През февруари 2016 г. учени, работещи в Лазерния интерферометър за гравитационна вълнова обсерватория (LIGO), направиха история, когато обявиха първото по рода си откриване на гравитационни вълни. Оттогава са проведени множество открития и научни сътрудничества между обсерватории - като Advanced LIGO и Advanced Dego - позволяват безпрецедентни нива на чувствителност и споделяне на данни.
Не само първото откриване на гравитачните вълни беше историческо постижение, но и даде началото на нова ера на астрофизиката. Тогава не е чудно защо тримата изследователи, които бяха в центъра на първото откриване, бяха удостоени с Нобелова награда за физика за 2017 г. Наградата бе присъдена съвместно на професорите от Калтех. Emeritus Kip S. Barish, заедно с професора от MIT emeritus Rainer Weiss.
Казано по-просто, гравитационните вълни са пулсации в пространството-времето, които се формират от големи астрономически събития - като сливането на двоична двойка с черна дупка. Те за първи път бяха предсказани преди повече от век от Теорията на общата относителност на Айнщайн, която показа, че масовите смущения ще променят структурата на пространството-времето. Но едва през последните години доказателства за тези вълни се наблюдават за първи път.
Първият сигнал беше засечен от близнаците на обсерваториите на LIGO - съответно в Ханфорд, Вашингтон и Ливингстън, Луизиана - и се проследи до сливане на черен мол на 1,3 милиарда светлинни години. Към днешна дата са проведени четири открития, всички от които се дължат на сливанията на двойки с черни дупки. Те се състояха на 26 декември 2015 г., 4 януари 2017 г. и 14 август 2017 г., като последният е открит от LIGO и детектора на гравитационните вълни на Европейската Дева.
За ролята, която изиграха в това постижение, половината от наградата беше присъдена съвместно на Бари К. Бариш от Калтех - Роналд и Максин Линде, професор по физика, Емерит - и Кип С. Торн, професор по теоретична физика Ричард П. Фейнман , Emeritus. Другата половина беше присъдена на Райнер Вайс, професор по физика, Emeritus, от Масачузетския технологичен институт (MIT).
Както заяви президентът на Калтех Томас Ф. Розенбаум - президентският председател на Соня и Уилям Давидов и професор по физика, в неотдавнашно изявление на пресцентъра на Калтех:
„Щастлив съм и чест да поздравя Кип и Бари, както и Рай Вайс от MIT, за наградата тази сутрин на Нобеловата награда за физика за 2017 г. Първото пряко наблюдение на гравитационните вълни от LIGO е изключителна демонстрация на научно виждане и постоянство. Чрез четири десетилетия на развитие на изключително чувствителни уреди - изтласкващи капацитета на нашите въображения - сега сме в състояние да разгледаме космически процеси, които по-рано бяха неоткриваеми. Това е наистина началото на нова ера в астрофизиката. "
Това постижение беше още по-впечатляващо, като се има предвид, че Алберт Айнщайн, който пръв предсказа съществуването им, вярваше, че гравитационните вълни ще бъдат твърде слаби за изучаване. Въпреки това, през 60-те години напредъкът в лазерната технология и новите познания за възможните астрофизични източници накараха учените да стигнат до заключението, че тези вълни всъщност могат да бъдат открити.
Първите детектори за гравитационна вълна са построени от Джоузеф Вебер, астрофизик от университета в Мериленд. Неговите детектори, които са построени през 60-те години на миналия век, се състоят от големи алуминиеви цилиндри, които ще бъдат задвижвани да вибрират чрез преминаване на гравитационни вълни. Последваха други опити, но всички се оказаха неуспешни; подкана за преминаване към нов тип детектор, включващ интерферометрия.
Един такъв инструмент е разработен от Weiss в MIT, който разчита на техниката, известна като лазерна интерферометрия. При този вид инструмент гравитационните вълни се измерват с помощта на широко разположени и разделени огледала, отразяващи лазери на дълги разстояния. Когато гравитационните вълни предизвикват разтягане и изтласкване на пространството от безкрайно малки количества, това кара отразената светлина вътре в детектора да се измества мигновено.
