2016. gada februārī zinātnieki, kas strādā ar lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatoriju (LIGO), izveidoja vēsturi, kad viņi paziņoja par pirmo reizi atklāto gravitācijas viļņu klātbūtni. Kopš tā laika ir notikuši vairāki atklājumi, un zinātniska sadarbība starp observatorijām, piemēram, Advanced LIGO un Advanced Virgo, ļauj sasniegt nepieredzētu jutīguma un datu apmaiņas līmeni.
Pirmoreiz gravitācijas viļņu noteikšana bija ne tikai vēsturisks sasniegums, bet arī jaunajā astrofizikas laikmetā. Tad nav brīnums, kāpēc trim pētniekiem, kuriem bija galvenā loma pirmajā atklāšanā, ir piešķirta 2017. gada Nobela prēmija fizikā. Balva tika piešķirta kopīgi Caltech profesoriem emeritusam Kipam S. Barisham kopā ar MIT profesoru emeritēto Raineru Weissu.
Vienkārši izsakoties, gravitācijas viļņi ir plankumi telpā-laikā, ko veido nozīmīgi astronomiski notikumi - piemēram, binārā melnā cauruma pāra apvienošanās. Pirmoreiz tos vairāk nekā pirms gadsimta paredzēja Einšteina vispārējās relativitātes teorija, kas norādīja, ka masīvas perturbācijas mainīs telpas-laika struktūru. Tomēr tikai pēdējos gados pirmo reizi tika novēroti pierādījumi par šiem viļņiem.
Pirmo signālu uztvēra LIGO dvīņu observatorijas - attiecīgi Hanfordā, Vašingtonā un Livingstonā, Luiziānā - un izsekoja melno molu apvienošanai 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā. Līdz šim ir bijuši četri atklājumi, un tas viss notika melno caurumu pāru apvienošanās dēļ. Tie notika 2015. gada 26. decembrī, 2017. gada 4. janvārī un 2017. gada 14. augustā, pēdējos tos atklāja LIGO un Eiropas Jaunavas gravitācijas viļņu detektors.
Par lomu, ko viņi spēlēja šajā izpildījumā, pusi no balvas kopīgi piešķīra Kalteha Barijam C. Barišam - Ronaldas un Maksīnes Lindes fizikas profesoram, emeritētajam - un Kipam Tornam, Ričardam P. Feinmanam, teorētiskās fizikas profesoram. , Emeritētais. Otra puse tika piešķirta Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT) fizikas profesoram Raineram Veisam.
Kā nesenajā Caltech preses paziņojumā sacīja Caltech prezidents Tomass F. Rozenbaums - prezidenta priekšsēdētājs Sonja un Viljams Deivids un fizikas profesors -
“Man ir prieks un pagodinājums apsveikt Kipu un Bariju, kā arī MIT Raiju Weissu ar šorīt pasniegto 2017. gada Nobela prēmiju fizikā. LIGO pirmais tiešais gravitācijas viļņu novērojums ir ārkārtējs zinātniskās redzes un noturības pierādījums. Četru gadu desmitu laikā izstrādājot izsmalcināti jūtīgu instrumentāciju, kas palielina mūsu iztēles spēju, mēs tagad spējam ieskatīties kosmiskajos procesos, kas iepriekš nebija nosakāmi. Tas patiesi ir jauna astrofizikas laikmeta sākums. ”
Šis sasniegums bija vēl iespaidīgāks, ņemot vērā, ka Alberts Einšteins, kurš pirmais paredzēja viņu eksistenci, uzskatīja, ka gravitācijas viļņi būs pārāk vāji, lai pētītu. Tomēr līdz 1960. gadiem sasniegumi lāzera tehnoloģiju jomā un jaunas atziņas par iespējamiem astrofiziskiem avotiem lika zinātniekiem secināt, ka šie viļņi patiesībā varētu būt nosakāmi.
