Arhīva LIGO fotogrāfija. Noklikšķiniet, lai palielinātu.
Agrāk astronomi varēja redzēt debesis tikai redzamā gaismā, izmantojot acis kā receptorus. Bet ko tad, ja jums būtu smaguma acis? Einšteins paredzēja, ka visekstrēmākajiem objektiem un notikumiem Visumā vajadzētu radīt gravitācijas viļņus un izkropļot telpu ap tiem. Jauns eksperiments ar nosaukumu Lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorija (vai LIGO) varētu pirmo reizi atklāt šos gravitācijas viļņus.
Klausieties interviju: Redzēšana ar Gravity Eyes (7.9 MB)
Vai arī abonējiet Podcast: universetoday.com/audio.xml
Kas ir Podcast?
Freizers Kains: Viss kārtībā, kas tad ir gravitācijas vilnis?
Dr Sam Waldman: Tātad gravitācijas vilni var izskaidrot, ja atceraties, ka masa kropļo telpas laiku. Tātad, ja atceraties analoģiju loksnei, kas savilkta ar boulinga bumbiņu, kas ievietota loksnes vidū, saliekot loksni; kur boulinga bumba ir masa un lapa apzīmē telpas laiku. Ja ļoti ātri pārvietojat šo boulinga bumbiņu uz priekšu un atpakaļ, jūs veidosit ripas loksnē. Tas pats attiecas uz masām mūsu Visumā. Ja jūs ļoti ātri pārvietojat zvaigzni uz priekšu un atpakaļ, kosmosa laikā jūs radīsit viļņus. Un tie krampji kosmosa laikā ir novērojami. Mēs tos saucam par gravitācijas viļņiem.
Freizers: Ja es staigāju pa istabu, vai tas izraisīs gravitācijas viļņus?
Dr Waldman: Nu tā būs. Cik mēs zinām, gravitācija darbojas visos mērogos un visām masām, taču kosmosa laiks ir ļoti stīvs. Tātad kaut kas līdzīgs manai 200 mārciņu pašai, kas pārvietojas pa manu biroju, neizraisīs smaguma viļņus. Nepieciešami ārkārtīgi masīvi objekti, kas pārvietojas ļoti ātri. Tāpēc, kad mēs meklējam gravitācijas viļņu noteikšanu, mēs meklējam saules masas mēroga objektus. Jo īpaši mēs meklējam neitronu zvaigznes, kas ir no 1,5 līdz 3 saules masām. Mēs meklējam melnos caurumus, līdz vairākiem simtiem saules masu. Un mēs vēlamies, lai šie objekti pārvietojas ļoti ātri. Tātad, kad mēs runājam par neitronu zvaigzni, mēs runājam par neitronu zvaigzni, kas pārvietojas gandrīz ar gaismas ātrumu. Patiesībā tai jābūt vibrējošai ar gaismas ātrumu, tā nevar tikai kustēties, tai ir ļoti strauji jākustina uz priekšu un atpakaļ. Tātad, tās ir ļoti unikālas, ļoti masīvas kataklizmiskās sistēmas, kuras mēs meklējam.
Freizers: Gravitācijas viļņi ir tīri teorētiski, vai ne? Viņus pareģoja Einšteins, bet viņi vēl nav redzēti?
Dr Waldman: Viņi netika novēroti, no viņiem tika secināts. Pastāv impulsa sistēma, kuras frekvence samazinās ar ātrumu, kas atbilst gravitācijas viļņu izstarojumam. Tas ir PSR 1913 + 16. Un ka mainās šīs zvaigznes orbīta. Tas ir secinājums, bet, protams, tas nav tiešs gravitācijas viļņu novērojums. Tomēr ir diezgan skaidrs, ka tiem ir jābūt. Ja pastāv Einšteina likumi, ja darbojas vispārējā relativitāte un tā darbojas ļoti labi ar ļoti daudziem garuma skalas, tad pastāv arī gravitācijas viļņi. Viņus ir vienkārši ļoti grūti pamanīt.
