A múltban a csillagászok csak az látható égben láthatták az eget, miközben a szemüket receptorokként használták. De mi van, ha lenne gravitációs szeme? Einstein azt jósolta, hogy a világegyetem legszélsőségesebb tárgyainak és eseményeinek gravitációs hullámokat kell generálniuk, és el kell torzítaniuk a teret körülöttük. Egy új kísérlet, a Lézer-interferométer Gravitációs Hullámmegfigyelő Intézet (LIGO) elnevezheti ezeket a gravitációs hullámokat elsőként.
Hallgassa meg az interjút: Látás gravitációs szemmel (7,9 MB)
Vagy iratkozz fel a Podcastra: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Rendben, szóval mi a gravitációs hullám?
Dr. Sam Waldman: Tehát a gravitációs hullám megmagyarázható, ha emlékszel arra, hogy a tömeg torzítja az űridőt. Tehát, ha emlékszel egy lap analógiájára, amelyet egy lap tetejére dobott gömbhúzóval feszesen húztak, hajlítva a lapot; ahol a tekepálya tömeg és a lap az időidőt jelöli. Ha azt a bowling-golyót nagyon gyorsan mozgatja előre-hátra, hullámok lesznek a lapon. Ugyanez igaz a világegyetem tömegeire. Ha egy csillagot nagyon gyorsan mozgat előre és hátra, hullámok lesznek az űridőben. És ezek az űridőben fellépő hullámok megfigyelhetők. Gravitációs hullámoknak hívjuk őket.
Fraser: Ha most járom a szobát, akkor ez okoz-e gravitációs hullámokat?
Dr. Waldman: Hát igen. Tudomásunk szerint a gravitáció minden léptékben és tömegben működik, de a téridő nagyon merev. Tehát olyasmi, mint az én irodámban áthaladó 200 fontos önmagam, nem okozhat gravitációs hullámokat. Szükség van a rendkívül hatalmas, nagyon gyorsan mozgó tárgyakra. Tehát amikor a gravitációs hullámokat érzékeljük, napelemes tömegű tárgyakat keresünk. Különösen olyan neutroncsillagokat keresünk, amelyek 1,5 és 3 napelemes tömeg között vannak. Fekete lyukakat keresünk, akár több száz napenergiát is. És azt várjuk, hogy ezek az objektumok nagyon gyorsan mozogjanak. Tehát amikor egy neutroncsillagról beszélünk, akkor egy olyan neutroncsillagról beszélünk, amely szinte a fénysebességgel mozog. Valójában a fény sebességén kell rezegnie, nem lehet csak mozogni, nagyon gyorsan oda-vissza kell remegnie. Tehát nagyon egyedi, nagyon hatalmas kataklizmikus rendszerek, amelyeket keresünk.
Fraser: A gravitációs hullámok pusztán elméleti, igaz? Einstein jósolta rájuk, de még nem láttak őket?
Dr. Waldman: Nem figyelték meg őket, arra következtettek. Van egy olyan Pulsar rendszer, amelynek frekvenciája lecsúszik egy olyan sebességgel, amely összhangban van a gravitációs hullámok kibocsátásával. Ez a PSR 1913 + 16. És hogy ennek a csillagnak a pályája változik. Ez egy következtetés, de természetesen ez nem közvetlenül a gravitációs hullámok megfigyelése. Ugyanakkor elég világos, hogy létezniük kell. Ha léteznek Einstein törvényei, ha az általános relativitáselmélet működik, és nagyon sok hosszúságmérlegnél nagyon jól működik, akkor a gravitációs hullámok is léteznek. Csak nagyon nehéz látni.
Fraser: Mit kell tennie, hogy felismerhessem őket? Úgy tűnik, hogy nagyon kataklizmikus események. Nagy nagy fekete lyukak és neutroncsillagok mozognak körül, miért olyan nehéz megtalálni őket?
Dr. Waldman: Ennek két eleme van. Egy dolog az, hogy a fekete lyukak nem ütköznek állandóan, és a neutroncsillagok semmilyen régi helyen nem ráznak. Tehát az események száma, amelyek megfigyelhető gravitációs hullámokat okozhatnak, valójában nagyon kicsi. Most például a Tejút galaxisról beszélünk, amelynek eseménye 30-50 évenként történik.
De az egyenlet másik része az, hogy maguk a gravitációs hullámok nagyon kicsik. Tehát bemutatják, amit törzsnek hívunk; ez egy hosszváltozás egységhosszonként. Például, ha van egy méter hosszú mércém, és egy gravitációs hullám ezt a mércét veszi át, amikor átjön. De az a szint, amellyel felmérheti a mércét, rendkívül kicsi. Ha van egy méteres mércém, akkor ez csak 10e-21 méter változást idéz elő. Tehát ez egy nagyon-nagyon kis változás. Természetesen a 10e-21 méteres megfigyelés az, ahol a legnagyobb kihívás a gravitációs hullám megfigyelése.
