Denne morgen, Internettet brød med rygter om, at fysikere har endelig observeret gravitationelle bølger; krusninger i rumtidens forudsagt af Albert Einstein for et århundrede siden. Selvom det ikke er første gang, vi har hørt ophidset hvisken om flygtige fænomener, sladder føles mere lovende, i lyset af den nyligt opgraderede detektor på Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), der bag alt den larm.
At opdage gravitationsbølger, der ville være en kæmpe forretning for fysik, kosmologi, og vores forståelse af universet som helhed. Men hvis du ikke er en forsker, der studerer på en af de ovennævnte områder, er det muligt, du har aldrig hørt om disse mystiske ringe. Hvad dælen er den gravitationelle bølger, og hvorfor har fysikere kæmpet for at finde dem for et århundrede? Desuden, hvorfor skulle vi bekymre os?
Simpelthen sætte, gravitationsbølger, der er vibrationer i stoffet i universet—lys hastighed krusninger på rumtiden selv, der er forårsaget af sådanne epically voldsomme begivenheder, som eksploderende stjerner og sorte hul fusioner. Tak til ufatteligt store, voldelige, og fjern himmelsk happenings, de atomer, der udgør alt fra stjernerne på himlen for at menneskene på Jorden ryster en lille smule, hele tiden.
Og lille jeg mener virkelig lille. For al den energi, der går til at producere gravitationelle bølger, krusninger på rumtiden selv er utrolig svag. Fysikere vurderer, at ved den tid, gravitationelle bølger nå Jorden, de er på rækkefølgen af en milliardtedel diameteren af et atom. Du har brug for latterligt præcise instrumenter, der opererer på en helt støjfri omgivelser til at måle dem, og indtil for ganske nylig, vores detektorer, der simpelthen ikke har været op til snus.
Numerisk simulering af to fusionerende sorte huller, udført af Albert Einstein Instituttet i Tyskland. Image Credit: Werner Benger / Wikimedia
Sponsoreret
Men gravitationel bølge opdagelse spil er blevet ændring for sent, med en nylig bølge af forbedringer til vores førende jordbaserede observatorium, LIGO, og med lanceringen af den første plads-baseret gravitationel bølge detektor, LISA Pathfinder. Bevæbnet med disse to laboratorier, fysikere håber, at vi vil være i stand til at måle vores første krusninger på rumtiden ved udgangen af dette årti. Nu, det ser gerne, at dagen kan komme en masse før.
I princippet, at detektere gravitationsbølger er ganske simpelt; i praksis, det er maddeningly vanskelige. Hvad fysikere forsøger at gøre, er at måle små udsving i afstand mellem to objekter, der er adskilt af en kendt mængde. Men fordi den atomare rystesyge vi håber at opdage, er så forbandet lille, vi har brug for eksperimenter, der kan adskille objekter af store afstande. Selv da, er vi nødt til at måle ændringer i afstanden meget, meget præcist.
Det er princippet bag vores nuværende state-of-the-art gravitationel bølge detektorer. I tilfælde af LIGO, som første gang gik online i begyndelsen af 2000’erne, to spejle er hængt meget langt fra hinanden (i Richland, Washington og Baton Rouge, Louisiana), der danner en primær arm, mens en anden to spejle er sat op vinkelret på denne. En laser stråle af lys, der sendes gennem en stråledeler og lov til at hoppe frem og tilbage mellem begge arme’ spejle, mange gange, før han vendte tilbage til sin kilde.
“Hvis de to parter har samme længde, så er interferens mellem de lysstråler, der vender tilbage til stråledeleren vil direkte lys tilbage mod laser,” en Caltech oplysende hjemmeside på LIGO forklarer. “Men hvis der er nogen forskel mellem længderne af de to arme, nogle lys vil rejse til, hvor det kan registreres af en fotodetektor.”
Enkel skematisk LIGO Detektor. Via LIGO.
Hvis der sker et elektrisk signal er produceret— og det er op til forskerne at vurdere, om de lige har været vidne til en bona fide gravitationel bølge. Problemet er, at vores planet er en støjende sted, og en masse andre typer af bevægelse, fra rystelser i Jorden til biler og tog, kan folde op signalet. Baggrundsstøjen af vores planet, kombineret med de begrænsninger, der pålægges af afstand af detektorer, er at sætte nogle alvorlige begrænsninger på vores evne til at sniffe ud af gravitationelle bølger fra jorden. Den første LIGO observationelle kampagne, som sluttede i 2010, viste ingen klare beviser, selv om vi blev næsten narret af et falsk signal bevidst er plantet ved LIGO Indre Anliggender kommissionens at holde forskere på deres tæer.
