For mer enn en milliard år siden, i en galakse langt, langt borte, utførte to sorte hull de siste trinnene i en hurtigfot de deux, og konkluderte med en endelig omfavnelse så voldelig at den ga ut mer energi enn den samlede produksjonen til hver stjerne i hver galakse i det observerbare universet. Likevel, i motsetning til stjernelys, var energien mørk og ble båret av den usynlige tyngdekraften. 14. september 2015, klokken 05:51 østlig dagslys, nådde et fragment av den energien, i form av en "gravitasjonsbølge, Jorden, redusert av sin enorme gjennomgang over rom og tid til bare en hvisking av dens dundrende begynnelse.
Relaterte leser
Det elegante universet
KjøpeSå vidt vi vet, har Jorden blitt badet i denne typen gravitasjonsforstyrrelser før. Ofte. Forskjellen denne gangen er at to overveldende presise detektorer, den ene i Livingston, Louisiana og den andre i Hanford, Washington, sto klar. Da gravitasjonsbølgen rullet forbi, kildet den detektorene, og ga den umiskjennelige signaturen om å kollidere svarte hull på den andre siden av universet og markerte begynnelsen på et nytt kapittel i menneskehetens utforskning av kosmos.
Da ryktene om funnet begynte å sirkulere i januar, rullet jeg øynene på det som åpenbart var en falsk alarm eller en anelse for å få litt surr. Som et forskningsprogram langt inn i det femte tiåret, var jakten på gravitasjonsbølger for lengst blitt den største oppdagelsen som alltid svevde i horisonten. Fysikere hadde blitt trukket tilbake for å vente på sin gravitasjonsgudot.
Men menneskelig oppfinnsomhet og utholdenhet har seiret. Det er en av de seirene som gir til og med de av oss som heier fra sidelinjen rygg-prikkende skjelving.
Her er historien, i et nøtteskall.
Den siste november feiret verden hundreårsdagen for Einsteins største oppdagelse, den generelle relativitetsteorien, som avslørte et nytt paradigme for å forstå tyngdekraften. Isaac Newtons tilnærming forutsier riktig gravitasjonsattraksjonen mellom to objekter, men gir ingen innsikt i hvordan noe her kan nå ut over tomt rom og trekke på noe der. Einstein brukte et tiår på å prøve å bestemme hvordan tyngdekraften formidles, og konkluderte til slutt at rom og tid danner den usynlige hånden som gjør tyngdekraften bud.
Abonner på Smithsonian magasin nå for bare $ 12
Denne historien er et utvalg fra aprilutgaven av Smithsonian magazine
KjøpeValgmetaforen, overforbrukt, men stemningsfullt, er å tenke på plass som en trampoline. Plasser en bowlingkule midt på trampolinen, slik at den bøyes, og en marmor blir dyttet for å reise langs en buet bane. På samme måte bekjente Einstein at nær et astronomisk legeme som solen, romtidsmiljøkurver, noe som forklarer hvorfor Jorden, omtrent som marmoren, følger en buet bane. I 1919 bekreftet astronomiske observasjoner denne bemerkelsesverdige visjonen, og gjorde Einstein Einstein.
Einstein presset sin betydningsfulle oppdagelse videre. Til det tidspunktet hadde han fokusert på statiske situasjoner: å bestemme den faste formen til et område i romtiden som oppsto fra en gitt mengde materie. Men Einstein vendte seg da mot dynamiske situasjoner: Hva ville skje med romtidsstoffet hvis saken skulle bevege seg og riste? Han skjønte at omtrent som barn som hopper på en trampoline genererer bølger i overflaten som rippes utover, materie som beveger seg på denne måten, og som vil generere bølger i stoffet i romtiden som krusning utover, også. Og siden buet romtid i henhold til generell relativitet er tyngdekraften, er en bølge av buet romtid en bølge av tyngdekraften.
Gravitasjonsbølger representerer generell relativitetens viktigste avgang fra Newtonsk tyngdekraft. Fleksibel romtid er sikkert en dyptgripende omarbeidelse av tyngdekraften, men i kjente sammenhenger som tyngdekraften fra Solen eller Jorden, skiller Einsteins spådommer knapt seg fra Newtons. Fordi Newtonsk tyngdekraft er taus når det gjelder hvordan tyngdekraften overføres, har imidlertid forestillingen om ferdige gravitasjonsforstyrrelser ingen plass i Newtons teori.
Einstein hadde selv spørsmål om sin predikasjon av gravitasjonsbølger. Når du først møter de subtile likningene av generell relativitet, er det utfordrende å skille abstrakt matematikk fra målbar fysikk. Einstein var den første som engasjerte seg i denne tusselen, og det var trekk som til og med han, relativitetens cynosure, ikke klarte å forstå helt. Men på 1960-tallet etablerte forskere ved å bruke mer raffinerte matematiske metoder over enhver tvil at gravitasjonsbølger var et kjennetegn ved den generelle relativitetsteorien.