Fraser: Ha egy másik mércével mérné meg a mércék hosszát, akkor ennek a másik mércének a hossza megváltozik. Látom, hogy ezt nehéz megtenni.
Dr. Waldman: Pontosan, tehát van egy problémád. A kritérium-probléma megoldásának módja az, hogy valójában 2 mércével rendelkezünk, és L alakúvá alakítjuk őket. És a mérésük módja az, hogy lézert használunk. És az, ahogyan elrendeztük a mércét, valójában egy 4 km hosszú „L” -ben van. Két kar van, mindegyik 4 km hosszú. Mindegyik kar végén van egy 4 kg-os kvarc teszttömeg, amelytől a lézereket lepattanjuk. És amikor egy gravitációs hullám átjut az ezen „L” alakú detektoron, az egyik lábát kinyújtja, míg a másik lábát összehúzza. És ezt mondjuk 100 Hz-nél, hangfrekvenciákon belül. Tehát, ha meghallgatja ezeknek a tömegeknek a mozgását, 100 Hz frekvencián zajos hangot hall. És tehát amit a lézereinkkel mérünk, ennek a nagy, "L" alakú interferométernek a kar-hosszának különbsége. Ez az oka annak, hogy LIGO. Ez egy lézeres interferométer gravitációs hullámú obszervatórium.
Fraser: Nézzük meg, értem ezt helyesen. Több milliárd évvel ezelőtt egy fekete lyuk ütközik egymással, és egy csomó gravitációs hullámot generál. Ezek a gravitációs hullámok áthaladnak az Univerzumon, és elmosódnak a Földön. Ahogy elhaladnak a Földön, meghosszabbítják az egyik fegyvert, a másik pedig összehúzódik, és ezt a változást észlelheti az oda-vissza ugráló lézer segítségével.
Dr. Waldman: Így van. A kihívás természetesen az, hogy ez a hosszváltozás rendkívül kicsi. 4km-es interferométereink esetén a jelenleg megmérhető hosszúság-változás 10e-19 méter. És ehhez egy skálát kell megadni, az atommag átmérője mindössze 10e-15 méter. Tehát érzékenységünk szubatomi.
Fraser: És tehát milyen eseményeket kell észlelnie ezen a ponton?
Dr. Waldman: Tehát ez egy lenyűgöző terület. Az analógia, amelyet szeretnénk használni, olyan, mintha rádióhullámokkal nézzük az Univerzumot, az pedig, hogy távcsövekkel nézzük az Univerzumot. A látott dolgok teljesen különböznek. Ön érzékeny az univerzum teljesen más rezsimére. Különösen a LIGO érzékeny ezekre a kataklizmikus eseményekre. Eseményeinket négy nagy kategóriába soroljuk. Az elsőt, amelyet robbanásnak hívunk, és ez olyan, mint egy fekete lyuk kialakulása. Tehát szupernóva robbanás történik, és annyi anyag mozog olyan gyorsan, hogy fekete lyukakat képez, de nem tudod, hogy néznek ki a gravitációs hullámok. Csak annyit tudsz, hogy vannak gravitációs hullámok. Tehát ezek a dolgok rendkívül gyorsan történnek. Legfeljebb 100 milliszekundumig tartanak, és a fekete lyukak kialakulásával járnak.
Egy másik esemény, amelyet megvizsgálunk, amikor két objektum pályán van egymással, mondjuk két egymással keringő neutroncsillag. Végül ennek a pályának az átmérője csökken. A neutroncsillagok összeolvadnak, egymásba esnek és fekete lyukat képeznek. És a legutóbbi keringési ciklusok során ezek a neutroncsillagok (ne feledje, hogy olyan tárgyak, amelyek 1,5–3 napenergiát mérnek), a fénysebesség nagy részében mozognak; mondjuk a fénysebesség 10% -át, 20% -át. És ez a mozgás egy nagyon hatékony gravitációs hullám generátor. Szóval ezt használjuk szokásos gyertyánként. Úgy gondoljuk, hogy létezik; tudjuk, hogy odakint vannak, de nem vagyunk biztosak benne, hányan indulnak egyszerre. Nem vagyunk biztosak benne, hogy néz ki a spirálban lévő neutroncsillag a rádióhullámokban vagy a röntgen sugarakban. Tehát egy kicsit nehéz pontosan kiszámítani, hogy hányszor fog megjelenni egy spirál vagy egy szupernóva.
Fraser: Most már képes lesz észlelni az irányt?
