Anksčiau astronomai dangų galėjo pamatyti tik matomoje šviesoje, naudodami savo akis kaip receptorius. O kas, jei turėtum gravitacijos akis? Einšteinas numatė, kad patys ekstremaliausi objektai ir įvykiai Visatoje turėtų generuoti gravitacijos bangas ir iškraipyti erdvę aplink juos. Pirmasis šių gravitacijos bangų aptikimas galėtų būti atliktas nauju eksperimentu, vadinamu Lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorija (arba LIGO).
Klausykite interviu: Matymas gravitacijos akimis (7,9 MB)
Arba užsiprenumeruokite „Podcast“: universetoday.com/audio.xml
„Fraser Cain“: Viskas gerai, kas yra gravitacijos banga?
Dr Sam Waldman: Taigi gravitacijos bangą galima paaiškinti, jei atsimenate, kad masė iškraipo erdvės laiką. Taigi, jei prisimenate lakšto, įtempto į lango vidurį įmesto boulingo rutulio, analogiją, lenkimą; kur boulingo rutulys yra masė, o lapas nurodo erdvės laiką. Jei labai greitai judinsite tą boulingo rutulį pirmyn ir atgal, lape suksis virpesiai. Tas pats pasakytina ir apie mases mūsų Visatoje. Jei labai greitai judėsite žvaigžde pirmyn ir atgal, erdvės metu jūs suksitės. Stebimi tie erdvėlaikio šurmuliai. Mes juos vadiname gravitacijos bangomis.
Fraseris: Jei aš vaikštau po kambarį, ar tai sukels gravitacijos bangas?
Dr Waldman: Na, taip bus. Kiek mes žinome, gravitacija veikia visais masteliais ir visoms masėms, tačiau erdvėlaikis yra labai sustingęs. Taigi kažkas panašaus į tai, kad mano 200 svarų savaitė juda per mano kabinetą, nesukels gravitacijos bangų. Reikia labai didelių objektų, judančių labai greitai. Taigi, kai norime aptikti gravitacijos bangas, mes ieškome saulės masės objektų. Visų pirma mes ieškome neutroninių žvaigždžių, kurių masė yra nuo 1,5 iki 3. Mes ieškome juodųjų skylių, iki kelių šimtų saulės masių. Ir mes tikimės, kad šie objektai judėtų labai greitai. Taigi, kai mes kalbame apie neutroninę žvaigždę, mes kalbame apie neutroninę žvaigždę, judančią beveik šviesos greičiu. Tiesą sakant, jis turi vibruoti šviesos greičiu, jis negali tiesiog judėti, jis turi labai greitai judėti pirmyn ir atgal. Taigi, jos yra labai unikalios, labai masyvios kataklizminės sistemos, kurių ieškome.
Fraseris: Gravitacijos bangos yra grynai teorinės, tiesa? Juos numatė Einšteinas, bet jie dar nebuvo matomi?
Dr Waldman: Jie nebuvo pastebėti, jie buvo padaryti iš išvados. Yra „Pulsaro“ sistema, kurios dažnis sukasi žemyn greičiu, atitinkančiu gravitacijos bangų sklidimą. Tai 1913 + 16 PSR. Ir kad šios žvaigždės orbita keičiasi. Tai yra išvada, bet, žinoma, tai nėra tiesioginis gravitacijos bangų stebėjimas. Tačiau gana aišku, kad jie turi egzistuoti. Jei Einšteino įstatymai egzistuoja, jei veikia bendrasis reliatyvumas ir jis veikia labai gerai esant labai daug ilgio skalių, tada egzistuoja ir gravitacijos bangos. Jie tiesiog labai sunkiai pastebimi.
„Fraser“: ko prireiks norint juos aptikti? Panašu, kad tai labai kataklizminiai įvykiai. Didžiulės juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės, judančios aplink, kodėl jas taip sunku rasti?
Dr Waldman: Tam yra du komponentai. Vienas dalykas yra tai, kad juodosios skylės nesusiduria visą laiką, o neutroninės žvaigždės nesiskleidžia vienoje senoje vietoje. Taigi įvykių, galinčių sukelti stebimas gravitacijos bangas, skaičius yra labai mažas. Dabar mes kalbame apie, pavyzdžiui, Paukščių Tako galaktiką, kai vienas įvykis vyksta kas 30–50 metų.
Bet kita tos lygties dalis yra ta, kad pačios gravitacijos bangos yra labai mažos. Taigi jie pristato tai, ką mes vadiname kamienu; tai ilgio pokytis ilgio vienetui. Pavyzdžiui, jei turiu vieno metro ilgio kriterijų, ir gravitacinė banga tą kriterijų išsklaidys, kai tik praeis. Tačiau lygis, kurį jis išsklaidys, yra ypač mažas. Jei turėsiu 1 metro etaloną, jis pakeis tik 10–21 metrą. Taigi tai labai mažas pokytis. Aišku, didžiausias iššūkis yra stebėti gravitacijos bangą stebint 10–21 metrą.