En illustrasjon av gravitasjonsbølger (John Hersey) Hvordan kunne da denne ikoniske prediksjonen testes? I 1974 oppdaget Joseph Taylor og Russell Hulse, med Arecibo-radioteleskopet, en binær pulsar: to kretsende nøytronstjerner hvis omkretsperiode kunne spores med stor presisjon. I henhold til generell relativitet, genererer de omløpende stjernene en jevn marsj av tyngdekraftsbølger som tapper energi, noe som får stjernene til å falle nærmere hverandre og gå i bane raskere. Observasjoner bekreftet denne prediksjonen til en T, og ga bevis, om enn indirekte, for at gravitasjonsbølger er reelle. Hulse og Taylor mottok Nobelprisen i 1993.
Prestasjonen gjorde bare direkte påvisning av gravitasjonsbølger desto mer forlokkende. Men oppgaven var skremmende. Beregninger viser at når en gravitasjonsbølge rippes gjennom rommet, vil alt i veien bli alternativt strukket og klemt langs aksene vinkelrett på bølgens bevegelsesretning. En gravitasjonsbølge som gikk rett mot USA ville vekselvis strekke og klemme mellom New York og California, og mellom Texas og North Dakota. Ved nøyaktig å overvåke slike avstander, bør vi dermed kunne kartlegge bølgen som går.
Utfordringen er at mye som en krusning i et tjern dør ned når den sprer seg, en gravitasjonsrykk utvannes når den reiser fra kilden. Siden store kosmiske kollisjoner typisk skjer veldig langt fra oss (heldigvis), når gravitasjonsbølgene som gyver når Jorden, er mengden strekk og klemming de forårsaker liten - mindre enn en atomisk diameter. Å oppdage slike endringer er på nivå med å måle avstanden fra Jorden til den nærmeste stjernen utover solsystemet med en nøyaktighet som er bedre enn tykkelsen på et ark.
Det første forsøket, som ble pioner av University of Marylands Joseph Weber på 1960-tallet, brukte flerston solide aluminiumsylindere, i håp om at de forsiktig ville resonere som kjempestemmegafler som svar på en passerende gravitasjonsbølge. På begynnelsen av 1970-tallet hevdet Weber suksess, big time. Han rapporterte at gravitasjonsbølger ringte detektoren hans nesten daglig. Denne betydningsfulle bragden inspirerte andre til å stadfeste Webers påstander, men etter mange års forsøk var det ingen som kunne fange en eneste bølge.
Webers iherdige tro på resultatene hans, lenge etter at de innsamlede bevisene antydet noe annet, bidro til et perspektiv som har farget feltet i flere tiår. Gjennom årene trodde mange forskere, som også Einstein, at selv om gravitasjonsbølger var reelle, ville de ganske enkelt være for svake til noensinne å bli oppdaget. De som forsøkte å finne dem var på et tåpelig ærend, og de som trodde påstander om påvisning ble lurt.
På 1970-tallet vendte de få som fremdeles hadde gravitasjonsbølgefeilen til et mer lovende deteksjonsskjema der lasere ville bli brukt til å sammenligne lengdene på to lange identiske tunneler orientert 90 grader med hverandre. En passerende gravitasjonsbølge ville strekke den ene tunnelen mens den klemte den andre og litt endre avstandene som ble reist med laserstråler avfyrt langs hver. Når de to laserstrålene deretter blir rekombinert, er det resulterende mønsteret som lyset danner følsom for små forskjeller i hvor langt hver stråle har gått. Hvis en gravitasjonsbølge ruller forbi, vil selv minusculeforstyrrelsen den skaper etterlate et modifisert lasermønster i kjølvannet.
Det er en vakker idé. Men jackhammere i nærheten, buldrende lastebiler, vindkast eller fallende trær kan forstyrre et slikt eksperiment. Når du søker lengdeforskjeller på mindre enn en milliarddel av en milliardedelsmeter, blir evnen til å skjerme apparatet mot enhver mulig miljøopprør, uansett hvor liten den er, viktig. Med det tilsynelatende uoverkommelige kravet ble naysayers forsynt med enda mer ammunisjon. Å fange en gravitasjonsbølge ville gjøre at Horton hørte en Who, selv over den brølende dinen i New York City-t-banen, bare barns lek.
Likevel drømte de amerikanske fysikerne Kip Thorne og Rainer Weiss, senere sammen med den skotske fysikeren Ronald Drever, om å bygge en laserbasert gravitasjonsbølgedetektor, og de satte hjulene i gang for å gjøre denne drømmen til virkelighet.