Pirmos gravitācijas viļņu detektorus uzcēla Džozefs Vēbers, Mērlandes universitātes astrofizikas asistents. Viņa detektori, kas tika uzcelti pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, sastāvēja no lieliem alumīnija cilindriem, kurus virzīja gravitācijas viļņi. Sekoja citi mēģinājumi, taču visi izrādījās neveiksmīgi; pamudinot pāriet uz jauna veida detektoriem, kas ietver interferometriju.
Vienu no šādiem instrumentiem Veiss izstrādāja MIT, kas paļāvās uz paņēmienu, kas pazīstams kā lāzera interferometrija. Šāda veida instrumentos gravitācijas viļņus mēra, izmantojot plaši izvietotus un atdalītus spoguļus, kas atspoguļo lāzerus lielos attālumos. Kad gravitācijas viļņi liek telpai izstiepties un saspiest par bezgalīgu daudzumu, tas izraisa detektora iekšpusē atspoguļotās gaismas nelielu nomainīšanu.
Tajā pašā laikā Torns - kopā ar saviem studentiem un postdokumentiem Kaltehā - sāka strādāt, lai uzlabotu gravitācijas viļņu teoriju. Tas ietvēra jaunus aprēķinus par viļņu stiprumu un biežumu, ko rada tādi objekti kā melnie caurumi, neitronu zvaigznes un supernovas. Tā kulminācija bija 1972. gada dokuments, kuru Throne kopīgi publicēja kopā ar savu studentu Bilu Pressu un kurā tika apkopots viņu redzējums par gravitācijas viļņu izpēti.
Tajā pašā gadā Veiss publicēja arī detalizētu interferometru un to potenciāla astrofizisko pētījumu analīzi. Šajā rakstā viņš paziņoja, ka lielāka mēroga operācijām - kuru izmērs ir vairāki km vai vairāk - varētu būt šāviens gravitācijas viļņu noteikšanai. Viņš arī identificēja galvenās atklāšanas problēmas (piemēram, Zemes radītās vibrācijas) un ierosināja iespējamos risinājumus to novēršanai.
1975. gadā Veiss uzaicināja Tornu uzstāties NASA komitejas sanāksmē Vašingtonā, D.C., un viņi visu nakti pavadīja, runājot par gravitācijas eksperimentiem. Viņu sarunas rezultātā Torns devās atpakaļ uz Kaltu un ierosināja izveidot eksperimentālu gravitācijas grupu, kas darbotos ar interferometriem paralēli MIT, Glāzgovas universitātes un Garchingas universitātes (kur tika veikti līdzīgi eksperimenti) pētniekiem.
Pirmā interferometra izstrāde sākās neilgi pēc tam Kaltehā, kā rezultātā tika izveidots 40 metru (130 pēdu) prototips, lai pārbaudītu Veisa teorijas par gravitācijas viļņiem. 1984. gadā tika apvienots viss darbs, ko veica šīs attiecīgās institūcijas. Caltech un MIT ar Nacionālā zinātnes fonda (NSF) atbalstu izveidoja LIGO sadarbību un sāka darbu pie tā diviem interferometriem Hanfordā un Livingstonā.
LIGO būvniecība bija liels izaicinājums gan loģistikas, gan tehniskā ziņā. Tomēr viss tika ārkārtīgi palīdzēts, kad Bārijs Barišs (toreizējais Caltech daļiņu fiziķis) 1994. gadā kļuva par LIGO galveno izmeklētāju (PI). Pēc desmit gadu apstāšanās mēģinājumiem viņš tika arī padarīts par LIGO direktoru un atkal sāka celt tā gaitu. . Viņš arī paplašināja pētījumu komandu un izstrādāja detalizētu darba plānu NSF.
