LIGO detekterar gravitationsvågor
Tillbaka runt 1915 och 1916 krossade Einstein de då kända reglerna för vårt universum, och ansåg att rymden inte var så statisk som forskarsamhället hade fått tro. Snarare konstaterade den tyske fysikern att universums geometri ständigt böjs och vrids av dess omgivande energi och materia. I huvudsak existerade denna teori som en del av grunden för hans arbete med
allmän relativitetsteori som förklarar hur observerad gravitationsattraktion mellan massor är resultatet av att rymdtiden förvrängs av just dessa massor. Idag förblir Einsteins arbete med allmän relativitetsteori en av de viktigaste grundpelarna för information inom astrofysik.
Trots sina framsteg med den allmänna relativitetsteorien, saknade Einstein allvarligt medel att leta efter gravitationsvågor och ansåg till och med att de var nästan omöjliga att upptäcka. Men idag använder forskare från Caltech och MIT den dubbla detektorn LIGO som har förmågan att upptäcka små vibrationer från passerande gravitationsvågor. Tillbaka i september 2015, fångade LIGO-enheten en glimt av en energisignal 50 gånger större än alla universums stjärnor kombinerade (!) och överträffade "fem-sigma"-standarden för statistik betydelse. I fem månader dissekerade LIGO-teamet signalen konvertera den till ljud och lyssna på de två massiva svarta hålen kolliderar.
Rekommenderade videor
"Vi hör faktiskt dem dunka på natten", säger MIT biträdande professor i fysik, Matthew Evans. "Vi får en signal som anländer till jorden, och vi kan sätta den på en högtalare, och vi kan höra dessa svarta hål säga "Hoppsan." Det finns en mycket visceral koppling till denna observation. Du lyssnar verkligen på de här sakerna som på något sätt var fantastiska.”
Medgrundad 1992 av fysiker Kip Thorne (som Christopher Nolan berömt konsulterade för Interstellär), Ronald Drever från Caltech och MIT Rainer Weiss, skapades LIGO-experimentet enbart i syfte att detektera gravitationsvågor. Under sina första åtta år (2002-2010) lyckades den inte upptäcka ens en gravitationsvåg, vilket fick experimentet att genomgå ett tillfälligt uppehåll för installation av förbättrade detektorer. Efter en femårig renovering, 200 miljoner dollar, primärt finansierad av National Science Foundation (NSF) – vilket faktiskt kostade 620 miljoner dollar - de nya och förbättrade LIGO-anläggningarna var igång i Livingston, Louisiana och Hanford, Washington.
När det gäller själva instrumentet har varje LIGO-plats en L-formad interferometer som mäter ungefär 4 kilometer i längd och använder ett laserljus med delad strålning som går upp och ner på varje arm. När lasrarna färdas med armarna studsar de runt bland en serie exakt placerade speglar samtidigt som de konsekvent övervakar den exakta längden den färdas mellan varje spegel. Om, och i det här fallet, när en gravitationsvåg passerar genom instrumentet, kommer avståndet som lasrarna färdas mellan speglarna att förändras på ett sätt så litet att det nästan inte märks.
"Du kan nästan visualisera det som om du tappade en sten på ytan av en damm, och krusningen slocknar", säger MIT: s Curtis och Kathleen Marble professor i astrofysik, Nergis Malvalvala. "[Det är] något som förvränger rum-tiden runt det, och den förvrängningen fortplantar sig utåt och når oss på jorden, hundratals miljoner ljusår senare."
Efter att ha kört datorsimuleringar av vågorna fastställdes det att energin kom från föremål som mätte ungefär 29 och 36 gånger så massiva som solen. Innan den utomjordiska kollisionen spiralerade de två objekten bara 130 miles från varandra innan de slutligen smälte samman - aka kraschade in i varandra. Enligt LIGO-medlemmen Bruce Allen är det bara svarta hål som kan innehålla så mycket massa i en sådan begränsat utrymme och tillade vidare, "innan du kunde argumentera i princip om det finns svarta hål eller inte; nu kan du inte."
Även om LIGO-forskare kan rapportera svårighetsgraden av kollisionen skapade en osynlig explosion som kan göra en atombombsexplosionen ser ut som en ren gnista, den tillbringade mer än fem månader för att se till att den första avläsningen var i faktum, verklig. När ordet långsamt sipprade ut ur en upptäckt gravitationssignal, arbetade forskarna dag och natt för att avgöra om det var äkta eller inte. Möjliga alternativ på bordet sträckte sig från labbets egna falska signaler (eller "blinda injektioner") till en fullblåst, konstgjord bluff. Dessa möjligheter uteslöts snart efter att teamet insåg att det faktiskt inte körde några blinda injektionstester och att en tillverkad signal var högst osannolik.
"Vi trodde att det skulle bli en enorm utmaning att bevisa för oss själva och andra att de första signaler som vi såg var inte bara flukes och slumpmässiga ljud, säger MIT LIGO laboratoriechef David Skomakare. "Men naturen var helt enkelt otroligt snäll i att leverera till oss en signal som är väldigt stor, extremt lätt att förstå och absolut, magnifik i linje med Einsteins teori."
Nu när teamet effektivt har bevisat förekomsten av gravitationsvågor, ber själva strukturen av astrofysik, generell relativitetsteori och hela universum att ses på ett annat sätt. Som Science Mag noterar, Johns Hopkins University fysiker Marc Kamionkowski erkänner att dessa fynd öppnar dörren för forskare att studera allmän relativitetsteori under extrema förhållanden – dvs. fall där en kropps gravitationsfält står för nästan hela dess massa. MIT medger också att gravitationsfältet som detekteras av LIGO-enheten bara är toppen av isberget när det gäller den grundläggande fysiken i vårt universum.
"Detta öppnar verkligen upp ett helt nytt område för astrofysiker," tillägger Matthew Evans. "Vi tittar alltid mot himlen med teleskop och letar efter elektromagnetisk strålning som ljus, radiovågor eller röntgenstrålar. Nu är gravitationsvågor ett helt nytt sätt på vilket vi kan lära känna universum omkring oss.”
Framåt har LIGO-teamet för avsikt att fortsätta att sålla igenom data som samlats in under den senaste observationskörningen som avslutades förra månaden - den första sådan körningen med utrustningens uppgraderade sensorer. När det letar efter andra gravitationsvågsignaler i mängden data, sa labbet att det också förbereder sig för att börja registrera data i juli. Enligt kommentarer från David Shoemaker har labbet ingen avsikt att vila på sina gravitationsvågslagrar.
"Om några år, när det här är fullt i drift, borde vi se händelser från en mängd olika objekt: svarta hål, neutronstjärnor, supernova, såväl som saker vi inte har föreställt oss ännu, en gång om dagen eller en gång i veckan, beroende på hur många överraskningar som finns där ute, säger Shoemaker säger. "Det är vår dröm, och än så länge har vi ingen anledning att veta att det inte är sant."
En fullständig summering av teamets resultat publicerad i Physical Review Letters den 11 februari som ytterligare förklarar hur LIGO-detektorerna kände av gravitationsvågorna. Det är en underdrift att kalla resultaten revolutionerande, eftersom upptäckten drastiskt förändrar även den mest grundläggande förståelsen av vårt universum. Vilken helt fascinerande tid att vara vid liv, va?
Redaktörens rekommendationer
- Bebisens svarta hål kvittrar när de föds, precis som Einstein förutspådde