I 2002, etter et par tiår med forskning og utvikling og mer enn en investering på $ 250 millioner fra National Science Foundation, ble to vitenskapelige og teknologiske vidunder som utgjør LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) distribuert i Livingston, Louisiana, og Hanford, Washington. Fire kilometer lange evakuerte tunneler i form av et gigantisk bokstav "L" ville huse en laserstråle som er 50.000 ganger kraftigere enn en standard laserpeker. Laserlyset spretter fram og tilbake mellom verdens glatteste speil, plassert i motsatte ender av hver arm, og søkte et lite misforhold i tiden det tar hver for å fullføre reisen.
Forskerne ventet. Og ventet. Men etter åtte år, ingenting. Skuffende, for å være sikker, men som forskerteamene hevdet, ikke overraskende. Beregninger hadde vist at LIGO knapt var på følsomhetsgrensen for å oppdage gravitasjonsbølger. Så i 2010 ble LIGO lagt ned for forskjellige oppgraderinger, til en verdi av mer enn 200 millioner dollar, og høsten 2015 ble en forbedret LIGO, mange ganger mer følsom, slått på. Sjokkerende, mindre enn to dager senere, raslet en plutselig skjelving detektoren i Louisiana, og syv millisekunder senere rykket detektoren i Washington på nesten nøyaktig samme måte. Mønsteret av de delikate vibrasjonene stemte overens med datamaskinsimuleringene som spådde for tyngdekraftsbølger som ville bli produsert av de endelige tristene i bane svarte hull som krasjer sammen.
En venn av meg på innsiden, sverget til hemmelighold, men villig til å gi et ikke-så-subtilt hint, sa til meg, "Bare forestill deg at vår villeste drøm har gått i oppfyllelse." Men det var dette som traff gravitasjonsbølgeknuten som ga forskerne pause. Det var nesten for perfekt.
LIGO-apparatet er avhengig av nøyaktig konstruerte - og helt rene - speil. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Med noen måneder med intens, flittig innsats for å undersøke alle andre forklaringer, uansett usannsynlige, var det bare en konklusjon som sto igjen. Signalet var ekte. Et århundre etter at Einstein spådde deres eksistens, ble den første direkte påvisningen av tyngdekraftsbølger feiret av de mer enn 1000 forskerne som arbeidet med LIGO-eksperimentet. De hadde fanget den øyeblikkelige mumlingen av en gravitasjons tsunami som ble sluppet løs for mer enn en milliard år siden, som skyld i en mørk fusjon et sted på den dype sørlige himmelen.
Den offisielle pressemeldingen 11. februar i Washington, DC, var elektrisk. På min egen institusjon, Columbia University, måtte vi flytte livestrømmen av saksgangen til et av de største stedene på campus, og lignende historier som ble spilt på universiteter over hele verden. For et kort øyeblikk trumfte gravitasjonsbølger presidentens prognostisering.
Spenningen var berettiget. Historien vil se tilbake på funnet som et av de få bøyningspunktene som endrer vitenskapens gang. Helt siden det første mennesket så skyhøyt ut, har vi utforsket universet ved hjelp av bølger av lys. Teleskopet forbedret denne evnen betydelig, og med det møtte vi prakten av nye kosmiske landskap. I løpet av 1900-tallet utvidet vi slags lyssignaler vi oppdager - infrarød, radio, ultrafiolett, gamma og røntgenstråler - alle former for lys, men med bølgelengder utenfor det området vi kan se med det blotte øye. Og med disse nye sonderne ble det kosmiske landskapet rikere.
Gravitasjonsbølger er en helt annen type kosmisk sonde, med potensialet til å gi enda mer dramatiske konsekvenser. Lys kan blokkeres. Et ugjennomsiktig materiale, som en vinduskygge, kan blokkere synlig lys. Et metallbur kan blokkere radiobølger. Derimot passerer tyngdekraften gjennom alt, tilnærmet uendret.
Og så, med tyngdekraftsbølger som vår sonde, vil vi kunne undersøke riker som er utenfor grensen for lys, som den kaotiske romtiden som krypteres når to sorte hull kolliderer eller kanskje den ville brusen fra selve big bang, for 13, 8 milliarder år siden. Observasjonen har allerede bekreftet ideen om at sorte hull kan danne binære par. Mer fristende fremdeles kan vi finne et mørkt landskap befolket av ting vi ennå ikke har forestilt oss.
Som et nettverk av detektorer over hele kloden - i Italia, Tyskland, snart Japan og sannsynligvis India - samler dataene sine, forhåpentligvis vil bli sammenføyd med en enorm detektor som opererer i verdensrommet, vil vår evne til å undersøke kosmos ta et gigantisk sprang framover. Noe som er helt spennende. Det er ikke noe mer inspirerende enn vår kapasitet, midt i våre stadig tilstedeværende landekamp, for å slå opp, undre og ha oppfinnsomhet og dedikasjon til å se litt lenger.
**********
