2016 m. Vasario mėn. Lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorijoje (LIGO) dirbantys mokslininkai padarė istoriją, kai paskelbė pirmą kartą aptikę gravitacines bangas. Nuo to laiko įvyko daugybė aptikimų, o mokslinis observatorijų, tokių kaip Advanced LIGO ir Advanced Virgo, bendradarbiavimas leidžia pasiekti precedento neturintį jautrumo ir dalijimosi duomenimis lygį.
Pirmą kartą atradus gravitacijos bangas, tai buvo ne tik istorinis pasiekimas, bet ir įvedė naują astrofizikos erą. Tad nenuostabu, kodėl trys tyrėjai, kuriems buvo svarbiausias pirmasis aptikimas, buvo apdovanoti 2017 m. Nobelio fizikos premija. Prizas buvo įteiktas kartu su „Caltech“ profesoriais emeritu Kipu S. Barishu kartu su MIT profesoriumi emeritu Raineriu Weissu.
Paprasčiau tariant, gravitacinės bangos yra erdvės laike bangos, kurias suformuoja svarbiausi astronominiai įvykiai - pavyzdžiui, dvejetainės juodosios skylės poros susijungimas. Pirmą kartą jie buvo nuspėti daugiau nei prieš šimtmetį pagal Einsteino bendrojo reliatyvumo teoriją, kuri nurodė, kad masiniai pasipiktinimai pakeis erdvės-laiko struktūrą. Tačiau tik pastaraisiais metais pirmą kartą buvo pastebėta šių bangų įrodymų.
Pirmąjį signalą aptiko LIGO dvigubos observatorijos - atitinkamai Hanforde (Vašingtonas) ir Livingstonas (Luiziana) - ir atsekė juodųjų molų susijungimą, nutolusį 1,3 milijardo šviesmečių. Iki šiol įvykdyti keturi aptikimai, kurie visi įvyko dėl juodųjų skylių porų susijungimo. Jie įvyko 2015 m. Gruodžio 26 d., 2017 m. Sausio 4 d. Ir 2017 m. Rugpjūčio 14 d. Paskutinį kartą juos aptiko LIGO ir Europos Mergelės gravitacinių bangų detektorius.
Už vaidmenį, kurį jie atliko atlikdami šį darbą, pusė premijos buvo paskirta kartu su „Caltech“ Barry C. Barishu - Ronaldo ir Maxine Linde fizikos profesoriais, emeritu - ir Kip S. Thorne, Richardu P. Feynmanu, teorinės fizikos profesoriumi. , Emeritas. Kita pusė buvo paskirta Masačusetso technologijos instituto (MIT) fizikos profesoriui emeritui Raineriui Weissui.
Kaip neseniai paskelbtame „Caltech“ pranešime spaudai sakė „Caltech“ prezidentas Thomas F. Rosenbaum - „Sonja“ ir „William Davidow“ prezidentų pirmininkas ir fizikos profesorius:
„Man malonu ir garbė pasveikinti Kipą ir Barį bei MIT Rai Weiss su šio ryto apdovanojimu už 2017 m. Nobelio fizikos premiją. Pirmasis LIGO tiesioginis gravitacinių bangų stebėjimas yra nepaprastas mokslinio regėjimo ir atkaklumo įrodymas. Per keturis dešimtmečius plėtodami išskirtinai jautrius instrumentus, skatinančius savo vaizduotę, mes dabar galime pažvelgti į kosminius procesus, kurių anksčiau nebuvo galima aptikti. Tai iš tikrųjų yra naujos astrofizikos eros pradžia. “
Šis pasiekimas buvo dar įspūdingesnis, atsižvelgiant į tai, kad Albertas Einšteinas, kuris pirmasis numatė jų egzistavimą, manė, kad gravitacijos bangos bus per silpnos tyrimui. Tačiau iki 1960 m. Lazerių technologijos pažanga ir naujos įžvalgos apie galimus astrofizikos šaltinius leido mokslininkams daryti išvadą, kad šios bangos iš tikrųjų gali būti aptinkamos.
