Ариал фотографија ЛИГО-а. Кликните за увећање.
У прошлости су астрономи могли видети небо само под видљивом светлошћу, користећи очи као рецепторе. Али шта ако имате гравитационе очи? Ајнштајн је предвидио да би најекстремнији објекти и догађаји у Универзуму требали да стварају гравитационе таласе и искривљују простор око њих. Нови експеримент под називом Ласер Интерферометер Гравитацијски таласни опсерваториј (или ЛИГО) могао би да направи прво откривање ових гравитационих таласа.
Послушајте интервју: Сееинг витх Гравити Еиес (7,9 МБ)
Или се претплатите на Подцаст: универсетодаи.цом/аудио.кмл
Шта је Подцаст?
Фрасер Цаин: У реду, па шта је гравитациони талас?
Др Сам Валдман: Дакле, гравитациони талас се може објаснити ако се сећате да маса искривљава простор и време. Дакле, ако се сећате аналогије лима који је натегнут са куглом за куглање баченом у средину листа, савијајући лист; где је кугла за куглање маса, а лим представља простор-време. Ако куглу за куглање померате напред-назад веома брзо, направићете валове у листу. Иста ствар важи и за масе у нашем Универзуму. Ако врло брзо померате звезду напред-назад, направићете валове у просторном времену. А та таласа у просторном времену могу се приметити. Зовемо их гравитациони таласи.
Фрасер: Ако сада шетам по соби, да ли ће то изазвати гравитационе таласе?
Др Валдман: Па хоће. Колико знамо, гравитација делује у свим размерама и за све масе, али просторно време је веома тешко. Тако нешто попут мог 200 килограма који се креће кроз моју канцеларију неће изазвати гравитационе таласе. Потребни су изузетно масивни предмети који се крећу веома брзо. Дакле, када желимо да откријемо гравитационе таласе, ми тражимо објекте величине соларне масе. Посебно тражимо неутронске звезде, које су између 1,5 и 3 соларне масе. Тражимо црне рупе, до неколико стотина соларних маса. И тражимо да се ти предмети крећу веома брзо. Када говоримо о неутронској звезди, говоримо о неутронској звезди која се креће готово брзином светлости. У ствари, мора да вибрира брзином светлости, не може се само кретати, већ се тресе напријед и назад веома брзо. Они су врло јединствени, веома масивни катаклизмични системи које тражимо.
Фрасер: Гравитациони таласи су чисто теоријски, зар не? Предвидио их је Ајнштајн, али га још увек нису видели?
Др Валдман: Нису их приметили, закључили су. Постоји пулсар систем чија фреквенција се окреће брзином која је једнака емисији гравитационих таласа. То је ПСР 1913 + 16. И да се орбита ове звезде мења. То је закључак, али наравно, то није посматрање директно гравитационих таласа. Међутим, сасвим је јасно да они морају да постоје. Ако Еинстеинови закони постоје, ако општа релативност делује, а она делује веома добро на веома скали дуљине, тада постоје и гравитациони таласи. Они су само врло тешки за видети.
Фрасер: Шта ће требати да их препознате? Звучи као да су то веома катаклизмични догађаји. Велике црне рупе и неутронске звезде које се крећу около, зашто их је тако тешко наћи?
Др Валдман: Постоје две компоненте за то. Једна ствар је да се црне рупе не сударају стално, а неутронске звезде се не тресе ни на једном старом месту. Дакле, број догађаја који могу изазвати опажане гравитационе таласе је заправо врло мали. Сада говоримо о, на пример, галаксији Млечни пут са једним догађајем који се дешава сваких 30-50 година.
Али други део те једначине је да су сами гравитациони таласи веома мали. Тако они уводе оно што називамо сојем; то је промена дужине по јединици дужине. На пример, ако имам мерилник дугачак један метар, а гравитациони талас чупаће то мерило док прође. Али ниво који ће посегнути по мерилу је изузетно мали. Ако имам мерило од 1 метра, изазиваће промену само 10е-21 метра. То је веома мала промена. Наравно, посматрање 10е-21 метра је велики изазов у посматрању гравитационог таласа.