В същото време Торн - заедно със своите студенти и постдокументи в Caltech - започна работа за усъвършенстване на теорията на гравитационните вълни. Това включва нови оценки за силата и честотата на вълните, произведени от обекти като черни дупки, неутронни звезди и свръхнови. Това завърши в статия от 1972 г., която Трон съвместно публикува със своя ученик Бил Прес, който обобщи тяхното виждане за това как могат да се изучават гравитационните вълни.
Същата година Вайс публикува и подробен анализ на интерферометрите и техния потенциал за астрофизични изследвания. В този документ той заявява, че по-мащабните операции - с размери на няколко километра или повече - може да имат изстрел при откриване на гравитационни вълни. Той също така определи основните предизвикателства пред откриването (като вибрации от Земята) и предложи възможни решения за противодействие.
През 1975 г. Вайс покани Торн да говори на заседание на комитета на НАСА във Вашингтон, D.C., и двамата прекараха цяла нощ в разговори за гравитационни експерименти. В резултат на техния разговор Торн се върна при Калтех и предложи да се създаде експериментална гравитационна група, която да работи върху интерферометри успоредно с изследователи от MIT, Университета в Глазгоу и Университета на Гарчинг (където се провеждат подобни експерименти).
Разработването на първия интерферометър започна малко след това в Caltech, което доведе до създаването на 40-метров (130-футов) прототип за тестване на теориите на Вайс за гравитационните вълни. През 1984 г. цялата работа, провеждана от съответните институции, се обедини. Caltech и MIT, с подкрепата на Националната научна фондация (NSF), формираха сътрудничеството LIGO и започнаха работа по двата си интерферометра в Ханфорд и Ливингстън.
Изграждането на LIGO беше голямо предизвикателство, както логистично, така и технически. Нещата обаче бяха помогнали изключително много, когато Бари Бариш (тогава физик на частиците в Калтех) стана главен следовател (PI) на LIGO през 1994 г. След десетилетие на задържани опити, той също беше направен директор на LIGO и постави строителството си обратно на пистата , Той също така разшири изследователския екип и разработи подробен работен план за NSF.
Както Бариш посочи, работата, която свърши с LIGO, беше нещо от сбъдната мечта:
„Винаги съм искал да бъда експериментален физик и ме привличаше идеята да използвам непрекъснат напредък в технологиите, за да провеждам фундаментални научни експерименти, които не могат да бъдат направени по друг начин. LIGO е отличен пример за онова, което не можеше да се направи преди. Въпреки че беше много мащабен проект, предизвикателствата бяха много различни от начина, по който изграждаме мост или извършваме други големи инженерни проекти. За LIGO предизвикателството беше и как да разработи и проектира модерни инструменти в голям мащаб, дори и да се развива проектът. "
До 1999 г. строителството се е увило в обсерваториите LIGO и до 2002 г. LIGO започва да получава данни. През 2008 г. започна работата по усъвършенстването на оригиналните му детектори, известни като Advanced LIGO Project. Процесът на конвертиране на 40-метровия прототип към сегашните 4-километрови (2,5 мили) интерферометри беше мащабно начинание и следователно трябваше да се раздели на стъпки.
Първата стъпка се проведе между 2002 и 2010 г., когато екипът изгради и изпробва първоначалните интерферометри. Въпреки че това не доведе до никакви открития, тя демонстрира основните концепции на обсерваторията и реши много от техническите пречки. Следващата фаза - наречена Advanced LIGO, която се проведе между 2010 и 2015 г. - позволи на детекторите да постигнат нови нива на чувствителност.
