Artist ‘ s schildering van botsende neutronensterren de verkleining van de ruimtetijd, het produceren van rimpelingen van gravitatie golven. Credit: NASA.
David Reitze, uitvoerend directeur van de LIGO Laboratorium, het podium in de National Press Building in Washington, DC, deze morgen, en sprak de woorden we hebben allemaal gewacht op de hete kolen te horen: “We hebben ontdekt gravitatiegolven.” En een vol auditorium in Caltech is Cahill gebouw in Pasadena, waar mensen zich hadden verzameld om te kijken naar de live feed—barstte uit in applaus.
Soortgelijke scènes waren waarschijnlijk spelen bij het MIT, in Livingston, Louisiana, in Hanford, Washington, en in Europa, omdat LIGO is een $1 miljard internationale samenwerking met honderden wetenschappers. En op dit moment is al 100 jaar in de maak. Einstein voorspelde het bestaan van gravitatiegolven met zijn algemene relativiteitstheorie in 1915, en natuurkundigen ontdekt indirect bewijs in de jaren 1970 en 1980. Maar directe detectie heeft bewezen ongrijpbare—tot nu toe. En het verhaal van gravitatie golven en wat ze kunnen om ons te vertellen is nu net het begin.
Hier is hoe het ging. Op 14 September 2015, bij 5:51 AM EST, de LIGO detectoren in Livingston en Hanford zowel opgehaald signalen binnen milliseconden van elkaar. De golfvormen van de signalen nauw afgestemd voorspellingen van de simulaties (zie links).
Het is als een audio-vingerafdruk, verwant aan het verval handtekeningen die hoge-energie fysici gebruiken om de subatomaire deeltjes die bij de botsingen met de Large Hadron Collider. En het is precies wat je zou verwachten te vinden in uw gegevens als twee zwarte gaten, over 30 zonnemassa ‘ s per stuk (dat is 30 keer groter dan onze eigen Zon), zakte naar binnen naar elkaar en samengevoegd in een enorme event, het verzenden van een krachtige schok golven rippen in de ruimtetijd, op ongeveer 1,3 miljard jaar geleden.
Het was zo schoon, in feite, dat Reitze bezorgd het was te mooi om waar te zijn. Zo deed Alan Weinstein, die aan het hoofd van LIGO Caltech. Immers, in het begin van de operationele fase van LIGO, project leiders was doelbewust geplaatst valse signalen naar de gegevens voor het testen van de nauwkeurigheid van de analyse. Hoewel zijn collega ‘ s hem verzekerd dat dit nieuwe signaal was niet een zogenaamde “blinde injectie” oefening, Hij kon het niet geloven. Hij vroeg zich af of het het werk was van een ontevreden lid van de LIGO team het injecteren van een vals signaal in de gegevens als wraak.
Gesponsord
Of misschien was het het werk van een kwade genius. “We kunnen niet uitsluiten dat de kwade genius hypothese,” hij deadpanned tijdens een Caltech persconferentie. “We doen ons best om uit te sluiten van de kwade genius hypothese. Maar ik denk dat het een binair zwart gat botsing is meer waarschijnlijk.”
Van die ene signaal alleen, natuurkundigen kunnen afleiden uit de massa ‘s van beide zwarte gaten door het bestuderen van de frequentie (was 29 zonnemassa’ s, de andere 36 zonsmassa ‘ s). Na de fusie, de nieuw gevormde zwarte gat ontbrak ongeveer 3 zonsmassa ‘ s uitgezonden in een krachtige uitbarsting van gravitatie golven. Stel je drie van onze Zonnen plotseling vernietigen en je krijgt een idee van hoeveel energie we het hier over hebben. Het bestuderen van de amplitude vertelde hen dat de botsing gebeurde ongeveer 1,3 lichtjaar afstand in het zuidelijke halfrond.
“Stel je voor dat je hele leven je was doof, tot op een dag uw gehoor was hersteld.”
Dus niet alleen is dit het eerste directe detectie van gravitatiegolven, het is ook het eerste bewijs dat binaire zwart gat systemen werkelijk bestaan. En dit alles kwam uit de gegevens die tijdens een engineering uitvoeren direct na de upgrade Advanced LIGO kwam online. Het is nog steeds niet de jacht op volle gevoeligheid nog. Wanneer dat gebeurt, fysici verwachten veel meer van dergelijke gebeurtenissen, waardoor ze een nieuw venster in hoe het universum werkt. In feite, Hij zei dat er een extra 12 LIGO-gerelateerde papers zou worden geplaatst door het einde van de dag.
Dat maakt LIGO “een nieuw instrument voor het observeren van een nieuwe vorm van straling uit de hemel,” zei Bill Weber, een natuurkundige aan de Universita di Trento en lid van de LISA Pathfinder samenwerking.