Фрасер: Ако бисте мерили дужину мерила помоћу другог мерника, дужина тог другог мерника би се мењала. Видим да је то тешко учинити.
Др Валдман: Тачно, тако да имате проблем. Начин на који решавамо проблем мерки је да у ствари имамо две мерке и обликујемо их у Л. А начин на који их меримо је коришћење ласера. А начин на који смо уредили мерилу је заправо дугачак 4 км. Постоје 2 крака, сваки је дуг 4 км. И на крају сваке руке налази се кварцна тест тежина од 4 кг од које ми одбијамо ласере. А када гравитациони талас прође кроз овај детектор у облику слова „Л“, он испружује једну ногу, док смањује другу ногу. И то ради на 100 Хартз, унутар аудио фреквенција. Дакле, ако слушате кретање тих маса, чујете зујање од 100 херца. Дакле, оно што ми меримо нашим ласерима је диференцијална дужина кракова овог великог интерферометра у облику слова „Л“. Зато је ЛИГО То је опсерваторија гравитационог таласа Ласер Интерферометар.
Фрасер: Да видимо да ли сам добро разумео. Пре милијарде година црна рупа судара се са другом и ствара гомилу гравитационих таласа. Ови гравитациони таласи прелазе Универзум и пролазе се поред Земље. Док пролазе поред Земље, продужују једну од ових руку и смањују другу, а ту промену можете открити помоћу ласера који скаче напред и назад.
Др Валдман: То је тачно. Изазов је, наравно, та промена дужине изузетно мала. У случају наших интерферометра од 4 км, промена дужине коју тренутно меримо је 10е-19 метара. А да би се то поставило на скали, пречник атомског језгра је само 10е-15 метара. Дакле, наша осетљивост је субатомска.
Фрасер: И па које би догађаје требало да препознате у овом тренутку?
Др Валдман: Дакле, то је заправо фасцинантно подручје. Аналогија коју волимо да користимо је да гледање у Универзум радио таласима јесте да гледамо Универзум телескопима. Ствари које видите су потпуно различите. Осетљиви сте на потпуно другачији режим Универзума. ЛИГО је посебно осетљив на ове катаклизмичке догађаје. Наше догађаје сврставамо у 4 широке категорије. Први који називамо рафалима, а то је нешто попут формирања црне рупе. Дакле, долази до експлозије супернове и толико се материје креће тако брзо да ствара црне рупе, али не знате како изгледају гравитациони таласи. Све што знате је да постоје гравитациони таласи. То су ствари које се дешавају изузетно брзо. Трају највише 100 милисекунди, а настају формирањем црних рупа.
Други догађај који посматрамо је када су два објекта у орбити један са другим, рецимо две неутронске звезде које се врте око друге. На крају пречник те орбите пропада. Неутронске звезде ће се стопити, упадаће једна у другу и формираће црну рупу. И за последњих неколико орбита, те неутронске звезде (имајте на уму да су то објекти који теже 1,5 до 3 соларне масе), крећу се великом фракцијом брзине светлости; рецимо 10%, 20% брзине светлости. А то кретање је веома ефикасан генератор гравитационих таласа. То је оно што користимо као своју стандардну свећу. То је оно што мислимо да знамо да постоји; знамо да су вани, али нисмо сигурни колико њих одлази у било којем тренутку. Нисмо сигурни како изгледа неутронска звезда у спирали у радио таласима или рендгенским зрацима, у оптичком зрачењу. Тако да је мало тешко израчунати тачно колико често ћете видети или спиралу или супернову.
Фрасер: Да ли ћете сада моћи да откријете њихов смер?
Др Валдман: Имамо два интерферометра. У ствари имамо две локације и три интерферометра. Један интерферометар налази се у Ливингстон Лоуисиани, која је северно од Нев Орлеанса. А наш други интерферометар је у држави Источни Вашингтон. Пошто имамо два интерферометра, можемо да направимо триангулацију на небу. Али, остало је извјесна несигурност у томе гдје је тачно извор. У свету постоје и друге сарадње са којима прилично блиско сарађујемо у Немачкој, Италији и Јапану, а имају и детекторе. Дакле, ако више детектора на више локација види гравитациони талас, онда можемо добро да помогнемо у локализацији. Нада је да видимо гравитациони талас и знамо одакле долази. Затим кажемо нашим колегама са радио-астрономима и нашим рендгенским астрономима и колегама из оптичког астронома да погледају тај део неба.
Фрасер: На хоризонту су нови велики телескопи; огромно велики и гигантски велики, и Магеллан ... велики телескопи који силазе низ цев са прилично великим буџетима које треба потрошити. Рецимо да поуздано можете пронаћи гравитационе таласе, то је готово као да додаје нови спектар нашој детекцији. Ако су неки од ових детектора гравитационих таласа уложени велики прорачуни, за шта мислите да би се они могли користити?
Др Валдман: Па, као што сам већ рекао, то је попут револуције у астрономији када су радио-телескопи први пут дошли на мрежу. Посматрамо фундаментално различиту класу појава. Морам рећи да је ЛИГО лабораторија прилично велика лабораторија. Имамо преко 150 научника који раде, тако да је то велика сарадња. Надамо се да ћемо сарађивати са свим оптичким и радио астрономима како напредујемо. Али мало је тешко предвидети којим ће путем кренути наука. Мислим да ако разговарате са многим генералним релативистима, најузбудљивија карактеристика гравитационих таласа је да радимо нешто што се назива Јака поља општа релативност. То је све што је Општа релативност коју можете мерити гледајући звезде и галаксије веома слабо. Није укључена велика маса, не креће се брзо. То је на врло великим даљинама. Док, када говоримо о судару црне рупе и неутронске звезде, тај последњи залогај, када неутронска звезда падне у црну рупу, изузетно је насилан и проматра област опште релативности која једноставно није баш добра доступно нормалним телескопима, радиом, рендгенски. Дакле, нада је да постоје неке фундаментално нове и узбудљиве физике. Мислим да нас то првенствено мотивира, могли бисте то назвати, забава уз општу релативност.
Фрасер: А када се надате да ћете прво открити.
Др Валдман: Дакле, ЛИГО интерферометри - сва три интерферометра - којима ЛИГО управља, раде на свим дизајнерским осетљивостима, а ми смо тренутно у средини наше С5 вожње; наша пета научна трка, која је вожња дугогодишња. Све што радимо за годину дана покушавамо потражити гравитационе таласе. Као и код многих ствари у астрономији, већина је то сачекати и видети. Ако супернова не експлодира, наравно да је нећемо видети И зато морамо бити у мрежи што је дуже могуће. Сматра се да је вјероватноћа посматрања догађаја, попут догађаја супернове, у регији - према нашем тренутном осјетљивости - то ћемо мислити да ћемо је виђати сваких 10-20 година. Постоји велики распон. У литератури постоје људи који тврде да ћемо се виђати вишеструко годишње, а ту су и људи који тврде да нећемо видети икад по нашој осећајности. А конзервативни средњи основ је једном у 10 година. С друге стране, надограђујемо своје детекторе чим се ова вожња заврши. И побољшавамо осетљивост за фактор 2, што би повећало нашу стопу детекције за фактор 2 куб. Пошто је осетљивост полупречник и ми истражујемо јачину звука у простору. С тим фактором од 8-10 у стопи откривања, требали бисмо гледати догађаје једном годишње или тако нешто. А након тога надограђујемо на оно што се назива Адванцед ЛИГО, што је фактор 10 побољшања осетљивости. У том случају ћемо готово сигурно свакодневно виђати гравитационе таласе или тако некако; свака 2-3 дана Тај инструмент је дизајниран као веома стварно средство. Желимо да урадимо гравитациону астрономију; виђати догађаје сваких неколико дана. То ће бити попут покретања сателита Свифт. Чим је Свифт устао, почели смо стално примећивати гама зраке, а Адванцед ЛИГО ће бити сличан.
