Για τρίτη φορά μέσα σε ενάμιση χρόνο, το προηγμένο παρατηρητήριο βαρυτικών κυματοειδών αντισταθμίσεων λέιζερ ανίχνευσε κύματα βαρύτητας. Υποτιθέμενος από τον Αϊνστάιν πριν από έναν αιώνα, η ταυτοποίηση αυτών των κυματισμών στο διάστημα-χρόνου - για τρίτη φορά, όχι λιγότερο - εκπληρώνει την υπόσχεση ενός χώρου αστρονομίας που έχει δελεάσει τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες, αλλά πάντα φαινόταν να βρίσκεται απλά την προσέγγισή μας.
σχετικό περιεχόμενο
- Πώς αστροφυσικοί βρήκαν μια μαύρη τρύπα όπου κανένας άλλος δεν θα μπορούσε
- Γνωρίστε την ομάδα των επιστημόνων που ανακάλυψαν τα κύματα βαρύτητας
- Βαρύ κύματα απεργία δύο φορές
Ως αστροφυσικός της βαρυτικής κυματομορφής και μέλος της Επιστημονικής Συνεργασίας LIGO, είμαι φυσικά ενθουσιασμένος που βλέπω το όραμα ότι πολλοί από εμάς γίνονται πραγματικότητα. Αλλά έχω συνηθίσει να βρίσκω τη δουλειά μου πιο ενδιαφέρουσα και συναρπαστική από ό, τι κάνουν άλλοι άνθρωποι, οπότε ο βαθμός στον οποίο όλος ο κόσμος φαίνεται να είναι συναρπασμένος από αυτό το επίτευγμα ήρθε ως έκπληξη.
Ο ενθουσιασμός όμως είναι άξιος. Με την ανίχνευση αυτών των κυμάτων βαρύτητας για πρώτη φορά δεν επιβεβαιώσαμε μόνο μια βασική πρόβλεψη της θεωρίας γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν με πειστικό και θεαματικό τρόπο, αλλά άνοιξαμε ένα εντελώς νέο παράθυρο που θα φέρει επανάσταση στην κατανόηση του κόσμου .
Ήδη αυτά τα ευρήματα έχουν επηρεάσει την κατανόησή μας για το σύμπαν. Και η LIGO μόλις ξεκίνησε.
**********
Στον πυρήνα του, αυτός ο νέος τρόπος κατανόησης του σύμπαντος πηγάζει από τη νέα μας ικανότητα να ακούσουμε το soundtrack του. Τα κύματα βαρύτητας δεν είναι πραγματικά ηχητικά κύματα, αλλά η αναλογία είναι κατάλληλη. Και οι δύο τύποι κυμάτων φέρουν πληροφορίες με παρόμοιο τρόπο, και τα δύο είναι εντελώς ανεξάρτητα φαινόμενα από το φως.
Τα κύματα βαρύτητας είναι κυματισμοί στο διάστημα-διάστημα που διαδίδονται προς τα έξω από έντονα βίαιες και ενεργητικές διεργασίες στο διάστημα. Μπορούν να δημιουργηθούν από αντικείμενα που δεν λάμπουν και μπορούν να ταξιδεύουν μέσα από σκόνη, ύλη ή οτιδήποτε άλλο, χωρίς να απορροφούνται ή να αλλοιώνονται. Φέρνουν μοναδικές πληροφορίες για τις πηγές τους που μας φτάνουν σε μια παρθένα κατάσταση, δίνοντάς μας μια αληθινή αίσθηση της πηγής που δεν μπορεί να επιτευχθεί με οποιονδήποτε άλλο τρόπο.
Η γενική σχετικότητα μας λέει, μεταξύ άλλων, ότι κάποια αστέρια μπορούν να γίνουν τόσο πυκνά ώστε να κλείσουν από το υπόλοιπο σύμπαν. Αυτά τα εκπληκτικά αντικείμενα ονομάζονται μαύρες τρύπες. Η γενική σχετικότητα πρόβλεψε επίσης ότι όταν ζεύγη μαύρων οπών τροχιά γύρω από το ένα δίπλα στο άλλο σε ένα δυαδικό σύστημα, ανακατεύουν το χωροχρόνο, το ίδιο το ύφασμα του Κόσμου. Είναι αυτή η διαταραχή του χωροχρόνου που στέλνει ενέργεια σε όλο το σύμπαν με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων.