Freizers: kas nepieciešams, lai spētu tos atklāt? Izklausās, ka tie ir ļoti kataklizmiski notikumi. Apkārt pārvietojas lieli lieli melnie caurumi un neitronu zvaigznes, kāpēc tos ir tik grūti atrast?
Dr Waldman: Tam ir divas sastāvdaļas. Viena lieta ir tā, ka melnie caurumi ne vienmēr saduras, un neitronu zvaigznes nekratās gandrīz nevienā vecā vietā. Tātad to notikumu skaits, kas var izraisīt novērojamus gravitācijas viļņus, patiesībā ir ļoti mazs. Tagad mēs runājam par, piemēram, Piena Ceļa galaktiku ar vienu notikumu, kas notiek ik pēc 30-50 gadiem.
Bet otra šī vienādojuma daļa ir tāda, ka paši gravitācijas viļņi ir ļoti mazi. Tātad viņi iepazīstina ar to, ko mēs saucam par celmu; tas ir garuma izmaiņas garuma vienībā. Piemēram, ja man ir mēraukla viena metra garumā, un gravitācijas vilnis šo mērskolu izspiež cauri. Bet līmenis, kurā tas izšķirs mērauklu, ir ārkārtīgi mazs. Ja man ir 1 metra mēraukla, tas izraisīs izmaiņas tikai 10e-21 metru augstumā. Tātad tās ir ļoti ļoti mazas izmaiņas. Protams, ievērojot 10e-21 metru, lielākais izaicinājums ir gravitācijas viļņa novērošana.
Freizers: ja mērauklas garumu mērītu ar citu etalonu, šī otra mērauklas garums mainītos. Es redzu, ka to ir grūti izdarīt.
Dr Waldman: Tieši tā, tāpēc jums ir problēma. Veids, kā mēs risinām kritērija problēmu, ir tāds, ka mums faktiski ir 2 mērauklas, un mēs tos veidojam par L. Un veids, kā mēs tos mēra, ir lāzera lietošana. Un tas, kā mēs esam sakārtojuši savu mērauklu, patiesībā ir 4 km garā “L”. Ir 2 ieroči, katrs no tiem ir 4 km garš. Un katras rokas galā ir 4 kg smaga kvarca testa masa, no kuras mēs atvairām lāzerus. Un, kad caur šo “L” formas detektoru nāk smaguma vilnis, tas izstiepj vienu kāju, kamēr sarauj otru kāju. Un tas tiek darīts, teiksim, 100 Hz, audio frekvencēs. Tātad, ja klausāties šo masu kustību, jūs dzirdat troksni 100 Hz frekvencē. Un tas, ko mēs izmērām ar saviem lāzeriem, ir šī lielā, “L” formas interferometra rokas diferenciālais rokas garums. Tāpēc tā ir LIGO. Tā ir lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorija.
Freizers: redzēsim, vai es to pareizi saprotu. Pirms miljardiem gadu melnais caurums saduras ar citu un rada daudz gravitācijas viļņu. Šie gravitācijas viļņi šķērso Visumu un mazgājas garām Zemei. Ejot garām Zemei, viņi pagarina vienu no šīm rokām un sarauj otru, un jūs varat noteikt šīs izmaiņas ar lāzeru, kurš atlec uz priekšu un atpakaļ.
Dr Waldman: Tas ir pareizi. Protams, izaicinājums ir tas, ka garuma izmaiņas ir ārkārtīgi mazas. Mūsu 4km interferometru gadījumā garuma izmaiņas, kuras mēs šobrīd mēra, ir 10e-19 metri. Un, lai uzliktu skalu, atoma kodola diametrs ir tikai 10e-15 metri. Tātad mūsu jutīgums ir subatomisks.
Freizers: Un kādus notikumus jums vajadzētu spēt atklāt šajā brīdī?