Kā norādīja Barišs, darbs, ko viņš paveica ar LIGO, bija kaut kas no sapņa:
“Es vienmēr gribēju būt eksperimentāls fiziķis, un mani piesaistīja ideja izmantot nepārtrauktu tehnoloģiju attīstību, lai veiktu fundamentālus zinātnes eksperimentus, kurus savādāk nevarētu izdarīt. LIGO ir lielisks piemērs tam, ko iepriekš nevarēja izdarīt. Lai arī tas bija ļoti liela mēroga projekts, izaicinājumi ļoti atšķīrās no tā, kā mēs veidojam tiltu vai veicam citus lielus inženiertehniskos projektus. LIGO izaicinājums bija un ir tas, kā attīstīt un noformēt progresīvus instrumentus plašā mērogā, pat projektam attīstoties. ”
Līdz 1999. gadam LIGO observatoriju būvniecība bija pabeigta, un līdz 2002. gadam LIGO sāka iegūt datus. 2008. gadā tika sākts darbs pie tā sākotnējo detektoru uzlabošanas, kas pazīstami kā Advanced LIGO Project. 40 m prototipa konvertēšana uz pašreizējiem LIGO 4 km (2,5 jūdzes) interferometriem bija milzīgs darbs, tāpēc tas bija jāsadala pa posmiem.
Pirmais solis notika no 2002. līdz 2010. gadam, kad komanda izveidoja un pārbaudīja sākotnējos interferometrus. Lai gan tas nerada nekādus atklājumus, tas demonstrēja observatorijas pamatkoncepcijas un atrisināja daudzus tehniskos šķēršļus. Nākamais posms - Advanced LIGO, kas notika no 2010. līdz 2015. gadam - ļāva detektoriem sasniegt jaunu jutības līmeni.
Šie jauninājumi, kas notika arī Barisa vadībā, ļāva attīstīt vairākas galvenās tehnoloģijas, kas galu galā ļāva veikt pirmo atklāšanu. Kā skaidroja Barišs:
“Sākotnējā LIGO fāzē, lai izolētu detektorus no zemes kustības, mēs izmantojām balstiekārtas sistēmu, kas sastāvēja no testa masas spoguļiem, kurus karājās klavieru stieple, un mēs izmantojām daudzpakāpju pasīvo amortizatoru komplektu, kas līdzīgs tiem, savā automašīnā. Mēs zinājām, ka tas, iespējams, nebūs pietiekami labs, lai noteiktu gravitācijas viļņus, tāpēc mēs LIGO laboratorijā izstrādājām vērienīgu programmu Advanced LIGO, kurā tika iekļauta jauna balstiekārtu sistēma spoguļu stabilizēšanai un aktīva seismiskās izolācijas sistēma, lai uztvertu un koriģētu zemes kustības. ”
Ņemot vērā to, kā Thorne, Weiss un Barish centās pētīt gravitācijas viļņus, visi trīs tika pamatoti atzīti par šī gada Nobela prēmijas fizikā saņēmējiem. Gan Thorne, gan Barish tika informēti, ka viņi ir uzvarējuši agrā rīta stundā, 2017. gada 3. oktobrī. Reaģējot uz jaunumiem, abi zinātnieki pārliecinājās, ka atzīst LIGO, zinātnes komandu, kas to ir ieguldījušas, un Caltech un MIT centieni izveidot un uzturēt observatorijas.
"Balva pamatoti pieder simtiem LIGO zinātnieku un inženieru, kuri uzbūvēja un pilnveidoja mūsu sarežģītos gravitācijas viļņu interferometrus, un simtiem LIGO un Jaunavas zinātnieku, kuri atrada gravitācijas viļņu signālus LIGO trokšņainajos datos un ieguva viļņu informāciju, ”Sacīja Torns. "Ir žēl, ka, ņemot vērā Nobela fonda statūtus, balva ir jānogādā ne vairāk kā trim cilvēkiem, kad mūsu brīnišķīgais atklājums ir vairāk nekā tūkstoša darbs."
