Abbiamo Trovato le Onde Gravitazionali. Ora Che Cosa?

Artista rappresentazione di collisione di stelle di neutroni frantumazione dello spazio-tempo, la produzione di increspature delle onde gravitazionali. Credit: NASA.

David Reitze, direttore esecutivo di LIGO di Laboratorio, ha preso il podio al National Press Building di Washington, DC, questa mattina, e ha detto le parole siamo tutti in attesa sulle spine sentire: “Abbiamo scoperto che le onde gravitazionali.” E una gremita in Caltech del Cahill edificio a Pasadena, dove la gente si era riunita a guardare il live feed—scoppia in applausi.

Scene simili, probabilmente erano fuori a giocare al MIT, Livingston, Louisiana, in Hanford, Washington e in Europa, perché LIGO è un $1 miliardo di collaborazione internazionale con centinaia di scienziati. E questo momento è stato 100 anni. Einstein aveva previsto l’esistenza delle onde gravitazionali con la sua teoria della relatività generale nel 1915, e i fisici scoperto prove indirette negli anni 1970 e 1980. Ma la rilevazione diretta ha dimostrato sfuggente fino a ora. E la storia delle onde gravitazionali e quello che sono in grado di dirci è proprio ora di inizio.

Ecco come è andato giù. Su settembre 14, 2015 at 5:51 AM EST, LIGO rivelatori a Livingston e Hanford sia raccolto segnali in pochi millisecondi di ogni altro. Le forme d’onda di quei segnali strettamente abbinati previsioni delle simulazioni (vedi a sinistra).

È come un audio di impronte digitali, simile al decadimento firme che ad alta energia, i fisici usano per identificare le particelle subatomiche prodotti in collisioni presso il Large Hadron Collider. Ed è esattamente quello che ci si aspetterebbe di trovare nei dati se due buchi neri, di circa 30 masse solari ognuna (30 volte più grande del nostro Sole), a spirale verso l’interno verso l’altro e uniti in un enorme collisione evento, l’invio di potenti onde d’urto strappo attraverso spaziotempo, circa 1,3 miliardi di anni fa.

Era così pulito, infatti, che Reitze preoccupato che era troppo bello per essere vero. Così ha fatto Alan Weinstein, che di testa LIGO Caltech. Dopo tutto, nella prima fase operativa di LIGO, project leader aveva inserito volutamente falsi segnali dati per verificare il rigore dell’analisi. Anche se i suoi colleghi lo hanno assicurato che questo nuovo segnale non era un cosiddetto “blind iniezione” esercizio, Weinstein non riusciva a crederci. Si chiese se fosse l’opera di uno scontento membro del LIGO team iniettando un segnale falso nei dati di una vendetta.

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O forse è stato il lavoro di un genio del male. “Non possiamo escludere che il genio del male ipotesi,” he deadpanned durante un Caltech conferenza stampa. “Stiamo facendo del nostro meglio per escludere il genio del male ipotesi. Ma mi piace pensare che un binario buco nero di collisione è più probabile.”

Da solo un segnale da solo, i fisici potrebbero dedurre le masse di entrambi i buchi neri studiando la frequenza (uno era il 29 di masse solari, gli altri 36 masse solari). Dopo la fusione, la neonata buco nero mancava circa 3 masse solari—emessa in una potente raffica di onde gravitazionali. Immaginate tre dei nostri Suns improvvisamente annientare e si otterrà un’idea di quanto l’energia di cui stiamo parlando qui. Studiare l’ampiezza detto loro che la collisione è avvenuta a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza nell’emisfero sud.

“Immaginare tutta la vita era stato sordo fino a che un giorno il tuo udito è stato ripristinato.”

Quindi, non solo è la prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali, è anche la prima prova che il binario buco nero di sistemi di realtà esistono. E tutto questo è venuto da dati durante un’ingegneria eseguire subito dopo l’aggiornamento Advanced LIGO è venuto in linea. E ‘ ancora caccia a pieno la sensibilità di sicurezza. Quando ciò accade, i fisici si aspettano di vedere molti più di tali eventi, dando loro una nuova finestra sul modo in cui l’universo funziona. Infatti, Weinstein ha detto che ulteriori 12 LIGO-documenti relativi vorresti essere pubblicato entro la fine di oggi.