Advertentie
“Eerste detectie is zeer belangrijk in termen van de fundamentele natuurkunde, want van wat het zegt over de zwaartekracht, maar het opent ook een venster op wat eerder is de donkere wereld,” zei Avery Broderick, een natuurkundige aan het Perimeter Institute en de Universiteit van Waterloo in Canada. “Voor eeuwen, hebben de astronomen gekeken naar de nachtelijke hemel en het denken over de lichte kant van het universum. Nu gaan we onze eerste blik op de donkere kant. Is er een verwachting dat het zal net zo rijk en spannend.”
Denk aan de revolutionair potentieel op deze manier: elke keer de astronomen hebben gekeken naar ons universum in een verschillende golflengte van het licht—met x-stralen, infrarood, radio-of gamma—stralen-zij hebben ontdekt aspecten waar wij niet anders hebben gezien. Gravitatiegolven moet worden dat niet anders, alleen met iets meer verwant aan geluid dan het licht. Nu, in aanvulling om te zoeken in ons heelal, kunnen we luisteren naar het zo goed. Jorge Cham van PhD Comics zo treffend verwoordde het in zijn geïllustreerde toelichting “Stel je voor dat je hele leven je was doof, tot op een dag uw gehoor was hersteld.”
Het belangrijkste verschil is dat terwijl het geluid heeft een medium door te reizen, gravitatie golven beweegt het medium, in dit geval, de ruimtetijd zelf. “Ze letterlijk squash and stretch in de stof van de ruimtetijd,” Chiara Mingarelli, een gravitatiegolf astrofysicus bij Caltech, vertelde Gizmodo. Om onze oren, de golven gedetecteerd door LIGO zou klinken als een chirp (“woo-OOP”).
Precies hoe is deze revolutie gaat gebeuren? Goed, LIGO heeft momenteel twee detectoren, die als “oren” voor wetenschappers, met meer detectoren gepland om online te komen in de toekomst. En terwijl LIGO hebben gekregen er eerst in termen van directe detectie—eerlijk gezegd, het was altijd verwacht wordt te doen—het is niet het enige spel in de stad. Er is meer dan één soort van gravitatiegolven. In feite is er een hele spectrum, net zoals er veel verschillende soorten van licht van verschillende golflengten, in het elektromagnetische spectrum. Er zijn dus andere vormen van samenwerking op maat te jagen golven met frequenties hoger dan wat LIGO is ontworpen voor het detecteren van (de milliseconde regime).
Credit: NanoGRAVMingarelli werkt met de NanoGRAV (Noord-Amerikaanse Nanohertz Observatorium voor gravitatiegolven) samenwerking, een onderdeel van een groter internationaal consortium, dat ook de European Pulsar Timing Array en de Parkes Pulsar Timing Array in Australië. Zoals de naam impliceert, NanoGRAV wetenschappers zijn jacht op een zeer lage frequentie gravitatiegolven in de 1 tot 10 nanohertz regime; LIGO ‘ s is de gevoeligheid van de in het kilohertz (hoorbaar) deel van het spectrum. Dat zorgt voor een zeer lange golflengten; in feite, zou het duurt tien jaar om te voltooien van één cyclus.
De samenwerking is gebaseerd op pulsar gegevens verzameld door de Arecibo-radiotelescoop in Puerto Rico en de Green Bank Telescope in West-Virginia. Pulsars zijn in principe snel roterende neutronensterren, die ontstaan als sterren met meer massa dan de Zon ontploffen en de instorting naar binnen. Ze draaien sneller en sneller als ze krimpen, net als een zwaar gewicht op het einde van een ketting zal swing sneller en sneller, hoe korter het touw wordt.
Ze geven ook uit krachtige ontploffing van straling als ze draaien, net als de lichtbundel van een vuurtoren, die zijn gedetecteerd als pulsen van het licht terug op Aarde. En degenen die periodieke rotaties zijn ontzettend nauwkeurig—tot voor kort zo nauwkeurig als een atoomklok. Dit maakt hen een ideaal kosmische detector van gravitatie golven. In feite, de eerste indirecte bewijs kwam uit de studie van pulsars in 1974, toen Joseph Taylor, Jr. en Russell Hulse gevonden dat een pulsar in een baan rond een neutronenster langzaam krimpende de loop van de tijd—een effect men zou verwachten te zien als het omzetten van een deel van de massa naar energie in de vorm van gravitatie golven.
In het geval van NanoGRAV, de smoking gun zou een soort van glinsterend effect. De pulsen moeten komen op hetzelfde moment, maar als ze getroffen door een zware golf, ze komen iets eerder of later, omdat de ruimtetijd zal krimpen of stretch als de wave gaat door.
Pulsar timing arrays (Pta) zijn bijzonder gevoelig voor de zwaartekracht golven geproduceerd door het samenvoegen van superzwaar zwart gaten een miljard of tien miljard keer de massa van onze Zon, zoals die vermoedelijk op de loer liggen in het centrum van de meest massieve sterrenstelsels. Moet twee van zulke sterrenstelsels samenvoegen, zo zou de zwarte gaten in hun centra, het uitzenden van gravitatie golven. “LIGO ziet het einde van de fusie wanneer de binaire bestanden zijn zeer dicht bij elkaar,” zei Mingarelli. “Met de Pta, zouden we zien ze eerder in de spiraal fase, wanneer ze net beginnen naar de baan van elkaar.”
http://gizmodo.com/a-groundbreaki…
Een Baanbrekende natuurkundig Laboratorium gaat Over tot Ontploffing In de Ruimte
Een Baanbrekende natuurkundig Laboratorium gaat Over tot Ontploffing In de Ruimte
Een Baanbrekende natuurkundig Laboratorium Is Over Bl
Een opmerkelijk wetenschappelijk experiment is over het verlaten van de Aarde op een zes weken durende reis die je uiteindelijk een…
Lees meer Lees meer
Dan is er de ruimte-gebaseerde missie bekend als LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Aarde-gebonden LIGO is ideaal voor het losmaken van gravitatie golven gelijk aan de menselijke audio-gedeelte van het spectrum — de soort die wordt geproduceerd door de zojuist ontdekte binaire zwart gat fusie. Maar veel interessante bronnen van deze golven zijn bij lagere frequenties. Dus natuurkundigen hebben de ruimte in gaat om ze te detecteren. Het primaire doel van het huidige LISA Pathfinder-missie (gelanceerd in December) voor het valideren van de detector technologie. “Met LIGO, u kunt afsluiten met het instrument, barst open het vacuüm, en het herstellen van dingen,” zei MIT Scott Hughes. “Als je de schroef in de ruimte, je bent dood. Je hebt om het te krijgen vanaf de get-go.” Als Gizmodo ‘ s Maddie Steen terug schreef in December:
[LISA] doel is simpel: met behulp van laser interferometers, het ruimtevaartuig zal proberen om het nauwkeurig meten van de relatieve posities van de twee 1.8 inch goud-platina kubussen in een vrije val. Gehuisvest in aparte elektrode dozen slechts 15 centimeter uit elkaar, de test-objecten worden afgeschermd van de zonnewind en alle andere externe krachten, zoals de kleine bewegingen veroorzaakt door gravitatie golven (hopelijk) worden gedetecteerd.
Ten slotte zijn er twee experimenten die gericht zijn op de sporen achtergelaten door oer gravitatiegolven in de kosmische microgolf achtergrond straling (de nagloed van de Oerknal): BICEP2 (Achtergrond Beeldvorming van Kosmische Extragalactische Polarisatie 2) en de Planck-satelliet van de missie. BICEP2 beroemde verklaarde dat zij had gevonden een dergelijk bewijs in 2014, alleen zijn hoop leeggelopen wanneer deze signalen bleek het gevolg te zijn van kosmisch stof.
Maar beide samenwerkingsverbanden zijn de voortzetting van de jacht, in de hoop het licht te werpen op de vroege geschiedenis van ons universum—en hopelijk leveren de bevestiging van een belangrijke voorspelling van de inflatie-theorie. Deze theorie voorspelt dat kort na de geboorte, het universum onderging een snelle groeispurt die moeten geproduceerd sterke zwaartekracht golven, waardoor een afdruk in de CMB in de vorm van een speciale oriëntatie van de lichtgolven (polarisatie).
Elk van deze vier gravitatiegolven regimes geeft astronomen vier nieuwe windows in het universum.
Maar we weten wat je allemaal echt denken—zeker nu is het tijd om vuur van de warp drives, baby! Doet de LIGO ontdekking dat we allemaal zouden moeten aanmelden voor Star Fleet volgende week? “Ik denk dat het antwoord op die vraag is een ondubbelzinnig ‘nee’,” Broderick zei. “Maar des te beter begrijpen we de zwaartekracht, hoe beter we ons kunnen voorstellen proberen te ontwerpen. Dat is wat wetenschappers doen. We uitzoeken hoe het universum werkt, dus kunnen we het optimaliseren van onze mogelijkheid om te buigen voor de onze zal binnen die set van regels.”
Zo…. je zegt er is kans. Maak het zo.
Volg de auteur @JenLucPiquant.
Maddie Steen bijgedragen rapportage van dit artikel.