Αυτή η απώλεια ενέργειας αναγκάζει το δυαδικό σύστημα να σφίγγει περαιτέρω, μέχρι τελικά οι δύο μαύρες τρύπες να συνθλίψουν και να σχηματίσουν μια ενιαία μαύρη τρύπα. Αυτή η θεαματική σύγκρουση παράγει περισσότερη δύναμη στα βαρυτικά κύματα από ό, τι ακτινοβολείται ως φως από όλα τα αστέρια στο σύμπαν σε συνδυασμό. Αυτά τα καταστροφικά γεγονότα διαρκούν μόνο δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, είναι τα πιο ισχυρά φαινόμενα από τη Μεγάλη Έκρηξη.
Αυτά τα κύματα φέρουν πληροφορίες για τις μαύρες τρύπες που δεν μπορούν να κερδηθούν με οποιοδήποτε άλλο τρόπο, δεδομένου ότι τα τηλεσκόπια δεν μπορούν να δουν αντικείμενα που δεν εκπέμπουν φως. Για κάθε εκδήλωση, μπορούμε να μετρήσουμε τις μαζικές μαύρες τρύπες, το ποσοστό περιστροφής τους ή το "spin", καθώς και λεπτομέρειες σχετικά με τις τοποθεσίες και τους προσανατολισμούς τους με ποικίλους βαθμούς βεβαιότητας. Αυτές οι πληροφορίες μας επιτρέπουν να μάθουμε πώς αυτά τα αντικείμενα σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν σε κοσμικό χρόνο.
Ενώ είχαμε προηγουμένως ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη μαύρων οπών με βάση την επίδραση της βαρύτητάς τους στα περιβάλλοντα αστέρια και το φυσικό αέριο, οι λεπτομερείς πληροφορίες από τα κύματα της βαρύτητας είναι ανεκτίμητες για να μάθουν για την προέλευση αυτών των θεαματικών γεγονότων.
Αεροφωτογραφία του ανιχνευτή βαρύτητας LIGO στο Livingston, Λουιζιάνα. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
Για να ανιχνεύσουν αυτά τα απίστευτα ήσυχα μηνύματα, οι ερευνητές έχτισαν δύο όργανα LIGO, ένα στο Hanford της Ουάσινγκτον και τα άλλα 3.000 μίλια μακριά στο Livingston της Λουιζιάνα. Έχουν σχεδιαστεί για να αξιοποιήσουν τη μοναδική επίδραση που έχουν τα κύματα βαρύτητας σε ό, τι συναντούν. Όταν περάσουν τα κύματα βαρύτητας, αλλάζουν την απόσταση μεταξύ αντικειμένων. Υπάρχουν βαρυτικά κύματα που περνούν μέσα από σας τώρα, αναγκάζοντας το κεφάλι, τα πόδια σας και όλα τα ενδιάμεσα να μετακινούνται εμπρός και πίσω με ένα προβλέψιμο - αλλά αδύνατο - τρόπο.
Δεν μπορείτε να αισθανθείτε αυτό το φαινόμενο, ή ακόμη και να το δείτε με ένα μικροσκόπιο, επειδή η αλλαγή είναι τόσο απίστευτα μικροσκοπική. Τα κύματα βαρύτητας που ανιχνεύουμε με το LIGO αλλάζουν απόσταση μεταξύ κάθε άκρου των ανιχνευτών μήκους 4 χλμ. Μόνο κατά 10-18 μέτρα. Πόσο μικρό είναι αυτό; Χίλιες φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός πρωτονίου - γι 'αυτό δεν μπορούμε να περιμένουμε να το δούμε ακόμη και με ένα μικροσκόπιο.
Οι επιστήμονες της LIGO εργάζονται για την αναστολή οπτικών τους. (Εργαστήριο LIGO, CC BY-ND) Για να μετρήσει μια τέτοια απόσταση λεπτών, το LIGO χρησιμοποιεί μια τεχνική που ονομάζεται "συμβολομετρία". Οι ερευνητές χωρίζουν το φως από ένα μόνο λέιζερ σε δύο μέρη. Κάθε τμήμα ταξιδεύει έπειτα κάτω από έναν από τους δύο κάθετους βραχίονες που έχουν μήκος 2.5 μίλια περίπου. Τέλος, οι δυο συνενώνονται και επιτρέπεται να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Το όργανο βαθμονομείται προσεκτικά έτσι ώστε, ελλείψει βαρυτικού κύματος, η παρεμβολή του λέιζερ να έχει σαν αποτέλεσμα σχεδόν τέλεια ακύρωση - δεν βγαίνει φως από το συμβολόμετρο.
Ωστόσο, ένα εγκάρσιο βαρυτικό κύμα θα τεντώσει ένα βραχίονα την ίδια στιγμή που συμπιέζει τον άλλο βραχίονα. Με το σχετικό μήκος των βραχιόνων να αλλάζει, η παρεμβολή του φως λέιζερ δεν θα είναι πλέον τέλεια. Είναι αυτή η μικροσκοπική αλλαγή στο ποσό των παρεμβολών που μετράει η Advanced LIGO και αυτή η μέτρηση μας λέει ποιο πρέπει να είναι το λεπτομερές σχήμα του περαστικού βαρυτικού κύματος.
Ακούω
Ο ήχος των δύο μαύρων τρυπών που συγκρούονται:Όλα τα κύματα της βαρύτητας έχουν το σχήμα μιας «τσούρας», όπου τόσο το πλάτος (όσο και η ένταση) όσο και η συχνότητα ή το βήμα των σημάτων αυξάνονται με το χρόνο. Εντούτοις, τα χαρακτηριστικά της πηγής κωδικοποιούνται στις ακριβείς λεπτομέρειες αυτού του τραγουδιού και του πώς εξελίσσεται με το χρόνο.
Το σχήμα των βαρυτικών κυμάτων που παρατηρούμε με τη σειρά του μπορεί να μας πει λεπτομέρειες σχετικά με την πηγή που δεν μπορούσε να μετρηθεί με άλλο τρόπο. Με τις πρώτες τρεις διαπιστωμένες ανιχνεύσεις από την Advanced LIGO, διαπιστώσαμε ήδη ότι οι μαύρες τρύπες είναι πιο συχνές από ό, τι περίμενε κανείς και ότι η πιο συνηθισμένη ποικιλία, η οποία σχηματίζεται άμεσα από την κατάρρευση των μαζικών αστεριών, μπορεί να είναι πιο μαζική από ό, η σκέψη ήταν δυνατή. Όλες αυτές οι πληροφορίες μας βοηθούν να καταλάβουμε πόσο μαζικά αστέρια εξελίσσονται και πεθαίνουν.
Οι τρεις επιβεβαιωμένες ανιχνεύσεις από το LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) και μία ανίχνευση χαμηλότερης εμπιστοσύνης (LVT151012) δείχνουν έναν πληθυσμό δυαδικών μαύρων οπών αστρικής μάζας οι οποίοι, μόλις συγχωνευτούν, είναι μεγαλύτεροι από 20 ηλιακές μάζες - ήταν γνωστό πριν. (LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet), CC BY-ND) **********
Αυτό το πιο πρόσφατο γεγονός, το οποίο εντοπίσαμε στις 4 Ιανουαρίου 2017, είναι η πιο μακρινή πηγή που έχουμε παρατηρήσει μέχρι στιγμής. Επειδή τα κύματα βαρύτητας κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, όταν κοιτάμε πολύ απομακρυσμένα αντικείμενα, κοιτάμε και πάλι στο χρόνο. Αυτό το πιο πρόσφατο γεγονός είναι επίσης η πιο αρχαία πηγή βαρυτικών κυμάτων που έχουμε εντοπίσει μέχρι στιγμής, έχοντας συμβεί πριν από δύο δισεκατομμύρια χρόνια. Τότε, το ίδιο το σύμπαν ήταν 20 τοις εκατό μικρότερο από αυτό που είναι σήμερα, και η πολυκύτταρη ζωή δεν είχε ακόμη προκύψει στη Γη.