Pirmuosius gravitacijos bangos detektorius pastatė Josephas Weberis, astrofizikas iš Merilando universiteto. Jo detektorius, kurie buvo pastatyti praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje, sudarė dideli aliuminio cilindrai, kurie bus verčiami vibruoti, perduodant gravitacines bangas. Vėliau sekė kiti bandymai, tačiau visi pasirodė nesėkmingi; paskatinus pereiti prie naujo tipo detektorių, apimančių interferometriją.
Vieną iš tokių prietaisų Weiss sukūrė MIT, kuris rėmėsi technika, vadinama lazerine interferometrija. Tokio tipo priemonėse gravitacinės bangos matuojamos naudojant plačiai išdėstytus ir atskirtus veidrodžius, atspindinčius lazerius dideliais atstumais. Kai dėl gravitacinių bangų erdvė ištempiama ir suspaudžiama iki begalybės, ji gali atspindėti detektoriaus viduje esančią šviesą.
Tuo pačiu metu Thorne'as kartu su savo studentais ir Caltech pašto dokumentais pradėjo tobulinti gravitacinių bangų teoriją. Tai apėmė naujus objektų, tokių kaip juodosios skylės, neutroninės žvaigždės ir supernovos, sukuriamų bangų stiprumo ir dažnio įvertinimus. Tai baigėsi 1972 m. Straipsnyje, kurį kartu su savo studentu Billu Press paskelbė Throne'as, kuriame buvo apibendrinta jų vizija, kaip galėtų būti tiriamos gravitacijos bangos.
Tais pačiais metais Weissas taip pat paskelbė išsamią interferometrų ir jų galimybių atlikti astrofizinius tyrimus analizę. Šiame darbe jis teigė, kad didesnio masto operacijos, kurių matmenys yra keli kilometrai ar daugiau, gali aptikti gravitacinių bangų aptikimą. Jis taip pat nustatė svarbiausius aptikimo iššūkius (pvz., Žemės vibraciją) ir pasiūlė galimus sprendimus jiems įveikti.
1975 m. Weissas pakvietė Thorne'ą kalbėti NASA komiteto posėdyje Vašingtone, D.C., ir jie visą naktį praleido kalbėdami apie gravitacinius eksperimentus. Po jų pokalbio Thorne'as grįžo į Calteh ir pasiūlė sukurti eksperimentinę gravitacijos grupę, kuri dirbtų su interferometrais kartu su MIT, Glazgo universiteto ir Garchingo universiteto (kur buvo vykdomi panašūs eksperimentai) tyrėjais.
Pirmojo interferometro kūrimas prasidėjo netrukus „Caltech“, todėl buvo sukurtas 40 metrų (130 pėdų) prototipas, skirtas Weiso teorijoms apie gravitacines bangas išbandyti. 1984 m. Visas darbas, kurį atliko šios atitinkamos institucijos, susiliejo. „Caltech“ ir MIT, remiami Nacionalinio mokslo fondo (NSF), sudarė LIGO bendradarbiavimą ir pradėjo darbus prie dviejų jo interferometrų Hanforde ir Livingstone.
LIGO statyba buvo didelis logistikos ir technikos iššūkis. Tačiau viskas buvo nepaprastai padėta, kai Barry Barish (tuometis „Caltech“ dalelių fizikas) 1994 m. Tapo LIGO vyriausiuoju tyrėju (PI). Po dešimtmečio įstrigusių bandymų jis taip pat buvo paskirtas LIGO direktoriumi ir vėl padėjo jos konstrukciją. . Jis taip pat išplėtė tyrimų komandą ir sukūrė išsamų NSF darbo planą.