Dr. Waldman: Két interferométerünk van. Valójában két hely és három interferométer van. Az egyik interferométer Livingston Louisiana-ban található, amely New Orleans-től északra található. És a másik interferométerünk keleti Washington államban található. Mivel két interferométerünk van, háromszögelést végezhetünk az égen. Van azonban bizonyos bizonytalanság abban, hogy hol van a forrás. Vannak más együttműködések a világon, amelyekkel nagyon szorosan együttműködünk Németországban, Olaszországban és Japánban, és detektorokkal is rendelkeznek. Tehát ha több detektor több helyszínen lát egy gravitációs hullámot, akkor nagyon jó munkát tudunk végezni a lokalizációban. A remény az, hogy látunk egy gravitációs hullámot, és tudjuk, honnan származik. Ezután megmondjuk kollégáinknak rádiócsillagokkal, röntgenfelügyeleti kollégáinkkal és optikai csillagász munkatársainkkal, hogy menjenek az ég erre a részére.
Fraser: Van néhány új nagy távcső a láthatáron; meglepően nagy és óriási nagy, és Magellan… a nagy távcsövek, amelyek jönnek le a csőből, meglehetősen nagy költségvetéssel. Tegyük fel, hogy megbízhatóan megtalálja a gravitációs hullámokat, szinte olyan, mintha új spektrumot adna a detektáláshoz. Ha ezekre a gravitációs hullámdetektorokra nagy költségvetéseket fektettek be, akkor mit gondolnak, mire használhatók fel?
Dr. Waldman: Nos, ahogy már mondtam, ez olyan, mint a csillagászat forradalma, amikor a rádióteleszkópok először csatlakoztak az internethez. A jelenségek finanszírozási szempontból eltérő osztályát vizsgáljuk. Azt kell mondanom, hogy a LIGO laboratórium meglehetősen nagy laboratórium. Több mint 150 tudósunk dolgozik, tehát nagy együttműködés. Reméljük, hogy együtt fogunk működni az összes optikai és rádiócsillaggal. De egy kicsit nehéz megjósolni, milyen utat fog elérni a tudomány. Azt hiszem, ha sok általános relativistával beszélünk, akkor a gravitációs hullámok legizgalmasabb tulajdonsága az, hogy valamit erõs mezõ általános relativitásnak hívunk. Ez az általános relativitáselmélet, amelyet meg lehet mérni a csillagokra és a galaxisokra nézve, nagyon gyenge. Nem sok tömeg vesz részt, nem mozog túl gyorsan. Nagyon nagy távolságra van. Míg amikor egy fekete lyuk és egy neutroncsillag ütközéséről beszélünk, akkor az utolsó rész, amikor a neutroncsillag a fekete lyukba esik, rendkívül erőszakos és az általános relativitáselmélet birodalmát vizsgálja, amely csak nem nagyon hozzáférhető normál távcsövekkel, rádióval, röntgenfelvétellel. Tehát a remény az, hogy van itt alapvetően új és izgalmas fizika. Azt hiszem, ez az, ami elsősorban motivál bennünket, lehetne nevezni, szórakoztató az általános relativitáselmélet.
Fraser: És mikor reméli az első észlelésed?
Dr. Waldman: Tehát a LIGO interferométerek - mindhárom interferométer - amelyeket a LIGO működtet, mind a tervezés érzékenységén működnek, és jelenleg az S5 futás közepén vagyunk; ötödik tudományos futamunk, amely egy éves futam. Egy éven keresztül csak arra törekszünk, hogy megkeressük a gravitációs hullámokat. Mint sok csillagászatban, a legtöbb vár, és vár. Ha egy szupernóva nem robbant fel, akkor természetesen nem fogjuk látni. És tehát a lehető leghosszabb ideig onlinenek kell lennünk. Úgy gondolják, hogy egy esemény, mint például a szupernóva esemény megfigyelésének valószínűsége - a jelenlegi érzékenységünk szerint - a következő régióban található: azt gondoljuk, hogy 10-20 évente ezt fogjuk látni. Nagy a választék. Az irodalomban vannak olyan emberek, akik azt állítják, hogy évente többet fogunk látni, majd vannak olyan emberek, akik azt állítják, hogy soha nem fogunk látni érzékenységünket. A konzervatív középtér pedig tízévente egyszer történik. Másrészt korszerűsítjük detektorunkat, mihelyt ez a futás véget ér. És javítjuk az érzékenységet 2-szer, ami növeli a detektálási arányt 2 kockával. Mivel az érzékenység egy sugár, és a térfogatot vizsgáljuk. Ha ez a tényező a detektálási arány 8-10, akkor évente egyszer csak egy eseményt kell látnunk. Aztán ezt követően továbbfejlesztettük az úgynevezett Advanced LIGO-ra, amely 10-szer növeli az érzékenységet. Ebben az esetben szinte biztosan látni fogjuk a gravitációs hullámokat naponta egyszer; minden 2-3 nap. Ezt az eszközt úgy tervezték, hogy egy nagyon valós eszköz legyen. Gravitációs csillagászatot akarunk tenni; néhány naponként látni az eseményeket. Olyan lesz, mint elindítani a Swift műholdat. Amint Swift felment, folyamatosan láttam a gamma sugárzást, és az Advanced LIGO hasonló lesz.