Тези подобрения, които се случиха и под ръководството на Barish, позволиха разработването на няколко ключови технологии, които в крайна сметка направиха възможно първото откриване. Както обясни Бариш:
„В началната фаза на LIGO, за да изолираме детекторите от движението на Земята, използвахме система за окачване, състояща се от огледала за тестови маси, окачени на пиано тел и използвахме многоетапен набор от пасивни амортисьори, подобни на тези в колата си. Знаехме, че това вероятно няма да бъде достатъчно добро за откриване на гравитационни вълни, затова в лабораторията LIGO разработихме амбициозна програма за Advanced LIGO, която включи нова система за окачване за стабилизиране на огледалата и активна система за сеизмична изолация, която да усети и коригира за основни движения. "
Като се има предвид колко централни Торн, Вайс и Бариш са били в изследването на гравитационните вълни, и тримата са с право признание като носители на тази година на Нобеловата награда по физика. И Торн, и Бариш бяха уведомени, че са спечелили в ранните сутрешни часове на 3 октомври 2017 г. В отговор на новината и двамата учени бяха сигурни, че признават продължаващите усилия на LIGO, научните екипи, които са допринесли за него и усилията на Caltech и MIT за създаване и поддържане на обсерваториите.
„Наградата с право принадлежи на стотиците учени и инженери на LIGO, които са изградили и усъвършенствали нашите сложни гравитационни вълнови интерферометри, и стотиците учени от LIGO и Дева, които са открили сигналите на гравитационната вълна в шумните данни на LIGO и са извличали информацията за вълните, - каза Торн. "Жалко е, че поради устава на Нобелова фондация наградата трябва да отиде на не повече от трима души, когато нашето чудно откритие е дело на повече от хиляда."
„Смирен съм и чест да получа тази награда“, каза Бариш. „Откриването на гравитационни вълни наистина е триумф на съвременната мащабна експериментална физика. През няколко десетилетия нашите екипи от Caltech и MIT разработиха LIGO в невероятно чувствителното устройство, което направи откритието. Когато сигналът достигна до LIGO от сблъсък на две звездни черни дупки, възникнал преди 1,3 милиарда години, научното сътрудничество на LIGO с 1000 учени успя да идентифицира кандидат-събитието в рамките на минути и да извърши подробния анализ, който убедително показа, че гравитационните вълни съществува. "
Гледайки напред, също е доста ясно, че Advanved LIGO, Advanced Dego и други гравитационни обсерватории с гравитационни вълни едва започват. Освен че откриха четири отделни събития, последните проучвания показват, че гравитационното откриване на вълни може да отвори и нови граници за астрономически и космологични изследвания.
Например, неотдавнашно проучване на екип от изследователи от Центъра за астрофизика на Монаш предложи теоретична концепция, известна като „сирак-памет“. Според техните изследвания гравитационните вълни не само причиняват вълни в пространството-времето, но оставят постоянни пулсации в структурата му. Чрез изучаване на „сираците” на минали събития, гравитационните вълни могат да бъдат изучавани както при достигане на Земята, така и дълго след като преминат.
Освен това през август беше публикувано проучване от екип от астрономи от Центъра по космология в Калифорнийския университет Ирвайн, който посочи, че сливанията на черни дупки са много по-чести, отколкото мислехме. След като проведе проучване на Космоса, предназначен да изчисли и категоризира черните дупки, екипът на UCI определи, че в галактиката може да има до 100 милиона черни дупки.
Друго скорошно проучване показа, че напредналата мрежа LIGO, GEO 600 и Дева гравитационна вълнова детекторна мрежа също може да се използва за откриване на гравитационните вълни, създадени от свръхнови. Чрез откриване на вълните, създадени от звезда, които избухват близо до края на жизнения им период, астрономите биха могли да могат да видят вътре в сърцата на рухнали звезди за първи път и да изследват механиката на образуването на черни дупки.
Нобеловата награда по физика е едно от най-високите отличия, които могат да бъдат дадени на учен. Но още по-голямо от това е знанието, че велики неща са резултат от собствената работа. Десетилетия след Торн, Вайс и Бариш започват да предлагат гравитационни вълнови изследвания и да работят за създаването на детектори, учени от цял свят правят дълбоки открития, които правят революция по начина, по който мислим за Вселената.
И както тези учени със сигурност ще свидетелстват, това, което видяхме досега, е само върхът на айсберга. Човек може да си представи, че някъде Айнщайн също грее от гордост. Както и при други изследвания, отнасящи се до неговата теория за общата относителност, изследването на гравитационните вълни демонстрира, че дори и след един век прогнозите му все още не са успели!
И не забравяйте да разгледате това видео от пресконференцията в Калтех, където Бариш и Торн бяха отличени за постиженията си:
