dwukilometrowe ramiona. Bardziej jak ucho niż oko, LIGO wychwytuje wszelkie fale, które słyszy, bez względu na kierunek, z którego nadchodzą. Ale Weiss ma nadzieję, że technologia stanie się nowym rodzajem teleskopu.

W rogu każdego L znajduje się lustro, które dzieli wiązkę światła laserowego na dwie części i wysyła jedną wiązkę w dół każdego ramienia, przez uszczelnione próżniowo rurki ze stali nierdzewnej, do lustra na końcu. Lustra odbijają promienie z powrotem do narożnika, gdzie łączą się, tworząc interferencyjny wzór jasnych i ciemnych plam. Ten wzór pozostaje taki sam, dopóki nic się nie porusza. Ale jeśli fala grawitacyjna przechodzi przez interferometr, delikatnie ściska i rozciąga przestrzeń, popychając lustra tak, że wzór się zmienia.

Brzmi to dość prosto. Ale usunięcie szumu z systemu jest niezwykle skomplikowane. Wszystko inne na planecie może poruszać lustrami bardziej niż fale grawitacyjne, mówi Mavalvala z niewielką przesadą. Odhacza krótką listę zjawisk, które mogą przeszkadzać LIGO: ruchy płyt tektonicznych, fale oceaniczne, ruch drogowy, metro, a nawet tylko aktywność poruszających się ludzi. Nawet przy produkcji mikroprocesorów z bardzo małymi funkcjami rzeczy nie muszą być utrzymywane tak nieruchomo, jak w detektorach LIGO. Tylko wizjoner mógł spojrzeć na wymagania techniczne LIGO i być nieustraszonym, mówi Bertschinger.

Naukowcy LIGO analizują dane z pierwszego pełnowymiarowego uruchomienia detektorów, od listopada 2005 do października 2007. Sama ilość danych – detektory generowały około gigabajta dziennie – stanowi ogromne wyzwanie obliczeniowe. Jeszcze trudniejsze jest podjęcie decyzji, w jaki sposób ustalić, kiedy fala grawitacyjna została wykryta ponad wszelką wątpliwość. Biorąc pod uwagę spuściznę Webera, mówi Erik Katsavounidis, chcemy być całkowicie pewni.

Naukowcy uważają, że obecna technologia LIGO powinna być w stanie wykrywać gwałtowne zdarzenia kosmiczne, takie jak supernowe, o ile nie są one zbyt daleko. Jeśli chodzi o naszą galaktykę, mamy dobrą wrażliwość, mówi Katsavounidis. Jednak supernowe są rzadkie; Uważa się, że występują one w zasięgu LIGO mniej więcej raz na 30 lat. Dopóki LIGO nie będzie w stanie widzieć dalej, najlepszym potencjalnymi źródłami wykrywalnych fal grawitacyjnych mogą być obiekty, o których astrofizycy nawet jeszcze nie wiedzą.

Następne pokolenie
Korzystając z największego systemu ultrawysokiej próżni na Ziemi, LIGO może wykryć przemieszczenia zwierciadeł tak małe, jak 10-18 metrów – tysięczne wielkości jądra najmniejszego atomu. Ta czułość podwoi się w ciągu około roku, dzięki ulepszeniom, które Mavalvala porównuje do umieszczania silnika turbo w samochodzie. A zespół LIGO planuje całkowitą wymianę początkowych detektorów. Zbudowany w ramach projektu Advanced LIGO, nowy zestaw detektorów będzie 10 razy bardziej czuły, zwiększając tysiąckrotnie objętość obserwowalnej przestrzeni.