„Fraser“: Jei matytumėte kriterijų ilgį su kitu kriterijumi, kito šio kriterijaus ilgis pasikeistų. Matau, kad tai padaryti sunku.
Dr Waldman: Tiksliai, todėl jūs turite problemą. Kaip mes išsprendžiame kriterijaus problemą, mes iš tikrųjų turime 2 kriterijus ir mes juos formuojame į L. O būdas, kurį mes išmatuojame, yra lazerio naudojimas. Ir tai, kaip mes išdėstėme savo kriterijų, iš tikrųjų yra 4 km ilgio „L“. Yra 2 ginklai, kurių kiekvienas yra 4 km ilgio. Kiekvienos rankos gale yra 4 kg kvarco bandymo masė, nuo kurios mes nukreipiame lazerius. O kai pro šį „L“ formos detektorių ateina sunkio banga, ji ištempia vieną koją, o kita koja susitraukia. Ir tai daro sakydamas 100 Hz garso dažniu. Taigi, jei jūs klausotės šių mišių judesio, girdite švilpimą esant 100 Hz. Taigi, ką mes išmatuojame savo lazeriais, yra šio didžiojo „L“ formos interferometro rankos ilgis. Štai kodėl tai yra LIGO. Tai lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija.
Fraseris: Pažiūrėkime, ar aš tai teisingai suprantu. Prieš milijardus metų juodoji skylė susidūrė su kita ir sukuria krūvą sunkio bangų. Šios gravitacijos bangos kerta Visatą ir plauna aplink Žemę. Eidami pro Žemę, jie prailgina vieną iš šių ginklų, o kitą - susitraukia, ir jūs galite aptikti šį pokytį lazeriu šokinėjant pirmyn ir atgal.
Dr Waldman: Tai teisinga. Žinoma, iššūkis yra tas, kad tas ilgio pokytis yra labai mažas. Mūsų 4km interferometrų atveju ilgio pokytis, kurį šiuo metu matuojame, yra 10e – 19 metrų. Ir jei reikia įdėti skalę, atominio branduolio skersmuo yra tik 10–15 metrų. Taigi mūsų jautrumas yra subatominis.
„Fraser“: Taigi kokius įvykius šiuo metu turėtumėte sugebėti aptikti?
Dr Waldman: Taigi tai iš tikrųjų žavi sritis. Panaši analogija, kokią mėgstame naudoti, yra tokia, kaip žvelgiant į Visatą radijo bangomis, buvo žiūrėti į Visatą teleskopu. Tai, ką matai, yra visiškai skirtingi. Jūs esate jautrus visiškai kitam Visatos režimui. Visų pirma, LIGO yra jautrus šiems kataklizminiams įvykiams. Mes suskirstėme savo renginius į 4 plačias kategorijas. Pirmasis, kurį mes vadiname sprogimu, yra kažkas panašaus į juodosios skylės formavimąsi. Taigi įvyksta supernovos sprogimas ir tiek daug medžiagos juda taip greitai, kad sudaro juodąsias skylutes, bet jūs nežinote, kaip atrodo gravitacijos bangos. Viskas, ką žinote, yra gravitacijos bangos. Taigi tai yra dalykai, kurie vyksta ypač greitai. Jie trunka daugiausia 100 milisekundžių ir atsiranda dėl juodųjų skylių susidarymo.
Kitas įvykis, į kurį mes žiūrime, yra tada, kai du objektai yra orbitoje vienas su kitu, tarkime, dvi neutroninės žvaigždės, skriejančios aplink viena kitą. Galiausiai tos orbitos skersmuo sumažėja. Neutronų žvaigždės susilies, jos pateks viena į kitą ir sudarys juodąją skylę. Ir per keletą paskutinių orbitų tos neutronų žvaigždės (atminkite, kad tai objektai, sveriantys nuo 1,5 iki 3 saulės masių) juda didelėmis šviesos greičio dalimis; tarkime 10%, 20% šviesos greičio. Ir tas judesys yra labai efektyvus gravitacijos bangų generatorius. Taigi tai mes naudojame kaip standartinę žvakę. Štai kas, mūsų manymu, egzistuoja; mes žinome, kad jie ten, bet nežinome, kiek iš jų išvyksta vienu metu. Nesame tikri, kaip atrodo spiralės neutroninė žvaigždė radijo bangose ar rentgeno spinduliuose. Taigi šiek tiek sunku tiksliai apskaičiuoti, kaip dažnai pamatysite spiralę arba supernovą.
Fraseris: Dabar jūs galėsite nustatyti jų kryptį?
