В миналото астрономите можеха да виждат небето само при видима светлина, използвайки очите си като рецептори. Но какво ще стане, ако имате гравитационни очи? Айнщайн предсказа, че най-екстремните обекти и събития във Вселената трябва да генерират гравитационни вълни и да изкривят пространството около тях. Нов експеримент, наречен Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (или LIGO), може да направи първото откриване на тези гравитационни вълни.
Чуйте интервюто: Виждане с гравитационни очи (7,9 MB)
Или се абонирайте за Podcast: universetoday.com/audio.xml
Фрейзър Кейн: Добре, така че какво е гравитационна вълна?
Д-р Сам Уолдман: Така гравитационната вълна може да се обясни, ако си спомняте, че масата изкривява пространството и времето. Така че, ако си спомняте аналогията на лист, издърпан опънат с топка за боулинг, хвърлен в средата на листа, огъване на листа; където топката за боулинг е маса, а листът представлява пространствено време. Ако преместите тази топка за боулинг напред и назад много бързо, ще направите пулсации в листа. Същото важи и за масите в нашата Вселена. Ако движите звезда напред-назад много бързо, ще направите пулсации в космическото време. И тези пулсации в космическото време се наблюдават. Наричаме ги гравитационни вълни.
Фрейзър: Сега, ако се разхождам из стаята, това ще предизвика ли гравитационни вълни?
Д-р Уолдман: Добре. Доколкото знаем, гравитацията работи при всякакви мащаби и за всички маси, но пространственото време е много твърдо. Така че нещо като моето 200-килограмово самостоятелно придвижване през офиса няма да предизвика гравитационни вълни. Необходими са изключително масивни предмети, които се движат много бързо. Така че, когато гледаме да откриваме гравитационни вълни, ние търсим обекти от мащаба на слънчевата маса. По-специално, ние търсим неутронни звезди, които са между 1,5 и 3 слънчеви маси. Търсим черни дупки, до няколкостотин слънчеви маси. И ние търсим тези обекти да се движат много бързо. Така че когато говорим за неутронна звезда, ние говорим за неутронна звезда, която се движи с почти скоростта на светлината. Всъщност, той трябва да вибрира със скоростта на светлината, не може просто да се движи, трябва да се тресе напред-назад много бързо. И така, те са много уникални, много масивни катаклизни системи, които търсим.
Фрейзър: Гравитационните вълни са чисто теоретични, нали? Те бяха предсказани от Айнщайн, но все още не са видени?
Д-р Уолдман: Те не са наблюдавани, те са направени. Има пулсарна система, чиято честота се върти надолу със скорост, съответстваща на излъчването на гравитачните вълни. Това е PSR 1913 + 16. И че орбитата на тази звезда се променя. Това е извод, но разбира се, това не е наблюдение директно от гравитационните вълни. Съвсем ясно е, че те трябва да съществуват. Ако законите на Айнщайн съществуват, ако общата относителност работи и тя работи много добре при много мащаби на дължината, тогава съществуват и гравитационни вълни. Просто са много трудни за разбиране.
Фрейзър: Какво ще отнеме, за да може да ги открие? Звучи, че са много катаклизмични събития. Големи големи черни дупки и неутронни звезди се движат наоколо, защо са толкова трудни за намиране?
Д-р Уолдман: Има два компонента за това. Едно е, че черните дупки не се сблъскват през цялото време, а неутронните звезди не се разклащат на нито едно старо място. Така че броят на събитията, които могат да причинят наблюдателни гравитационни вълни, всъщност е много малък. Сега говорим за галактиката Млечен път с едно събитие на всеки 30-50 години.
Но другата част на това уравнение е, че самите гравитационни вълни са много малки. Така те въвеждат това, което наричаме щам; това е промяна на дължината на единица дължина. Например, ако имам мерник, дълъг един метър, и гравитационната вълна ще хлътне тази критерия, докато минава. Но нивото, че то ще размаже мерника е изключително малко. Ако имам метър за измерване на 1 метър, той ще предизвика смяна само на 10e-21 метра. Това е много много малка промяна. Разбира се, наблюдаването на 10е-21 метра е голямото предизвикателство при наблюдаването на гравитационна вълна.
