Denne morgenen, Internett brøt ut med rykter om at fysikere har endelig observert gravitasjonsbølger; krusninger i oppbyggingen av romtid spådd av Albert Einstein for et århundre siden. Mens det er ikke første gang vi har hørt spent hvisker om den unnvikende fenomener, sladder føles mer lovende, i lys av den nylig oppgradert detektor på Laser Interferometer Gravitasjonsfelt Wave Observatory (LIGO) som er bak all støyen.
Å oppdage gravitasjonsbølger ville være en stor avtale for fysikk, kosmologi, og vår forståelse av universet som helhet. Men hvis du ikke er en forsker som studerer ett av de nevnte feltene, er det mulig du aldri har hørt om disse mystiske bølger. Hva pokker er gravitasjonsbølger, og hvorfor fysikere har vært sliter med å finne dem for et århundre? Dessuten, hvorfor skal vi bry oss?
Enkelt sagt, gravitasjonsbølger er vibrasjoner i stoffet i universet—lys-hastighet bølger i rom og tid i seg selv, forårsaket av slike epically voldelige hendelser som eksploderende stjerner og svart hull fusjoner. Takk til naturskjønnheten som noe ubegripelig stort, voldelig, og fjern celestiale happenings, atomene som utgjør alt fra stjernene på himmelen til mennesker på Jorden skjelver en liten bit, hele tiden.
Og med bittesmå jeg egentlig mener små. For all energien som går inn i produksjon av gravitasjonsbølger, romtid krusninger i seg selv er meget svak. Fysikere anslår at innen den tid gravitasjonsbølger nå Jorden, de er på ordre av en milliarddel diameteren til et atom. Du trenger latterlig presise instrumenter som opererer i helt støyfrie omgivelser for å måle dem, og inntil ganske nylig, våre detektorer rett og slett ikke har vært opp til snus.
Numerisk simulering av to sammenslåing sorte hull utført av Albert Einstein Institute i Tyskland. Image Credit: Werner Benger / Wikimedia
Sponset
Men gravitasjons bølge deteksjon spillet er blitt endret i det siste, med en ny flom av forbedringer av våre ledende bakkebaserte observatorium, LIGO, og med lanseringen av den aller første plass-basert gravitasjonsfelt bølge-detektor, LISA Pathfinder. Bevæpnet med disse to laboratorier, fysikere er håp om at vi vil være i stand til å måle vår aller første romtid krusninger ved slutten av tiåret. Nå, det ser ut til at dagen kan komme mye raskere.
I prinsippet, å oppdage gravitasjonsbølger er ganske enkel, i praksis, det er maddeningly vanskelig. Hva fysikere prøver å gjøre, er å måle små endringer i avstanden mellom to objekter atskilt med et kjent beløp. Men fordi atomic jitters håper vi på å oppdage er så jævla liten, vi trenger eksperimenter som kan skille objekter ved store avstander. Selv da, trenger vi å måle endringer i avstanden veldig, veldig nøyaktig.
Det er prinsippet bak vår nåværende state-of-the-art gravitasjonsfelt bølge detektorer. I tilfelle av LIGO, som først gikk online i begynnelsen av 2000-tallet, to speil hang veldig langt fra hverandre (i Richland, Washington og Baton Rouge, Louisiana), danner en primær arm, mens en annen to speil som er satt opp vinkelrett på det. En stråle av laser lyset er gått gjennom en beam splitter og lov til å sprette frem og tilbake mellom begge armene’ speil, mange ganger, før den går tilbake til sin kilde.
“Hvis de to armene har like lengder, så interferens mellom lys stråler tilbake til beam splitter vil styre alle av lyset tilbake mot laser,” en Caltech informativ nettside på LIGO forklarer. “Men om det er noen forskjell mellom lengdene av de to armene, noen lys vil reise til hvor det kan tas opp med en photodetector.”
Enkel illustrasjon av den LIGO Detektor. Via LIGO.
Hvis det skjer, kan et elektrisk signal er produsert— og det er opp til forskerne å finne ut om de nettopp hadde vært vitne til en bona fide gravitasjonsfelt bølge. Problemet er, vår planet er et støyende sted, og en rekke andre typer bevegelse, fra skjelvinger i Jorden til biler og tog, kan kaste opp signalet. Bakgrunnen støy på vår planet, kombinert med begrensninger som følger av avstanden til detektorer, har satt noen alvorlige begrensninger på vår evne til å snuse ut gravitasjonsbølger fra bakken. Den første LIGO observasjonelle kampanjen, som ble avsluttet i 2010, skrudd opp noen faste bevis, selv om vi ble nesten lurt av en falsk signal bevisst plantet av LIGO Interne Anliggender-kommisjonen for å holde forskere på sine tær.