W jasno oświetlonym laboratorium zespołu LIGO o proporcjach przypominających hangar po zachodniej stronie kampusu MIT, Mavalvala chowa głowę w czapce bejsbolowej pod jedną z dwóch 15-metrowych rur ze stali nierdzewnej. Rurki łączą się w kształcie litery L, tworząc replikę interferometrów Louisiana i Washington w mniejszej skali. W pobliżu aparatura, która wydaje się być zbudowana z gigantycznego zestawu Erectora, znajduje się na podwyższonej stalowej platformie otoczonej plastikową folią. Mavalvala wyjaśnia, w jaki sposób Advanced LIGO zapewnia, że ​​platformy, na których zawieszone są lustra, pozostają bardzo, bardzo nieruchome.

Gdy urządzenie pracuje, akcelerometry na platformach wykrywają ruch, a silniki korygują go, przesuwając platformę w przeciwnym kierunku. Każde lustro będzie zwisać ze swojej platformy na drucie podtrzymującym metalowe i szklane ciężarki. Powstające wahadło ma naturalną częstotliwość niższą niż fale grawitacyjne. Kiedy platforma zostanie gwałtownie wstrząśnięta przez hałas sejsmiczny, wahadła będą buforować ruch luster, zapewniając, że niewielkie ruchy spowodowane falami grawitacyjnymi nie zostaną zamaskowane.

Te ulepszenia poprawią wrażliwość LIGO na fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości. Jednak mierząc przemieszczenia znacznie mniejsze niż atom, naukowcy muszą również zmagać się z różnymi źródłami szumu, które ograniczają czułość w innych zakresach. W zakresie pośrednim LIGO jest ograniczone przez ruch termiczny: atomy w temperaturach powyżej zera absolutnego przepychają się. W ten sposób atomy metalu w przewodach zawieszających lustra LIGO wprowadzają szum do układu. Zaawansowane LIGO wykorzystuje specjalnie wykonane włókna z gołego szkła, materiału mniej stratnego: atomy poruszają się mniej, a mniej ich ruchu jest przenoszone na lustro.

Przy wyższych częstotliwościach problemem są właściwości kwantowe światła. Kiedy dokonujesz pomiaru za pomocą światła, mówi Mavalvala, musisz poradzić sobie z właściwościami szumowymi samego światła. Większa moc lasera oznacza lepszy stosunek sygnału do szumu: Zaawansowany laser LIGO będzie miał moc 20 razy większą od obecnego.

Dzięki tym ulepszeniom powinniśmy widzieć coś raz w tygodniu, mówi David Shoemaker, SM ‘80, starszy naukowiec z MIT, który kieruje Advanced LIGO. Jeśli nic nie widzimy, coś jest nie tak z ogólną teorią względności.

Kiedy fala grawitacyjna zostanie wykryta po raz pierwszy, wszyscy będą mieli hałaśliwą imprezę, mówi Scott Hughes. Potem, gdy kac się skończy, powiemy: „Dobrze, co teraz zrobimy?”

Tworząc komputerowe modele obiektów takich jak czarne dziury, Hughes próbuje dowiedzieć się, jak wykorzystać fale grawitacyjne do astronomii. Ponieważ żadne światło nie ucieka z czarnych dziur, fizycy widzieli je tylko pośrednio – powiedzmy, poprzez wykrywanie promieni rentgenowskich emitowanych przez gwiazdy, gdy są wciągane do wnętrza jednej z nich. Ale kiedy czarne dziury coś zjadają, mówi Weiss, wypuszczają bardzo satysfakcjonujące beknięcie – falę grawitacyjną. Biorąc pod uwagę sposób, w jaki ogólna teoria względności opisuje rzeczy, biorąc pod uwagę zaprojektowane przez nas detektory, mówi Hughes, jak dokładnie mogę robić takie rzeczy, jak pomiar masy i spinu czarnej dziury?

Fizycy zadający takie pytania wychodzą w nieznane i nie potrafią przewidzieć wszystkiego, czego mogą się nauczyć. Ale, mówi Bertschinger, chcę, aby MIT był częścią tej epoki – aby uczestniczył w nadchodzącym święcie nauki.

ukryć