Фрейзър: Ако измервате дължината на критерия с друга критерий, дължината на тази друга критерия ще се променя. Виждам, че е трудно да се направи.
Д-р Уолдман: Точно така, имате проблем. Начинът, по който решаваме проблема с критериите е, че всъщност имаме 2 критерии и ги формираме в L. И начинът, по който ги измерваме, е да използваме лазер. А начинът, по който сме подредили мерника си, всъщност е в 4-километрова „L“. Има две рамена, всяка от които е 4 км. И в края на всяко рамо има 4-килограмова кварцова тестова маса, от която отскачаме лазерите. И когато гравитационната вълна попадне през този „L“ образен детектор, той опъва единия крак, докато свива другия крак. И това прави на стойност 100 херца, в рамките на аудио честоти. Така че, ако слушате движението на тези маси, чувате бръмчене при 100 херца. И така, това, което измерваме с нашите лазери, е диференциалната дължина на рамото на този голям, "L" интерферометър. Ето защо това е LIGO Това е обсерваторията на гравитационните вълни на лазерния интерферометър.
Фрейзър: Нека видим дали разбирам правилно това. Преди милиарди години една черна дупка се сблъсква с друга и поражда куп гравитационни вълни. Тези гравитационни вълни преминават през Вселената и се мият покрай Земята. Когато минават покрай Земята, те удължават едното от тези ръце и свиват другото и можете да откриете тази промяна, като лазерът подскача напред-назад.
Д-р Уолдман: Точно така. Предизвикателството, разбира се, е, че тази промяна в дължината е изключително малка. В случая на нашите 4 км интерферометри, промяната на дължината, която измерваме в момента, е 10е-19 метра. И за да добавите скала върху това, диаметърът на атомно ядро е само 10е-15 метра. Така че нашата чувствителност е субатомна.
Фрейзър: И така какви видове събития трябва да можете да откриете в този момент?
Д-р Уолдман: Това е всъщност очарователна област. Аналогията, която обичаме да използваме, е, че да гледаме на Вселената с радиовълни, беше да гледаме на Вселената с телескопи. Нещата, които виждате са напълно различни. Вие сте чувствителни към напълно различен режим на Вселената. По-специално, LIGO е чувствителен към тези катаклизмични събития. Класифицираме събитията си в 4 широки категории. Първият, който наричаме изблици, и това е нещо като образуваща се черна дупка. Така се получава експлозия на свръхнова и толкова много материя се движи толкова бързо, че образува черни дупки, но не знаете как изглеждат гравитационните вълни. Всичко, което знаете е, че има гравитационни вълни. Това са неща, които се случват изключително бързо. Те продължават най-много 100 милисекунди и се получават от образуването на черни дупки.
Друго събитие, което разглеждаме е, когато два обекта са в орбита един с друг, да речем две неутронни звезди, които се въртят в орбита помежду си. В крайна сметка диаметърът на тази орбита намалява. Неутронните звезди ще се слеят, те ще паднат една в друга и ще образуват черна дупка. И за последните няколко орбити, тези неутронови звезди (имайте предвид, че те са обекти, които тежат 1,5 до 3 слънчеви маси), се движат с големи фракции от скоростта на светлината; да речем 10%, 20% от скоростта на светлината. И това движение е много ефективен генератор на гравитационни вълни. Това е, което използваме като стандартната си свещ. Това смятаме, че знаем, че съществува; знаем, че са там, но не сме сигурни колко от тях излязат в даден момент. Не сме сигурни как изглежда неутронна звезда в спирала при радиовълни или рентгенови лъчи, при оптично излъчване. Така че е малко трудно да се изчисли точно колко често ще видите или в спирала, или свръхнова.
Фрейзър: Сега ще можете ли да откриете посоката им?
Д-р Уолдман: Имаме два интерферометра. Всъщност имаме два сайта и три интерферометра. Един интерферометър е в Ливингстън Луизиана, който е точно на север от Ню Орлеанс. И другият ни интерферометър е в източния щат Вашингтон. Тъй като имаме два интерферометра, можем да направим триангулация в небето. Но е останала известна несигурност къде точно се намира източникът. В света има и други сътрудничества, с които работим доста тясно в Германия, Италия и Япония, и те също имат детектори. Така че, ако множество детектори в множество сайтове видят гравитационна вълна, тогава можем да свършим много добра работа при локализирането. Надеждата е, че виждаме гравитационна вълна и знаем откъде идва. След това казваме на колегите ни по радиоастрономи и колегите на рентгеновите астрономи, както и на колегите от оптичните астрономи да отидат да гледат тази част от небето.
Фрейзър: Има няколко нови големи телескопа на хоризонта; прекалено големи и гигантски големи, и Магелан ... големите телескопи, слизащи по тръбата, с доста големи бюджети за харчене. Нека да кажем, че можете надеждно да намерите гравитационни вълни, това е почти като добавя нов спектър към нашето откриване. Ако в някои от тези детектори за гравитационна вълна бяха вложени големи бюджети, за какво смятате, че биха могли да се използват?
Д-р Уолдман: Както казах преди, това е като революцията в астрономията, когато радио телескопите за пръв път се появиха в интернет. Гледаме фундаментално различен клас явления. Трябва да кажа, че лабораторията LIGO е доста голяма лаборатория. Работим над 150 учени, така че това е голямо сътрудничество. И се надяваме да си сътрудничим с всички оптични и радиоастрономи, като вървим напред. Но е малко трудно да се предвиди какъв път ще поеме науката Мисля, че ако говорите с много общи релативисти, най-вълнуващата характеристика на гравитационните вълни е, че правим нещо, наречено Силна полева обща относителност. Това е всичко, което може да измерите, като гледате звезди и галактики, е много слабо. Не участва много маса, не се движи много бързо. На много големи разстояния Като има предвид, че когато говорим за сблъсък на черна дупка и неутронна звезда, този последен бит, когато неутронната звезда попадне в черната дупка, е изключително насилен и проучва царство на общата относителност, което просто не е много достъпен с нормални телескопи, с радио, с рентген. Така че надеждата е, че там има някаква принципно нова и вълнуваща физика. Мисля, че това, което ни мотивира основно е, бихте могли да го наречете, забавление с общата относителност.
Фрейзър: И кога се надявате да откриете първото си откриване.
Д-р Уолдман: Значи интерферометрите LIGO - и трите интерферометра - които LIGO оперира, работят при конструктивна чувствителност и в момента сме в средата на нашия S5 цикъл; петият ни научен цикъл, който е дългогодишен. Всичко, което правим за една година, е да се опитаме да търсим гравитационни вълни. Както при много неща в астрономията, повечето от нея са изчакайте и вижте. Ако свръхнова не избухне, тогава няма да я видим, разбира се И затова трябва да сме онлайн толкова дълго, колкото е възможно. Счита се, че вероятността да наблюдаваме събитие, подобно на свръхнова събитие, е в района на - при нашата сегашна чувствителност - смята се, че ще го виждаме на всеки 10-20 години. Има голям диапазон В литературата има хора, които твърдят, че ще се виждаме многократно на година, а след това има хора, които твърдят, че ние никога няма да видим чувствителността си. А консервативната средна основа е веднъж на всеки 10 години. От друга страна, ние модернизираме нашите детектори веднага след приключване на това изпълнение. И подобряваме чувствителността с коефициент 2, което би увеличило честотата ни на откриване с фактор 2 куб. Тъй като чувствителността е радиус и ние изследваме силата на звука в пространството. С този коефициент 8-10 в степента на откриване, ние трябва да наблюдаваме събитие веднъж годишно или така. И след това, ние надграждаме до това, което се нарича Advanced LIGO, което е фактор от 10 подобрение на чувствителността. В този случай почти определено ще виждаме гравитационни вълни веднъж на ден или така; на всеки 2-3 дни. Този инструмент е проектиран да бъде много истински инструмент. Искаме да правим гравитационна астрономия; да се виждат събития на всеки няколко дни. Това ще бъде като пускане на сателита на Swift. Веднага след като Swift се покачи, ние започнахме да виждаме изблици на гама лъчи през цялото време и Advanced LIGO ще бъде подобен.