Men efter 2010-kampagne, LIGO har gennemgået en række opgraderinger i løbet af en periode på fem år. Når Avanceret LIGO endelig kom online i denne sidste September, dens skinnende nye detektorer, der var tre gange mere følsom end den oprindelige LIGO eksperimentet. Det betyder, Avanceret LIGO nu kan “lytte” på tværs af en langt mere udstrakt skår af plads op til 225 millioner lysår væk, sammenlignet med 65 millioner lysår afstand, der er opnået i løbet af de sidste gravitationel bølge jagt. Og til sidst håber forskerne at øge Avancerede LIGO følsomhed til ti gange det oprindelige LIGO eksperimentet.
Jagten på gravitationsbølger er også på vej til plads for første gang i år. LISA Pathfinder, som blev lanceret i December 2nd, er en proof-of-princippet eksperiment, der vil teste de grundlæggende teknologier, som er nødvendige for gravitational wave opdagelse uden for Jorden.
Computer model af LISA pathfinder eksperimentelle afdelinger (guld kasser) og laser interferometer system (center). Via ENS.
Der er et par grunde til det ydre rum er et spændende sted at søge efter gravitationelle bølger. For en, det er en meget roligere omgivelser end Jorden—det eneste reelle kilder til baggrundsstøj vi har at slås med, er solvinden og kosmisk stråling, som kan undgås ved omhyggelig afskærmning. (I diagram af LISA Pathfinder eksperimentel afdeling, der er vist ovenfor, to test masserne er anbragt i forskellige elektrode-kasser, hvor de er beskyttet mod alle ydre kræfter. Som med LIGO, afstanden mellem dem er netop målt ved hjælp af laser inerferometre.)
Men den virkelige grund til forskere bringer jagten efter gravitationelle bølger til rummet har at gøre med afstanden. Frigjort fra rumlige begrænsninger af en lille klippeplanet, vi kan placere objekter meget længere fra hinanden, og dermed kaste et bredere net for gravitationelle bølger. Mens LISA Pathfinder experiment vil forsøge at måle den relative position af to masser, adskilt af blot 15 tommer, en fremtidig plads-baseret gravitational wave observatory, der er baseret på LISA ‘ s teknologi kan gøre præcis de samme ting over hundreder af tusinder af miles.
Hvorfor er det at observere gravitationsbølger sådan en big deal? Bortset fra det faktum, at det ville bekræfte et kæmpe stykke af Einsteins generelle relativitetsteori, gravitationsbølger, der kan bruges til at undersøge nogle af de mest mystiske fænomener i universet. Som LISA Pathfinder videnskabsmanden Bill Weber fortalte Gizmodo i sidste måned, at de er “den mest direkte måde at studere stor del af universet, der er mørke.”
Sorte huller, neutronstjerner, og andre objekter, der ikke udsender lys er meget vanskeligt at studere direkte fra vores udsigtspunkt. Men gravitationsbølger, der passerer gennem disse genstande som en kniv gennem smør, tilbyder os et vindue. I prøver det mørke univers med gravitationelle bølger, vi kan afdække nye astronomiske vidundere vi aldrig drømt om.
LISA Stifinder, der er klar til lanceringen i December 2015. Via ENS.
Hvad mere er, som fingeraftryk af de mest energirige begivenheder i universet, gravitationsbølger, der kan hjælpe os med at forstå, hvordan tyngdekraften virker under ekstreme forhold; det er, i nærheden af det stærke felt grænse. Der er en masse vi simpelthen ikke ved om, hvordan tyngdekraften virker, når meget tunge objekter danser rundt om hinanden med hastigheder, der nærmer sig lysets.
De rygter vi har hørt i dag, at Avancerede LIGO kan have opdaget den gravitationelle bølger, er endnu ikke bekræftet. Som Gizmodo ‘ s Jennifer Ouellette påpeger, er det sandsynligt, at den LIGO fællesskabet vil ikke give os fred i sindet, når som helst snart. Men det faktum, at fysikere er alle i en tizzy over den blotte mulighed taler, at de lovende fremtid for gravitational wave afsløring. Som LIGO følsomhed fortsætter med at vokse, og som LISA Pathfinder liggende i et stabilt kredsløb på L1 Lagrange punkt, vi kan forvente mange flere hvisker rumtid krusninger—måske endda nogle svage kontrol—i løbet af de kommende uger og måneder.
Spændende tider vi lever i.
Følg forfatteren @themadstone
Øverste Billede: LISA Pathfinder ‘ s elektrode boliger afdelinger, hvor den første plads-baserede prøver for gravitationsbølger, der finder sted, via CGS SpA.