Kaip nurodė Barishas, darbas, kurį jis atliko su LIGO, buvo svajonių išsipildymas:
„Aš visada norėjau būti eksperimentinis fizikas ir mane traukė mintis tęsti technikos pažangą atliekant fundamentinius mokslo eksperimentus, kurių kitaip padaryti negalima. LIGO yra puikus to, ko anksčiau negalima padaryti, pavyzdys. Nors tai buvo labai didelio masto projektas, iššūkiai labai skyrėsi nuo to, kaip mes statėme tiltą ar vykdome kitus didelius inžinerinius projektus. LIGO iššūkis buvo ir yra, kaip sukurti ir suprojektuoti pažangias priemones dideliu mastu, net ir vystantis projektui. “
Iki 1999 m. LIGO observatorijose buvo baigta statyba, o iki 2002 m. LIGO pradėjo kaupti duomenis. 2008 m. Buvo pradėti tobulinti originalūs detektoriai, žinomi kaip „Advanced LIGO Project“. 40 m prototipo pavertimas dabartiniais LIGO 4 km (2,5 myliu) interferometrais buvo didžiulis darbas, todėl jį reikėjo suskaidyti į žingsnius.
Pirmasis žingsnis buvo padarytas 2002–2010 m., Kai komanda sukūrė ir išbandė pradinius interferometrus. Nors tai neparodė jokių aptikimų, tačiau jie demonstravo pagrindines observatorijos koncepcijas ir išsprendė daugelį techninių kliūčių. Kitas etapas, vadinamas Advanced LIGO, kuris vyko 2010–2015 m., Leido detektoriams pasiekti naują jautrumo lygį.
Šie patobulinimai, kurie taip pat įvyko vadovaujant Barishui, leido sukurti keletą pagrindinių technologijų, kurios galiausiai padėjo pirmąjį aptikimą. Kaip paaiškino Barishas:
Pradiniame LIGO etape norėdami izoliuoti detektorius nuo žemės judesio, mes panaudojome pakabos sistemą, kurią sudarė bandomosios masės veidrodėliai, pakabinti fortepijono laidu, ir panaudojome daugiapakopį pasyviųjų amortizatorių rinkinį, panašų į tuos, kurie naudojami savo automobilyje. Mes žinojome, kad to greičiausiai nepakaks gravitacinėms bangoms aptikti, todėl LIGO laboratorijoje sukūrėme ambicingą programą „Advanced LIGO“, į kurią įtraukta nauja pakabos sistema veidrodžiams stabilizuoti ir aktyvi seisminė izoliacijos sistema, leidžianti jausti ir taisyti. žemės judesiai. “
Atsižvelgiant į tai, kaip Thorne'as, Weissas ir Barishas tyrinėjo gravitacines bangas, visos trys buvo teisingai pripažintos šiais metais kaip Nobelio fizikos premijos gavėjos. „Thorne“ ir „Barish“ buvo pranešta, kad jie laimėjo ankstyvą 2017 m. Spalio 3 d. Ryto valandą. Atsakydami į naujienas, abu mokslininkai tikri pripažino vykstančias LIGO, prie jos prisidėjusių mokslo grupių pastangas ir „Caltech“ ir MIT pastangų kuriant ir prižiūrint observatorijas.
„Premija teisėtai priklauso šimtams LIGO mokslininkų ir inžinierių, kurie sukūrė ir patobulino mūsų sudėtingus gravitacinių bangų interferometrus, ir šimtams LIGO ir Mergelės mokslininkų, kurie rado gravitacinių bangų signalus LIGO triukšminguose duomenyse ir išgavo bangų informaciją, - sakė Thorne'as. „Apmaudu, kad dėl Nobelio fondo įstatų premija turi būti skirta ne daugiau kaip trims žmonėms, kai mūsų nuostabus atradimas yra daugiau nei tūkstančio žmonių darbas“.