Che rende LIGO “un nuovo strumento per l’osservazione di una nuova forma di radiazione venuto dal cielo”, ha detto Bill Weber, un fisico dell’Università di Trento e membro del LISA Pathfinder collaborazione.

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“Prima rilevazione è molto importante in termini di fisica fondamentale a causa di ciò che si dice circa la gravità, ma si apre anche una finestra su quello che è stato in precedenza il buio dell’universo,” ha detto Avery Broderick, un fisico presso il Perimeter Institute e l’Università di Waterloo, in Canada. “Per secoli, gli astronomi sono stati a guardare il cielo di notte e di pensare al lato luminoso dell’universo. Ora stiamo per avere il nostro primo sguardo al lato oscuro. C’è ogni aspettativa che sarà altrettanto ricco ed emozionante.”

Pensare il potenziale rivoluzionario questo modo: ogni volta che gli astronomi hanno guardato il nostro universo in una diversa lunghezza d’onda della luce, raggi x, infrarossi, radio, o i raggi gamma hanno scoperto aspetti che non avremmo comunque visto. Le onde gravitazionali non dovrebbe essere diverso, solo con qualcosa di più simile al suono di luce. Ora, oltre a guardare il nostro universo, siamo in grado di ascoltare. Come Jorge Cham di Dottorato di Fumetti così eloquentemente nella sua illustrato spiegatore “Immagina tutta la tua vita hai avuto sorde, fino a che un giorno il tuo udito è stato ripristinato.”

La differenza fondamentale è che mentre suono richiede un mezzo per viaggiare, le onde gravitazionali spostare il mezzo—in questo caso, spazio a sé. “Hanno letteralmente squash e stretch tessuto dello spaziotempo,” Chiara Mingarelli, un’onda gravitazionale astrofisico al Caltech, ha detto a Gizmodo. Per le nostre orecchie, le onde rilevato da LIGO suonerebbe come un chirp (“woo-OOP”).

Esattamente come è questa rivoluzione sta per accadere? Beh, LIGO ha attualmente due rivelatori, che agisce come “orecchie” per gli scienziati, con più rivelatori in programma di venire online in futuro. E mentre LIGO può hanno raggiunto per primi in termini di rilevamento diretto—francamente, è stato sempre previsto a farlo, non è l’unico gioco in città. C’è più di un tipo di onde gravitazionali. In realtà, c’è un intero spettro, come ci sono molti diversi tipi di luce di varie lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Così ci sono altre collaborazioni su misura a caccia di onde a frequenze al di là di quello che LIGO è progettato per rilevare (in millisecondi regime).

Credito: NanoGRAV

Mingarelli funziona con il NanoGRAV (North American Nanohertz Osservatorio per le Onde Gravitazionali) collaborazione, parte di un più ampio consorzio internazionale che comprende anche l’Europeo Pulsar Timing Array e Parkes Pulsar Timing Array in Australia. Come suggerisce il nome, NanoGRAV gli scienziati sono a caccia di frequenza molto bassa di onde gravitazionali da 1 a 10 nanohertz regime; LIGO sensibilità è in kilohertz (udibile) porzione dello spettro. Che rende molto lunghezze d’onda lunghe; infatti, ci vorrebbero dieci anni per completare un singolo ciclo.

La collaborazione si basa su pulsar i dati raccolti dall’Osservatorio di Arecibo a Puerto Rico e il Green Bank Telescope in West Virginia. Le pulsar sono, fondamentalmente, le stelle di neutroni in rapida rotazione, che si forma quando le stelle più massicce del Sole esplodere e collasso verso l’interno. Gira sempre più veloce, come si restringono, proprio come un peso all’estremità di un filo sarà swing più veloce, il più breve, la corda diventa.

Emettono anche potenti esplosioni di radiazioni, secondo la loro rotazione, proprio come il raggio di un faro, che vengono rilevati come impulsi di luce sulla Terra. E quelle periodiche rotazioni sono molto precisi, fino a poco tempo fa preciso come un orologio atomico. Questo li rende un ideale cosmico rivelatore di onde gravitazionali. Infatti, la prima prova indiretta è venuto dallo studio delle pulsar nel 1974, quando Joseph Taylor, Jr., e Russell Hulse trovato che una pulsar che orbita intorno ad una stella di neutroni è stato lentamente restringendo nel tempo—un effetto che uno si aspetterebbe di vedere se era la conversione di parte della sua massa di energia sotto forma di onde gravitazionali.

In caso di NanoGRAV, la pistola fumante sarebbe una sorta di effetto luccicante. Gli impulsi, deve pervenire allo stesso tempo, ma se sono colpiti da un’onda gravitazionale, che arriva un po ‘ prima o dopo, a causa dello spazio-tempo si accorcia o allunga come l’onda passa attraverso.

Pulsar timing array (Pta) sono particolarmente sensibili alle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di buchi neri supermassicci un miliardo o dieci miliardi di volte la massa del nostro Sole, come chi crede che si nascondono al centro delle più massicce. Nel caso in cui due galassie simili unione, in modo che i buchi neri nei loro centri, con l’emissione di onde gravitazionali. “LIGO vede la fine della fusione, quando i binari sono molto vicini”, ha detto Mingarelli. “Con Pta, vorremmo vederli in precedenza nella spirale fase, quando si sta appena iniziando a orbitano una attorno all’altra.”

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Poi c’è lo spazio-based missione noto come LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Legato alla terra LIGO è grande per la disconnessione di onde gravitazionali equivalente umano audio porzione dello spettro — il tipo di prodotto che di recente scoperta binario buco nero di fusione. Ma molte fonti interessanti di queste onde a bassa frequenza. Così i fisici hanno di andare nello spazio per la loro identificazione. L’obiettivo primario dell’attuale LISA Pathfinder missione, avviata nel mese di dicembre) è quello di validare la tecnologia del sensore. “Con LIGO, è possibile spegnere lo strumento, crack aprire il vuoto, e sistemare le cose”, ha detto MIT Scott Hughes. “Se si fallisce nello spazio, sei morto. Hai avuto modo di ottenere tutto giusto dal get-go.” Come Gizmodo s Maddie Pietra scritto di nuovo nel mese di dicembre:

[LISA] obiettivo è semplice: l’utilizzo di interferometri laser, la navicella spaziale che tenterà di misurare con precisione le posizioni relative di due 1,8 pollici oro-platino cubi in caduta libera. Ospitato in separata elettrodo di caselle, a soli 15 centimetri di distanza, gli oggetti di prova sarà al riparo dal vento solare e tutte le altre forze esterne, in modo tale che i piccoli movimenti causati da onde gravitazionali può (si spera) essere rilevato.

Infine, ci sono due esperimenti progettati per indirizzare le impronte lasciate dalle onde gravitazionali primordiali nella radiazione cosmica di fondo (il bagliore residuo del Big Bang): BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalattici di Polarizzazione 2) e il satellite Planck missione. BICEP2 notoriamente dichiarato che aveva trovato a tali prove nel 2014, solo per avere le sue speranze sgonfiato quando questi segnali si è rivelato essere dovuto a polvere cosmica.

Ma entrambe le collaborazioni continuano la caccia, nella speranza di far luce sulla storia antica del nostro universo—e speriamo che fornisce la conferma di una chiave di previsione della teoria inflazionistica. Questa teoria prevede che, poco dopo la sua nascita, l’universo subì un rapido scatto di crescita che dovrebbero avere prodotto potente onde gravitazionali, lasciando un’impronta CMB nella forma di un particolare orientamento delle onde di luce (polarizzazione).

Ognuno di questi quattro onde gravitazionali regimi darà agli astronomi di quattro nuovi windows in tutto l’universo.

Ma sappiamo che state pensando davvero—certo, ora è tempo di accendere il warp drive, baby! Il LIGO scoperta significa che tutti noi dovremmo firmare per la Flotta stellare la prossima settimana? “Penso che la risposta è inequivocabile “no”,” Broderick ha detto. “Ma il meglio comprendiamo la gravità, il meglio che possiamo immaginare, cercando di progettare una cosa del genere. Questo è quello che fanno gli scienziati. Riuscire a capire come l’universo funziona, in modo che possiamo migliorare la nostra capacità di piegare la nostra volontà, all’interno di questo insieme di regole.”

Così…. stai dicendo che non c’è possibilità. Facciamo così.

Seguire l’autore @JenLucPiquant.

Maddie Pietra contribuito segnalazione di questo articolo.