"Es esmu pazemīgs un pagodināts saņemt šo balvu," sacīja Barišs. “Gravitācijas viļņu noteikšana patiešām ir mūsdienu liela mēroga eksperimentālās fizikas triumfs. Vairāku gadu desmitu laikā mūsu komandas Caltech un MIT attīstīja LIGO par neticami jutīgu ierīci, kas padarīja šo atklājumu. Kad signāls sasniedza LIGO no divu zvaigžņu zilo caurumu sadursmes, kas notika pirms 1,3 miljardiem gadu, 1000 zinātnieku spēcīgā LIGO zinātniskā sadarbība dažu minūšu laikā spēja gan noteikt kandidāta notikumu, gan veikt detalizētu analīzi, kas pārliecinoši parādīja, ka gravitācijas viļņi pastāv. ”
Raugoties nākotnē, ir arī diezgan skaidrs, ka Advanved LIGO, Advanced Virgo un citas gravitācijas viļņu observatorijas visā pasaulē tikai sāk darboties. Jaunākie pētījumi ir atklājuši ne tikai četrus atsevišķus notikumus, bet arī to, ka gravitācijas viļņu noteikšana varētu arī pavērt jaunas robežas astronomiskajiem un kosmoloģiskajiem pētījumiem.
Piemēram, nesenā Monasas astrofizikas centra pētnieku grupas pētījumā tika ierosināta teorētiskā koncepcija, kas pazīstama kā “bāreņu atmiņa”. Pēc viņu pētījumiem, gravitācijas viļņi ne tikai rada viļņus telpā-laikā, bet arī atstāj pastāvīgus viļņus tās struktūrā. Pētot pagātnes notikumu “bāreņus”, gravitācijas viļņus var izpētīt gan tad, kad tie sasniedz Zemi, gan ilgi pēc tam, kad tie pāriet.
Turklāt augustā tika izdots pētījums, ko veica Kalifornijas Ervinas universitātes Kosmoloģijas centra astronomu grupa un kas norādīja, ka melno caurumu apvienošanās ir daudz biežāka, nekā mēs domājām. Pēc kosmosa apsekojuma, kas bija paredzēts melno caurumu aprēķināšanai un kategorizēšanai, UCI komanda noteica, ka galaktikā varētu būt pat 100 miljoni melno caurumu.
Citā nesenā pētījumā tika norādīts, ka uzlaboto LIGO, GEO 600 un Jaunavas gravitācijas viļņu detektoru tīklu var izmantot arī supernovu radīto gravitācijas viļņu noteikšanai. Atklājot zvaigžņu radītos viļņus, kas eksplodē tuvu mūža ilgumam, astronomi varēja redzēt pirmo reizi sabrukušo zvaigžņu sirdīs un pārbaudīt melno caurumu veidošanās mehānismu.
Nobela prēmija fizikā ir viens no augstākajiem apbalvojumiem, ko var piešķirt zinātniekam. Bet vēl vairāk par to ir zināšanas par to, ka lielas lietas izrietēja no paša darba. Gadu desmitiem pēc tam, kad Thorne, Weiss un Barish sāka ierosināt gravitācijas viļņu pētījumus un strādāja pie detektoru izveidošanas, zinātnieki no visas pasaules veic dziļus atklājumus, kas revolucionizē to, kā mēs domājam par Visumu.
Un kā šie zinātnieki noteikti apliecinās, tas, ko mēs līdz šim esam redzējuši, ir tikai aisberga redzamā daļa. Var iedomāties, ka kaut kur arī Einšteins staro ar lepnumu. Tāpat kā citos pētījumos, kas saistīti ar viņa vispārējās relativitātes teoriju, gravitācijas viļņu izpēte pierāda, ka pat pēc gadsimta viņa prognozes joprojām bija plaisas!
Pārliecinieties arī par šo Caltech preses konferences videoklipu, kurā Barišs un Torns tika pagodināti par viņu paveikto:
