Учените чуват гравитационната ария за първи път.
Свързано съдържание
- Пет неща, които трябва да знаете за гравитационните вълни
- Седем прости начина, за които знаем, че Айнщайн е бил прав (засега)
Докато две черни дупки се спирали една към друга и се слели, те създавали пулсации в тъканта на Космоса в точно такава форма, каквато физиците предвиждат в продължение на век: гравитационни вълни. Разкрит днес по време на набор от международни пресконференции, сигналът проправя пътя за изцяло ново разбиране на Вселената.
"Това е първият път, когато Вселената ни говори чрез гравитационни вълни. Досега бяхме глухи", заяви днес директорът на лабораторията LIGO Дейвид Рейце от Университета на Флорида на пресконференция във Вашингтон, окръг Колумбия
В основата на гравитационните вълни стои теорията за гравитацията на Алберт Айнщайн, която казва, че всичко с маса изкривява самата тъкан на пространството-времето. Когато масивните обекти се движат, те създават изкривявания в космическата тъкан, генерирайки гравитационни вълни. Тези вълни пулсират през Вселената като звукови вълни, които пулсират във въздуха.
Теорията на Айнщайн предвижда, че Вселената кипи от гравитационни вълни, но досега не бяхме в състояние да ги открием, отчасти защото вълните са изключително слаби. Но дори преди модернизираните инструменти да излязат официално онлайн през миналата година, Лазерната интерферометрова гравитационна вълнова обсерватория (LIGO) вдигна ясен сигнал от мощния сблъсък на две черни дупки на 1, 3 милиарда светлинни години.
„Да се открие сигнал за гравитационна вълна, докато LIGO все още не е близо до чувствителността на дизайна в първия научен цикъл, е изумително, по добър начин е падането на челюстта“, казва Джоан Сентрела, която оглави лабораторията за гравитационна астрофизика в космическия полет на Годард на НАСА Център, преди да стане заместник-директор на отдел „Астрофизична наука“ в Годард.
Това вълнение изплува през Ливингстънската, Луизиана, обсерваторията и през останалия свят, когато екипът направи своето съобщение. Почти всичко, което астрономите научиха за Космоса, идва от различни форми на светлина, като видими, радиовълни и рентгенови лъчи. Но точно както сеизмичните вълни могат да разкрият скрити структури дълбоко в Земята, гравитационните вълни носят със себе си информация за скрити свойства на Вселената, която дори светлината не може да разкрие.
„Започнахме с високорискова работа с много висок потенциален изплащане“, каза по време на пресконференцията Кип Торн, съосновател на LIGO и гравитационен физик от Калифорнийския технологичен институт. "И днес сме тук с голям триумф - съвсем нов начин да наблюдаваме Вселената."
Ранни улики
Ловът за гравитационни вълни започва преди век, с публикуването на общата теория на относителността на Айнщайн. В средата на 70-те физиците Ръсел А. Хълс и Джоузеф Х. Тейлър-младши събраха изключително убедителни доказателства, че тези пулсации съществуват. Те измерват времето, необходимо за две орбитни неутронни звезди - смачкани ядра на някога масивни звезди - да се въртят в орбита помежду си.
Въз основа на работата на Айнщайн те знаеха, че тези звезди трябва да излъчват гравитационна енергия, докато се въртят, и че загубената енергия трябва да ги накара да се въртят една към друга. След като изучиха двете звезди през следващите няколко години, те видяха, че орбитата намалява точно с количеството, предвидено от общата относителност.
Докато тази констатация спечели дуета през 1993 г. Нобелова награда по физика, повечето физици не биха я нарекли директно откриване на гравитационни вълни.
През 2001 г. LIGO започва да работи на две места, разположени на разстояние 1 875 мили - едното в Ливингстън, Луизиана и другото в Ханфорд, Вашингтон. Няколко години по-късно европейският гравитационен вълнов телескоп Дева също дойде в интернет. И двете работеха съответно до 2010 г. и 2011 г., преди да преминат офлайн за надстройки.
Докато учените се надяваха тези първоначални обсерватории да уловят гравитационни вълни, те знаеха, че това е далечен изстрел. Тези пулсации са много слаби сигнали и инструментите не бяха достатъчно чувствителни, за да чуят шепота им. Но първоначалните тиражи служат като тестове на технологията за инструментите от следващо поколение.
Девата все още се усъвършенства, но екипът на LIGO завърши работата си и върху двата детектора през 2015 г. Сега, наречен Advanced LIGO, обсерваториите в Луизиана и Вашингтон слушаха гравитационни вълни по време на първия цикъл за наблюдение на науката между 18 септември 2015 и 12 януари, 2016 г. Сигналът, обявен днес, е взет точно преди първото официално изпълнение, тъй като екипът провеждаше оперативни тестове на детекторите.
Лазерна прецизност
За да почувствате вълна, докато преминава през Земята, са необходими много интелигентна техника, компютърна мощност и повече от 1000 учени, работещи по целия свят.
Във всяка L-образна обсерватория във формата на L се намира лазер в точката на срещата на две перпендикулярни тръби. Лазерът преминава през инструмент, който разделя светлината, така че два лъча изминават приблизително 2, 5 мили надолу по всяка тръба. Огледалата в краищата на тръбите отразяват светлината обратно към нейния източник, където чака детектор.
Обикновено светлина не каца върху детектора. Но когато гравитационната вълна преминава, тя трябва да се разтяга и да се стиска пространствено-време по предсказуем модел, като ефективно променя дължините на тръбите с малко количество - от порядъка на една хилядна от диаметъра на протона. След това малко светлина ще кацне върху детектора.
За да се отчете невероятно малката промяна, огледалата на инструмента са прикрепени към сложни системи, които ги изолират от повечето вибрации. Учените от LIGO разполагат и със специални компютърни програми, които могат да филтрират през различни видове фонов шум, като случайни тремори и да определят дали входящият сигнал съвпада с възможните астрономически източници, изчислени с помощта на обща относителност.
Сайтовете в Луизиана и Вашингтон работят заедно за проверка на мерника. „Ние не вярваме, че виждаме гравитационна вълна, освен ако и двата детектора не видят един и същ сигнал в рамките на времето, което гравитационната вълна ще отнеме за пътуване между двата обекта“, казва членът на екипа на LIGO Амбър Стювър от Държавния университет в Луизиана. В този случай вълната премина през Земята и удари двата детектора само на седем милисекунди един от друг.
След като сайтовете Луизиана и Вашингтон открият възможна гравитационна мелодия, учените започват работа по анализа. LIGO прие този сигнал на 14 септември, но едва сега може да каже с голяма сигурност, че са видели гравитационни вълни.
"Отнеха ни месеци внимателна проверка, повторна проверка, анализ, работа с всяка част от данните, за да се уверим в наблюдението", каза Reitze по време на събитието в DC. "И ние сами се убедихме, че това е така." Резултатите се появяват тази седмица в писма за физически преглед .
Изглед от въздуха на детектора LIGO в Ливингстън, Луизиана. (LIGO Laboratory) Сигналът на гравитационната вълна, който астрономите извадиха от най-новите наблюдения, съответстваше на очакванията за две черни дупки, спираловидни един към друг. Танцът изпраща гравитационни вълни с предвидима честота и сила, в зависимост от това колко далеч са предметите и от техните маси.
Тъй като те започват да танцуват по-близо, дължините на вълните на гравитационните вълни се свиват и песента им достига до по-високи тонове. Когато черните дупки се затварят за окончателната прегръдка, сигналът на гравитационната вълна има една последна висока нотка, или „чирк“, както я наричат астрономите.
Сигналът за септември се очертава красиво с това, което екипът би очаквал от две черни дупки с маса, равна на около 29 и 36 пъти по-голяма от масата на слънцето. Тези черни дупки се забиха заедно, за да създадат нова черна дупка 62 пъти по-голяма от масата на слънцето - излъчвайки 3 слънчеви маси на стойност гравитационна енергия.
Очаквай неочакваното
С това първоначално откриване астрономите се надяват, че Advanced LIGO ще продължи да улавя гравитационни вълни и да започне да събира данни за всички видове научни изследвания, от измислянето на това как работят свръхновите до научаването на първите няколко мига във Вселената. Въпреки че никой друг астрономически телескоп не е виждал следи от този сблъсък с черна дупка, някои от другите източници, които Advanced LIGO търси, трябва да имат колеги, видими за телескопите, които улавят светлина.
Това изглежда особено обещаващо, като се има предвид, че Advanced LIGO все още не е в пълната си чувствителност. Това ще дойде в следващите няколко години, казва Stuver.
Всеки от тези сигнали ще даде на астрономите онова, което никога преди не са имали: начин за изследване на екстремни случаи на гравитация и движенията на невидими обекти. Още по-вълнуващо астрономите знаят, че с всеки технологичен напредък Вселената има начин да ни изненада.
„Всеки път, когато разгледаме по нов начин и различен вид светлина, ние откриваме нещо, което не очаквахме да намерим“, казва Стювър. „И това е неочакваното нещо, което революционизира разбирането ни за Вселената.“ Не дълго след като астрономите обърнаха радио антени на небето, те откриха неочакван тип неутронна звезда, наречена пулсар. И, може би поетически, беше пулсар и неутронна звезда, които правеха орбитален танц, който Хълс и Тейлър изучаваха през 70-те години.
Сега, със зората на гравитационно-вълновата астрономия, учените имат нов инструмент за вземане на проби от Космоса. И от звука на него, ние сме в интерес на красива музика.
Забележка на редактора: Принадлежността на Джоан Центрела е коригирана.