Dr Waldman: Tātad šī ir patiesi aizraujoša joma. Analoģija, kuru mums patīk izmantot, ir tāda, it kā tā skatītos uz Visumu ar radioviļņiem, un skatītos uz Visumu ar teleskopiem. Jūsu redzētās lietas ir pilnīgi atšķirīgas. Jūs esat jutīgs pret pavisam citu Visuma režīmu. Jo īpaši LIGO ir jutīga pret šiem kataklizmiskajiem notikumiem. Mēs savus pasākumus iedalām 4 plašās kategorijās. Pirmais, ko mēs saucam par pārrāvumiem, ir kaut kas līdzīgs melnajam caurumam, kas veidojas. Tātad notiek supernovas sprādziens, un tik daudz vielas pārvietojas tik ātri, ka veido melnus caurumus, bet jūs nezināt, kā izskatās gravitācijas viļņi. Viss, ko jūs zināt, ir gravitācijas viļņi. Tātad šīs ir lietas, kas notiek ārkārtīgi ātri. Tās ilgst ne vairāk kā 100 milisekundes, un tās rodas, veidojot melnos caurumus.
Vēl viens notikums, kuru mēs skatāmies, ir tad, kad divi objekti atrodas orbītā viens ar otru, teiksim, divas neitronu zvaigznes, kas riņķo viena otrai apkārt. Galu galā šīs orbītas diametrs samazinās. Neitronu zvaigznes saliksies, tās iekritīs viena otrai un veidos melno caurumu. Un dažās pēdējās orbītās šīs neitronu zvaigznes (paturiet prātā, ka tie ir objekti, kas sver no 1,5 līdz 3 saules masām) pārvietojas lielās gaismas ātruma daļās; teiksim 10%, 20% no gaismas ātruma. Un šī kustība ir ļoti efektīvs gravitācijas viļņu ģenerators. Tāpēc mēs to izmantojam kā parasto sveci. Tas ir tas, ko mēs domājam, ka mēs zinām, ka pastāv; mēs zinām, ka viņi tur atrodas, taču neesam pārliecināti, cik no viņiem vienlaikus dodas prom. Mēs neesam pārliecināti, kāda izskatās spirāles neitronu zvaigzne radioviļņos vai rentgena staros. Tātad ir mazliet grūti precīzi aprēķināt, cik bieži jūs redzēsit vai nu spirālveida, vai supernovu.
Freizers: Tagad jūs varēsit noteikt viņu virzienu?
Dr Waldman: Mums ir divi interferometri. Faktiski mums ir divas vietas un trīs interferometri. Viens interferometrs atrodas Livingstonā Luiziānā, kas atrodas tieši uz ziemeļiem no Ņūorleānas. Un otrs mūsu interferometrs atrodas Vašingtonas štata austrumos. Tā kā mums ir divi interferometri, mēs varam veikt triangulāciju debesīs. Tomēr ir zināma nenoteiktība, kur tieši atrodas avots. Pasaulē ir arī citas sadarbības, ar kurām mēs cieši sadarbojamies Vācijā, Itālijā un Japānā, un viņiem ir arī detektori. Tātad, ja vairāki detektori vairākās vietās redz gravitācijas vilni, tad mēs varam veikt ļoti labu darbu lokalizācijā. Jācer, ka mēs redzam gravitācijas vilni un zinām, no kurienes tas nāk. Pēc tam mēs saviem radioastronomu kolēģiem un kolēģiem rentgenstaru astronomu un optisko astronomu kolēģiem sakām, lai viņi apskatītu šo debesu daļu.
Freizers: pie horizonta ir daži jauni lieli teleskopi; ārkārtīgi lieli un gigantiski lieli, un Magellans… lielie teleskopi, kas nāk no caurules ar diezgan lieliem budžetiem, ko tērēt. Teiksim, ka jūs varat droši atrast gravitācijas viļņus, tas ir gandrīz kā tas, ka mūsu detektēšanai tiek pievienots jauns spektrs. Ja dažiem no šiem gravitācijas viļņu detektoriem tika ielikti lieli budžeti, kā jūs domājat, kāpēc tos varētu izmantot?
