Forskere har hørt tyngdekraften for første gang.
Relatert innhold
- Fem ting å vite om gravitasjonsbølger
- Syv enkle måter vi vet at Einstein hadde rett (for nå)
Når to svarte hull spiralet mot hverandre og fusjonerte, skapte de krusninger i kosmosens stoff i nøyaktig den formen fysikere har spådd i et århundre: gravitasjonsbølger. Signalet ble avslørt i dag under en rekke internasjonale pressekonferanser, baner vei for en helt ny forståelse av universet.
"Dette er første gang universet har talt til oss gjennom tyngdekraftsbølger. Frem til nå har vi vært døve, " sa LIGO-laboratoriesjef David Reitze, fra University of Florida, i dag på en pressebegivenhet i Washington, DC
I roten til gravitasjonsbølgene ligger Albert Einsteins tyngdekraftteori, som sier at alt med masse skjelver stoffets tid-rom. Når massive gjenstander beveger seg, skaper de forvrengninger i det kosmiske stoffet og skaper gravitasjonsbølger. Disse bølgene sirkler gjennom universet som lydbølger som pulserer gjennom luften.
Einsteins teori spår at universet vrimler av gravitasjonsbølger, men til nå hadde vi ikke klart å oppdage dem, delvis fordi bølgene er usedvanlig svake. Men allerede før de oppgraderte instrumentene ble offisielt online i fjor, tok Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) et klart signal fra den kraftige kollisjonen av to sorte hull 1, 3 milliarder lysår unna.
"Å få et gravitasjonsbølgesignal oppdaget mens LIGO fremdeles ikke er i nærheten av designfølsomhet i det første vitenskapsoppkjøringen er forbløffende, det er kjeveleggende, på en god måte" sier Joan Centrella, som ledet Gravitational Astrophysics Laboratory på NASAs Goddard Space Flight Senter før han ble visedirektør for Astrophysics Science Division på Goddard.
Den begeistringen kruset gjennom LIGOs Livingston, Louisiana, observatorium og gjennom resten av verden da teamet kunngjorde. Nesten alt som astronomer har lært om kosmos har kommet fra forskjellige former for lys, som synlige, radiobølger og røntgenstråler. Men akkurat som seismiske bølger kan avsløre skjulte strukturer dypt inne i Jorden, bærer gravitasjonsbølger med seg informasjon om skjulte egenskaper i universet som selv lys ikke kan avsløre.
"Vi begynte med en høyrisikojobb med en meget høy potensiell utbetaling, " sa Kip Thorne, en av LIGOs medstiftere og en gravitasjonsfysiker ved California Institute of Technology, under presseventet. "Og vi er her i dag med en stor triumf - en helt ny måte å observere universet på."
Tidlige ledetråder
Jakten på gravitasjonsbølger begynte for et århundre siden, med publiseringen av Einsteins generelle relativitetsteori. På midten av 1970-tallet fanget fysikerne Russell A. Hulse og Joseph H. Taylor, jr. Ekstremt overbevisende bevis på at disse krusningene eksisterer. De målte tiden det tok for to tette nøytronstjerner - de knuste kjernene til en gang-store stjerner - å kretset om hverandre.
Basert på Einsteins arbeid visste de at disse stjernene burde utstråle gravitasjonsenergi mens de snurret, og at tapt energi skulle få dem til å spiralere mot hverandre. Etter å ha studert de to stjernene de neste årene, så de at bane falt med nøyaktig den mengden som var forutsagt av generell relativitet.
Selv om dette funnet tjente duoen Nobelprisen i fysikk i 1993, ville de fleste fysikere ikke kalle det en direkte påvisning av gravitasjonsbølger.
I 2001 begynte LIGO å operere på to steder 1, 875 mil fra hverandre - det ene i Livingston, Louisiana og det andre i Hanford, Washington. Noen få år senere kom også det europeiske gravitasjonsbølgeteleskopet Virgo online. Begge opererte til henholdsvis 2010 og 2011, før de gikk offline for oppgraderinger.
Mens forskere hadde håpet at disse første observatoriene ville fange opp gravitasjonsbølger, visste de at det var et langskudd. Disse krusningene er veldig svake signaler, og instrumentene var ikke følsomme nok til å høre hviskingene deres. Men de første løpene fungerer som tester av teknologien for neste generasjons instrumenter.
Jomfruen blir fremdeles oppgradert, men LIGO-teamet fullførte arbeidet med begge detektorer i 2015. Nå kalt Advanced LIGO, lyttet observatoriene i Louisiana og Washington etter tyngdekraftsbølger under det første vitenskapelig observasjonsløpet mellom 18. september 2015 og 12. januar, 2016. Signalet som ble kunngjort i dag ble hentet like før den første offisielle kjøringen, da teamet kjørte operasjonelle tester av detektorene.
Laserpresisjon
Å føle en bølge da den passerte gjennom Jorden krevde mye smart engineering, datakraft og mer enn 1000 forskere som jobber rundt om i verden.