Dr Waldman: Mes turime du interferometrus. Tiesą sakant, mes turime dvi svetaines ir tris interferometrus. Vienas interferometras yra Livingstono Luizianoje, kuri yra į šiaurę nuo Naujojo Orleano. Kitas mūsų interferometras yra rytinėje Vašingtono valstijoje. Kadangi turime du interferometrus, danguje galime atlikti trikampių reguliavimą. Tačiau ten, kur tiksliai yra šaltinis, liko neaiškumų. Pasaulyje yra ir kitų bendradarbiavimų, su kuriais glaudžiai bendradarbiaujame Vokietijoje, Italijoje ir Japonijoje, jie taip pat turi detektorius. Taigi, jei keli detektoriai keliose vietose mato gravitacijos bangą, tada galime padaryti labai gerą darbą lokalizuodami. Tikimės, kad pamatysime sunkio bangą ir žinosime, iš kur ji kyla. Tada liepiame radijo astronomų kolegoms, kolegoms rentgeno spindulių astronomams ir kolegoms optiniams astronomams pažvelgti į tą dangaus dalį.
„Fraser“: horizonte yra keletas naujų didelių teleskopų; be galo dideli ir milžiniškai dideli, o Magelanas ... dideli teleskopai, einantys žemyn vamzdžio, su gana dideliais biudžetais, kuriuos reikia išleisti. Tarkime, kad galite patikimai rasti gravitacijos bangas, tai beveik kaip ir prideda naują spektrą mūsų aptikimui. Jei kai kuriems iš šių gravitacinių bangų detektorių buvo skirti dideli biudžetai, kaip, jūsų manymu, jie galėtų būti panaudoti?
Dr Waldman: Na, kaip jau sakiau anksčiau, tai panašu į astronomijos revoliuciją, kai radijo teleskopai atsirado pirmą kartą internete. Mes žiūrime į skirtingą reiškinių klasę. Turėčiau pasakyti, kad LIGO laboratorija yra gana didelė laboratorija. Dirbame daugiau nei 150 mokslininkų, todėl tai yra didelis bendradarbiavimas. Mes tikimės, kad bendradarbiaudami su visais optiniais ir radijo astronomais eisime toliau. Bet šiek tiek sunku nuspėti, kokį kelią eis mokslas. Manau, jei jūs kalbėsitės su daugeliu bendrųjų reliatyvizų, įdomiausias gravitacijos bangų bruožas yra tai, kad mes darome tai, kas vadinama „Stiprus lauko bendras reliatyvumas“. Tai yra labai silpnas bendrasis reliatyvumas, kurį galite išmatuoti žvelgdami į žvaigždes ir galaktikas. Dalyvauja nedaug masių, ji nejuda labai greitai. Jis yra labai dideliais atstumais. Kadangi, kai mes kalbame apie juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės susidūrimą, tai paskutinis kartas, kai neutroninė žvaigždė patenka į juodąją skylę, yra ypač žiaurus ir parodo bendrosios reliatyvumo sritį, kuri tiesiog nėra labai prieinamas įprastais teleskopais, su radiju, su rentgeno spinduliais. Taigi tikiuosi, kad ten yra iš esmės nauja ir įdomi fizika. Aš manau, kad būtent tai mus ir motyvuoja, galima sakyti, smagu su Bendru reliatyvumu.
„Fraser“: o kada tikiesi, kad pirmą kartą aptiksi?
Dr Waldman: Taigi visi LIGO veikiantys interferometrai - visi trys interferometrai - kuriuos veikia LIGO, yra jautrūs projektavimo jautrumui, ir mes šiuo metu esame S5 serijos viduryje; mūsų penktasis mokslo bėgimas, kuris trunka metus. Viskas, ką darome metus, bandome ieškoti gravitacijos bangų. Kaip ir daugelyje astronomijos dalykų, daugiausiai to reikia laukti. Jei supernova nesprogsta, mes, žinoma, jos nematysime. Taigi mes turime būti prisijungę kuo ilgiau. Manoma, kad tikimybė stebėti įvykius, kaip antai supernovos įvykius, yra regione - esant dabartiniam jautrumui - manoma, kad jį matysime kas 10–20 metų. Yra didelis asortimentas. Literatūroje yra žmonių, kurie tvirtina, kad per metus pamatysime daug kartų, ir tada žmonių, kurie tvirtina, kad mūsų jautrumo niekada nematys. O konservatyvus vidurio kelias yra kartą per 10 metų. Kita vertus, mes atnaujiname savo detektorius, kai tik baigsis šis ciklas. Mes pageriname jautrumą 2 kartus, o tai padidins aptikimo koeficientą 2 kubeliais. Kadangi jautrumas yra spindulys, ir mes tikriname tūrį erdvėje. Turėdami šį aptikimo koeficientą 8–10, turėtume pamatyti įvykį kartą per metus. Po to mes pereisime prie to, kas vadinama „Advanced LIGO“, o tai padidina 10 jautrumo faktorių. Tokiu atveju beveik neabejotinai matysime gravitacijos bangas vieną kartą per dieną; kas 2-3 dienas. Ši priemonė sukurta kaip labai tikra priemonė. Mes norime atlikti gravitacijos astronomiją; pamatyti įvykius kas kelias dienas. Tai bus tarsi „Swift“ palydovo paleidimas. Kai tik „Swift“ pakilo, mes visą laiką matėme gama spindulių bangas, o Advanced LIGO bus panašus.
