Møt teamet av forskere som oppdaget gravitasjonsbølger

Det var et øyeblikk, bare et øyeblikk, da alle så ut til å ta en pause fra å snakke om kriger og politikk og se opp på himmelen. 11. februar 2016 rapporterte store nyhetssteder at for første gang hadde menneskeheten oppdaget tyngdekraftsbølger som gikk forbi Jorden fra det dypeste ytre rom, et uutholdelig subtilt, men likevel dypfenomen som først ble spådd av Albert Einstein i 1916. Bølgene kom fra to sorte hull som kolliderte for 1, 3 milliarder år siden, en kosmisk påvirkning som genererte ti ganger mer kraft enn lysstyrken til alle stjernene i det observerbare universet kombinert. Men tyngdekraftsbølgene det skapte bleknet til et bløtt når de kruset gjennom rom og tid. Ingen instrumenter hadde noen gang klart å oppdage dem - før nå.

Fra denne historien

Black Hole Blues og andre sanger fra det ytre rom

Kjøpe

Relatert innhold

• Forskere hører to enda flere eldgamle svarte hull kolliderer

Selv om bragden ble gjort mulig av mer enn 1000 forskere og ingeniører som jobbet i flere tiår, var de viktigste flyttene Kip Thorne, Ronald Drever og Barry Barish, hele Caltech; og Rainer Weiss av MIT. For å fange opp deres umulig ørsmå steinbrudd, distribuerte de en unik enorm detektor, 620 millioner dollar Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO, som har en del i Louisiana og en annen i Washington State.

Thorne aksjonerte for prosjektet gjennom 1980- og 1990-tallet i en serie høyprofilerte foredrag rundt om i verden. Lanky og skjeggete var han allerede en legende innen astrofysikk - en teoretiker med en visjon så ekspansiv at han senere ville hjelpe til med å lage Hollywood-filmer som Interstellar . Da han startet sin karriere, trodde mange fysikere at gravitasjonsbølger i seg selv var science fiction, til tross for Einsteins prediksjon. I en skarp pause fra Newtons fysikk hadde Einsteins generelle relativitetsteori antydet at tyngdekraften genererte tidligere uoppdagede krusninger som beveget seg gjennom rom-tid på en måte som i lyd.

Å måle disse bølgene virket imidlertid nesten umulig. Sammenlignet med andre krefter er tyngdekraften ekstremt svak. Den elektromagnetiske kraften mellom to elektroner er 10 ⁴⁰ (mer enn en billion ganger en billion ganger en billion) sterkere enn gravitasjonsattraksjonen. Å registrere en gravitasjonsbølge vil kreve ekstremt massive gjenstander og utenkelig følsomme instrumenter.

Fortsatt sier Thorne at han trodde at gravitasjonsbølger eksisterte da han startet sin doktorgrad i 1962. Gjennom 1970-tallet kom de fleste andre forskere til å være enige med ham, overtalt av lufttette matematiske modeller og tankeeksperimenter. Musikken var der ute. De hadde bare ikke hørt det ennå.

LIGO, som ble bygget på midten av 1990-tallet og først ble aktivert i 2002, ble designet for å være utsøkt følsom for de små trillingene. Observatoriet omfattet to gigantiske L-formede detektorer som ligger 1865 miles fra hverandre. Avstanden mellom dem, og den eksterne beliggenheten til de to stedene, ville forhindre de to instrumentene i å plukke opp forstyrrelser fra den samme jordiske skjelven eller passere lastebil. Hver detektor var sammensatt av to 2, 5-mils armer med en laser i krysset, delt i to bjelker og speil i hver ende. Når en gravitasjonsbølge passerte gjennom rørene, spådde forskere at den ville fordreie rom-tid bare litt - omtrent en ti tusendel av diameteren til ett proton. Den minuscule forvrengningen ville være nok til å endre lengden på rørene og få laseren til å skinne på detektorene.

Editor's Note, 28. februar 2017: Denne artikkelen refererte opprinnelig til den elektromagnetiske “pull” mellom to elektroner, men “force” er et bedre ord for å beskrive det.

Abonner på Smithsonian magasin nå for bare $ 12

Denne artikkelen er et utvalg fra desemberutgaven av Smithsonian magazine

Kjøpe

Den første runden med LIGO-eksperimenter for mer enn ti år siden klarte ikke å hente signal. Men i en stor fordobling av deres første innsats, overbeviste forskerne National Science Foundation om å bruke ytterligere 200 millioner dollar for å oppgradere LIGO, og innen 2015 ble arbeidet gjort. Forskerteamet inkluderte nå mer enn 1000 forskere ved 90 institusjoner rundt om i verden. Forventningene var overveldende. I august i fjor fortalte Weiss Janna Levin - en astrofysiker i Columbia som skrev en bok om LIGO kalt Black Hole Blues og andre sanger fra verdensrommet - "Hvis vi ikke oppdager sorte hull, er denne tingen en fiasko."

Mandag 14. september 2015 kom en gravitasjonsbølge fra et sted dypt på sørhimmelen. Den pinget instrumentet i Louisiana, før han cruise over USA for å pinge instrumentet i Washington State syv millisekunder senere. Klokka 05:51 registrerte endelig utstyret til LIGO den lille kvitringen.

Som Levin uttrykte det, var LIGOs store bragd at den la et lydspor til det som tidligere hadde vært en stille film. Nittifem prosent av universet er mørkt, noe som betyr at det er utenfor målingen av våre mest avanserte teleskoper og radarapparater. Den svake gravitasjonsbølgen gjorde at forskere kunne oppdage et par sorte hull for aller første gang - og de var mye større enn forventet. Den ene var 29 ganger massen og den andre 35 ganger massen til Sola.

Da Thorne og Weiss først så loggene, bekymret de seg for at hackere hadde satt inn korrupte data i loggene. (Drever var ikke i stand til å dele svaret hans: Han hadde falt uvel i løpet av årene og var i et omsorgs hjem i hjemlandet Skottland.) Det tok flere uker med undersøkelser før forskerne kom til rette for deres gjennomføring.

26. desember 2015 registrerte LIGO gravitasjonsbølger fra en annen fusjon i svart hull. Forskerne jobber fremdeles med å finjustere instrumentene, som de sier bare vil bli bedre til å måle fjerne kosmiske avstander.

Det å oppdage sorte hull, selv om det er virkelig viktig, er bare begynnelsen. I økende grad vil vi oppdage hvor mye vi ikke vet. Det er den virkelige spenningen for Thorne, Weiss og deres kolleger. Hva om mørk materie figurerer i tyngdekraften på måter ingen noen gang har vurdert? Hvis vi tar opp gravitasjonsbølger fra like etter Big Bang, hva vil dette lære oss om universets natur? Takket være LIGO kan vi nå begynne å høre de fascinerende komposisjonene som ringer mellom stjernene, den fremdeles ukjente musikken til hva annet som er der ute

"De har gitt menneskeheten en helt ny måte å se på universet på." Stephen Hawking gratulerer Kip Thorne, Rainer Weiss, Barry Barish og Ronald Drever, de første forskerne som oppdaget gravitasjonsbølger, ved Smithsonian-magasinet 2016 Ingenuity Awards. I år kunngjorde geniene bak LIGO at de endelig hadde funnet det Albert Einstein hadde spådd for et århundre siden.