Inne i hvert L-formet LIGO-observatorium sitter en laser på møtepunktet for to vinkelrett rør. Laseren går gjennom et instrument som deler lyset, slik at to bjelker beveger seg omtrent 2, 5 mil ned hvert rør. Speil i endene av rørene reflekterer lyset tilbake mot kilden, der en detektor venter.
Vanligvis lander ikke noe lys på detektoren. Men når en gravitasjonsbølge passerer, bør den strekke seg og klemme romtid i et forutsigbart mønster, effektivt endre lengden på rørene med en liten mengde - i størrelsesorden tusenvis av diameteren til et proton. Deretter vil litt lys lande på detektoren.
For å redegjøre for den utrolig små forandringen, er instrumentets speil festet til komplekse systemer som isolerer dem fra de fleste vibrasjoner. LIGO-forskere har også spesielle dataprogrammer som kan filtrere gjennom forskjellige slags bakgrunnsstøy, som sporadiske skjelvinger, og bestemme om noe innkommende signal stemmer med mulige astronomiske kilder beregnet ved bruk av generell relativitet.
Louisiana og Washington nettsteder samarbeider for å bekrefte en observasjon. "Vi tror ikke at vi ser en gravitasjonsbølge med mindre begge detektorene ser det samme signalet i løpet av den tiden gravitasjonsbølgen vil ta å reise mellom de to stedene, " sier LIGO-teammedlem Amber Stuver ved Louisiana State University. I dette tilfellet passerte bølgen gjennom Jorden og traff de to detektorene bare syv millisekunder fra hverandre.
Når Louisiana og Washington lokaliteter oppdager en mulig tyngdekraft, får forskere arbeide med analysen. LIGO tok opp dette signalet 14. september, men kan først nå med stor sikkerhet si at de så gravitasjonsbølger.
"Det tok oss måneder med nøye sjekking, sjekk, analyse, arbeid med hvert stykke data for å sørge for observasjonen, " sa Reitze under DC-hendelsen. "Og vi har overbevist oss om at det er tilfelle." Resultatene vises denne uken i Physical Review Letters .
Luftfoto av LIGO-detektoren i Livingston, Louisiana. (LIGO Laboratory) Gravitasjonsbølgesignalet som astronomer trakk seg ut av de nyeste observasjonene, stemte overens med hva de forventet for to sorte hull som spiraler mot hverandre. Dansen sender ut gravitasjonsbølger med en forutsigbar frekvens og styrke, avhengig av hvor langt fra hverandre gjenstandene er og av deres masser.
Når de begynner å danse nærmere, krymper bølgelengdene til gravitasjonsbølgene og sangen deres når høyere tonehøyder. Når de sorte hullene stenger for den endelige omfavnelsen, har gravitasjonsbølgesignalet en siste høy note, eller "kvitring", som astronomer kaller det.
September-signalet stiller seg vakkert opp med hva teamet ville forvente av to sorte hull med masser som er omtrent 29 og 36 ganger solens masse. De sorte hullene smalt sammen for å skape et nytt svart hull 62 ganger solens masse - som utstråler 3 solmasser verdt av gravitasjonsenergi.
Forvent det uventede
Med denne første oppdagelsen er astronomer håpefulle at Advanced LIGO vil fortsette å fange gravitasjonsbølger og begynne å bygge opp data for alle slags vitenskapelige studier, fra å finne ut hvordan supernovaer fungerer til å lære om universets første øyeblikk. Mens ingen andre astronomiske teleskoper så noe tegn på denne kollisjonen med svart hull, er noen av de andre kildene Advanced LIGO leter etter, å ha kolleger synlige for teleskoper som fanger lys.
Dette virker spesielt lovende med tanke på at Advanced LIGO ikke en gang er på sin fulle følsomhet ennå. Det vil komme i løpet av de neste årene, sier Stuver.
Hver av disse signalene vil gi astronomer det de aldri hadde hatt før: en måte å undersøke ekstreme tilfeller av tyngdekraft og bevegelser av usynlige gjenstander. Enda mer spennende vet astronomer at universet med hver teknologiske fremgang har en måte å overraske oss på.
"Hver gang vi har sett på en ny måte og annerledes lys, oppdager vi noe vi ikke forventet å finne, " sier Stuver. "Og det er den uventede tingen som revolusjonerer vår forståelse av universet." etter at astronomer snudde radioantenner på himmelen, oppdaget de en uventet type nøytronstjerne kalt en pulsar. Og kanskje poetisk var det en pulsar- og nøytronstjerne som drev en orbital-dans som Hulse og Taylor studerte på 1970-tallet.
Nå, med begynnelsen av gravitasjonsbølge-astronomien, har forskere et nytt verktøy for å ta prøver av kosmos. Og fra lyden av det, er vi ute etter litt vakker musikk.
Redaktørens merknad: Joan Centrellas tilknytning er korrigert.