Men etter 2010 kampanje, LIGO gjennomgikk en rekke oppgraderinger over en periode på fem år. Når Avansert LIGO endelig kom online denne siste September, dens skinnende nye detektorer var tre ganger mer følsom enn den første LIGO eksperiment. Det betyr Avansert LIGO nå kan “lytte” på tvers av en mye større swath av rom—opp til 225 millioner lysår unna, sammenlignet med 65 millioner lysår avstand oppnådd i løpet av de siste gravitasjonsfelt bølge jakt. Og til slutt forskere håper å øke Avansert LIGO følsomheten til ti ganger den første LIGO eksperiment.
Jakt etter gravitasjonsbølger er også på vei til verdensrommet for første gang dette året. De LISA Pathfinder, som ble lansert 2. desember, er et proof-of-prinsippet eksperiment som vil teste grunnleggende teknologier som trengs for gravitasjonsfelt bølge deteksjon utenfor Jorden.
Datamaskinen modell av LISA pathfinder eksperimentelle chambers (gull bokser) og laser interferometer system (midten). Via ESA.
Det er et par grunner verdensrommet er et spennende sted å søke etter gravitasjonsbølger. For en, det er en mye roligere miljø enn Jorden—den eneste virkelige kilder av bakgrunnsstøy vi har å stri med er solvinden og kosmisk stråling, som kan unngås med forsiktig skjerming. (I diagram av LISA Pathfinder eksperimentelle kammer som er vist ovenfor, to test massene er plassert i separate elektrode boksene, hvor de er beskyttet fra alle eksterne krefter. Som med LIGO, avstanden mellom dem er nøyaktig målt ved hjelp av laser interferometers.)
Men den virkelige grunnen til at forskere er å bringe jakt etter gravitasjonsbølger til plass har å gjøre med avstanden. Frigjort fra den romlige begrensninger av en liten steinete planeten, vi kan plassere gjenstander mye lenger fra hverandre, og dermed kastet en mye større nett for gravitasjonsbølger. Mens LISA Pathfinder experiment vil forsøke å måle den relative posisjonen til to massene atskilt med bare en 15 tommer, en fremtidig plass-basert gravitasjonsfelt wave observatory basert på LISAS teknologi kan gjøre nøyaktig det samme over hundrevis av tusenvis av miles.
Hvorfor er det å observere gravitasjonsbølger en så big deal? Bortsett fra det faktum at det ville bekrefte en stor del av Einsteins teori om generell relativitetsteori, gravitasjonsbølger kan brukes for å undersøke noen av de mest mystiske fenomener i kosmos. Som LISA Pathfinder forskeren Bill Weber fortalte Gizmodo siste måneden, de er “den mest direkte måten å studere stor del av universet som er i mørke.”
Sorte hull, nøytron-stjerner og andre objekter som ikke avgir lys er svært vanskelig å studere direkte fra vårt ståsted. Men gravitasjonsbølger, som passerer gjennom slike objekter som en kniv gjennom smør, gir oss et vindu. I undersøkelse av mørke universet med gravitasjonsbølger, kan vi avdekke nye himmelsk underverker vi aldri drømt om.
LISA Pathfinder, klar til å lansere i desember 2015. Via ESA.
Hva er mer, som fingeravtrykk av de mest energiske hendelser i universet, gravitasjonsbølger kan hjelpe oss å forstå hvordan tyngdekraften opererer under ekstreme forhold, som er, i nærheten av det sterke feltet grensen. Det er mye vi vet rett og slett ikke om hvordan tyngdekraften virker da svært massive objekter danser rundt hverandre i hastigheter som nærmer seg lys.
Ryktene vi hørte i dag, at Avansert LIGO kan ha oppdaget gravitasjonsbølger, har ennå ikke bekreftet. Som Gizmodo har Jennifer Ouellette påpeker, er det sannsynlig at LIGO samfunnet vil ikke gi oss fred i sinnet når som helst snart. Men det faktum at fysikere er alle i en tizzy over den blotte mulighet taler til den lovende fremtid for gravitasjonsfelt bølge gjenkjenning. Som LIGO følsomhet fortsetter å vokse, og som LISA Pathfinder legger seg i en stabil bane på L1 Lagrange-punktet, kan vi forvente mange flere hvisker av romtid krusninger—kanskje til og med litt tynn bekreftelse—over uker og måneder til å komme.
Spennende tider vi lever i.
Følg forfatteren @themadstone
Øverste Bilde: LISA Pathfinder er elektrode bolig kamre, hvor den første plass-baserte tester for gravitasjonsbølger vil finne sted, via CGS SpA.