Η μάζα της τελικής μαύρης τρύπας που άφησε πίσω της μετά από αυτή την πιο πρόσφατη σύγκρουση είναι 50 φορές η μάζα του ήλιου μας. Πριν από το πρώτο ανιχνευμένο γεγονός, το οποίο ζύγιζε σε 60 φορές τη μάζα του ήλιου, οι αστρονόμοι δεν πίστευαν ότι θα μπορούσαν να σχηματιστούν τέτοιες μαζικές μαύρες τρύπες με αυτόν τον τρόπο. Ενώ το δεύτερο γεγονός ήταν μόνο 20 ηλιακές μάζες, η ανίχνευση αυτού του πρόσθετου πολύ μαζικού συμβάντος υποδηλώνει ότι τέτοια συστήματα όχι μόνο υπάρχουν, αλλά μπορεί να είναι σχετικά κοινά.
Εκτός από τις μάζες τους, οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να περιστρέφονται και οι περιστροφές τους επηρεάζουν το σχήμα της εκπομπής των βαρυτικών κυμάτων τους. Οι συνέπειες της περιστροφής είναι πιο δύσκολο να μετρηθούν, αλλά αυτό το πιο πρόσφατο γεγονός δείχνει στοιχεία όχι μόνο για περιστροφή, αλλά ενδεχομένως για περιστροφή που δεν είναι προσανατολισμένη στον ίδιο άξονα με την τροχιά του δυαδικού. Εάν η περίπτωση για μια τέτοια κακή ευθυγράμμιση μπορεί να ενισχυθεί παρατηρώντας μελλοντικά γεγονότα, θα έχει σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται αυτά τα ζεύγη μαύρης τρύπας.
Στα επόμενα χρόνια, θα έχουμε περισσότερα όργανα, όπως το LIGO, που ακούει τα βαρυτικά κύματα στην Ιταλία, την Ιαπωνία και την Ινδία, μαθαίνοντας ακόμη περισσότερα για αυτές τις πηγές. Οι συνάδελφοί μου και εγώ εξακολουθούμε να περιμένουμε με ανυπομονησία την πρώτη ανίχνευση ενός δυαδικού που περιέχει τουλάχιστον ένα αστέρι νετρονίων - ένα είδος πυκνό αστέρι που δεν ήταν αρκετά μαζικό ώστε να καταρρεύσει σε όλη τη μαύρη τρύπα.
Οι περισσότεροι αστρονόμοι πρόβλεψαν ότι θα παρατηρούσαν ζεύγη αστρίων νετρονίων πριν από τα ζεύγη μαύρης τρύπας, οπότε η συνεχιζόμενη απουσία τους θα αποτελούσε πρόκληση για τους θεωρητικούς. Η ενδεχόμενη ανίχνευσή τους θα διευκολύνει πολλές νέες δυνατότητες για ανακαλύψεις, συμπεριλαμβανομένης της προοπτικής καλύτερης κατανόησης των εξαιρετικά πυκνών καταστάσεων της ύλης και ενδεχομένως την παρατήρηση μιας μοναδικής υπογραφής φωτός χρησιμοποιώντας συμβατικά τηλεσκόπια από την ίδια πηγή όπως το σήμα βαρυτικών κυμάτων.
Αναμένουμε επίσης να εντοπίσουμε τα κύματα βαρύτητας μέσα στα επόμενα χρόνια από το διάστημα, χρησιμοποιώντας πολύ ακριβή φυσικά ρολόγια που ονομάζονται pulsars, τα οποία στέλνουν εκρήξεις ακτινοβολίας σε πολύ τακτικά διαστήματα. Τελικά σχεδιάζουμε να τοποθετήσουμε εξαιρετικά μεγάλα συμβολόμετρα στην τροχιά, όπου μπορούν να αποφύγουν την επίμονη συρρίκνωση της Γης, η οποία αποτελεί περιοριστική πηγή θορύβου για τους ανιχνευτές Advanced LIGO.
Σχεδόν κάθε φορά που οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει νέα τηλεσκόπια ή επιταχυντές σωματιδίων, έχουν ανακαλύψει πράγματα που κανείς δεν μπορούσε να προβλέψει. Όσο συναρπαστικό όσο οι γνωστές προοπτικές ανακάλυψης βρίσκονται σε αυτό το νέο πεδίο αστροφυσικής βαρυτικών κυμάτων, ως θεωρητικός είμαι ενθουσιασμένος από τα άγνωστα θαύματα που εξακολουθούν να βρίσκονται στο κατάστημά μας.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Sean McWilliams, Επίκουρος Καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας, Πανεπιστήμιο Δυτικής Βιρτζίνιας