Dr Waldman: Kā jau es teicu iepriekš, tas ir kā astronomijas revolūcija, kad radioteleskopi pirmo reizi parādījās tiešsaistē. Mēs aplūkojam atšķirīgi parādību klasi. Man jāsaka, ka LIGO laboratorija ir diezgan liela laboratorija. Mēs strādājam vairāk nekā 150 zinātnieku, tāpēc tā ir plaša sadarbība. Un mēs ceram sadarboties ar visiem optikas un radio astronomiem, virzoties uz priekšu. Bet ir nedaudz grūti paredzēt, kādu ceļu šī zinātne veiks. Es domāju, ka, ja jūs runājat ar daudziem vispārīgiem relativistiem, gravitācijas viļņu visaizraujošākā iezīme ir tā, ka mēs darām kaut ko ar nosaukumu Strong Field General Relativitāte. Tas ir viss vispārējais relativitātes līmenis, kuru varat izmērīt, skatoties uz zvaigznēm un galaktikām, ir ļoti vājš. Tajā nav iesaistīts liels daudzums masu, tas nevirzās ļoti ātri. Tas atrodas ļoti lielos attālumos. Tā kā, kad mēs runājam par melnā cauruma un neitronu zvaigznes sadursmi, tad pēdējais mazliet, kad neitronu zvaigzne iekrīt melnajā caurumā, ir ārkārtīgi vardarbīgs un parāda vispārējās relativitātes jomu, kas vienkārši nav ļoti pieejams ar parastajiem teleskopiem, ar radio, ar rentgena palīdzību. Tāpēc jācer, ka tur ir kāda fundamentāli jauna un aizraujoša fizika. Es domāju, ka tas, kas mūs galvenokārt motivē, jūs to varētu saukt, ir jautri ar Vispārējo relativitāti.
Freizers: Un kad jūs cerat, ka tiksit pirmo reizi atklāts?
Dr Waldman: Tātad LIGO interferometri - visi trīs interferometri -, ko darbojas LIGO, darbojas uz projektēšanas jūtīgumu, un mēs šobrīd atrodamies mūsu S5 darbības vidusdaļā; mūsu piektais zinātnes skrējiens, kas ilgst gadu. Viss, ko mēs darām gadu, ir mēģināt meklēt gravitācijas viļņus. Tāpat kā daudzās astronomijas lietās, lielākoties tas ir jāgaida un jāredz. Ja supernova nesprāgst, tad mēs to, protams, neredzēsim. Un tāpēc mums ir jābūt tiešsaistē pēc iespējas ilgāk. Tiek uzskatīts, ka varbūtība novērot notikumu, piemēram, supernovas notikumu, atrodas reģionā - pašreizējā jutībā - domājams, ka to redzēsim ik pēc 10-20 gadiem. Ir liels klāsts. Literatūrā ir ļaudis, kuri apgalvo, ka gadā mēs redzēsim vairākus, un tad ir cilvēki, kuri apgalvo, ka mēs nekad jutīsimies jutīgi. Un konservatīvs vidusceļš ir reizi 10 gados. No otras puses, mēs modernizējam detektorus, tiklīdz šī darbība ir beigusies. Un mēs uzlabojam jutīgumu ar koeficientu 2, kas palielinātu noteikšanas ātrumu par koeficientu 2 kubikmetru. Tā kā jutība ir rādiuss, un mēs pārbaudām skaļumu telpā. Ar šo koeficientu 8-10 noteikšanas pakāpē mums vajadzētu redzēt notikumu reizi gadā vai tā. Pēc tam mēs pārejam uz tā saukto Advanced LIGO, kas ir 10 jutības uzlabošanas faktors. Tādā gadījumā mēs gandrīz noteikti redzēsim gravitācijas viļņus vienu reizi dienā; ik pēc 2-3 dienām. Šis instruments ir paredzēts kā ļoti reāls instruments. Mēs vēlamies veikt gravitācijas astronomiju; redzēt notikumus ik pēc dažām dienām. Tas būs kā Swift satelīta palaišana. Tiklīdz Swift uzkāpa, mēs visu laiku sākam redzēt gamma staru pārrāvumus, un Advanced LIGO būs līdzīgs.