„Man nuolanka ir garbė gauti šį apdovanojimą“, - sakė Barishas. „Gravitacinių bangų aptikimas yra tikras šiuolaikinės didelio masto eksperimentinės fizikos triumfas. Per kelis dešimtmečius mūsų „Caltech“ ir MIT komandos sukūrė LIGO kaip neįtikėtinai jautrų įrenginį, kuris padarė atradimą. Kai signalas pasiekė LIGO dėl dviejų žvaigždžių juodųjų skylių susidūrimo, įvykusio prieš 1,3 milijardo metų, 1 000 mokslininkų stiprus LIGO mokslinis bendradarbiavimas sugebėjo per kelias minutes nustatyti kandidato įvykį ir atlikti išsamią analizę, kuri įtikinamai parodė, kad gravitacinės bangos egzistuoti. “
Žvelgiant į ateitį taip pat gana akivaizdu, kad „Advanved LIGO“, „Advanced Virgo“ ir kitos gravitacinių bangų observatorijos visame pasaulyje dar tik prasideda. Neseniai aptikę keturis atskirus įvykius, naujausi tyrimai parodė, kad gravitacinių bangų aptikimas taip pat galėtų atverti naujas ribas astronominiams ir kosmologiniams tyrimams.
Pavyzdžiui, naujausiame mokslininkų grupės iš Monasho astrofizikos centro tyrime buvo pasiūlyta teorinė sąvoka, vadinama „našlaičio atmintis“. Remiantis jų tyrimais, gravitacinės bangos ne tik sukelia bangas erdvės metu, bet ir palieka nuolatinius bangas jos struktūroje. Tyrinėjant praeities įvykių „našlaičius“, gravitacines bangas galima ištirti ir pasiekus Žemę, ir ilgai po jų.
Be to, rugpjūčio mėn. Kalifornijos Irvino universiteto Kosmologijos centro astronomų komanda paskelbė tyrimą, kuris nurodė, kad juodųjų skylių susiliejimai yra daug dažnesni, nei mes manėme. Atlikusi kosmoso apklausą, skirtą apskaičiuoti ir suskirstyti juodąsias skyles, UCI komanda nustatė, kad galaktikoje gali būti net 100 milijonų juodųjų skylių.
Kitas neseniai atliktas tyrimas parodė, kad išplėstinis LIGO, GEO 600 ir „Virgo“ gravitacinių bangų detektorių tinklas taip pat galėtų būti naudojamas supernovų sukuriamoms gravitacinėms bangoms aptikti. Aptikę žvaigždžių sukeltas bangas, kurios sprogsta artėjant gyvenimo laikui, astronomai galėjo pirmą kartą pamatyti griūvančių žvaigždžių širdis ir išmėginti juodųjų skylių susidarymo mechaniką.
Nobelio fizikos premija yra viena didžiausių apdovanojimų, kurie gali būti skiriami mokslininkui. Bet dar daugiau nei tai yra žinojimas, kad puikūs dalykai atsirado dėl paties žmogaus darbo. Dešimtmečiai po to, kai Thorne'as, Weissas ir Barishas pradėjo siūlyti gravitacinių bangų tyrimus ir siekdami sukurti detektorius, viso pasaulio mokslininkai daro gilius atradimus, kurie daro revoliuciją, kaip mes galvojame apie Visatą.
Ir kaip šie mokslininkai tikrai patvirtins, tai, ką mes matėme iki šiol, yra tik ledkalnio viršūnė. Galima įsivaizduoti, kad kai kur Einšteinas taip pat spindi išdidžiu. Kaip ir kiti su jo bendrojo reliatyvumo teorija susiję tyrimai, gravitacinių bangų tyrimas rodo, kad net po šimtmečio jo prognozės vis dar buvo sprogstančios!
Peržiūrėkite šį „Caltech“ spaudos konferencijos vaizdo įrašą, kuriame Barishas ir Thornas buvo pagerbti už savo pasiekimus:
