Oscilace v časoprostoru byly objeveny sto let poté, co je předpověděl Einstein. Začíná nová éra v astronomii.
Vědci dokázali detekovat výkyvy v časoprostoru způsobené sloučením černých děr. Stalo se to sto let poté, co Albert Einstein předpověděl tyto „gravitační vlny“ve své obecné teorii relativity, a sto let poté, co je fyzikové začali hledat.
O tomto mezníkovém objevu dnes informovali vědci z LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Potvrdili zvěsti, které obklopovaly analýzu prvního souboru údajů, které sbíraly měsíce. Astrofyzici říkají, že objev gravitačních vln umožňuje nový pohled na vesmír a umožňuje rozpoznat vzdálené události, které nelze vidět v optických dalekohledech, ale můžete cítit a dokonce slyšet jejich slabé otřesy, které se k nám dostaly vesmírem.
"Zjistili jsme gravitační vlny." Dokázali jsme to!" oznámil David Reitze, výkonný ředitel 1000členného výzkumného týmu, dnes na tiskové konferenci ve Washingtonu v National Science Foundation.
Gravitační vlny jsou z Einsteinových předpovědí snad nejnepolapitelnějším fenoménem. Vědec o tomto tématu diskutoval se svými současníky po celá desetiletí. Podle jeho teorie tvoří prostor a čas protahovací hmotu, která se ohýbá pod vlivem těžkých předmětů. Cítit gravitaci znamená dostat se do křivek této záležitosti. Může se ale tento časoprostor chvět jako kůže bubnu? Einstein byl zmatený, nevěděl, co znamenají jeho rovnice. A opakovaně změnil svůj úhel pohledu. Ale i ti nejodolnější stoupenci jeho teorie věřili, že gravitační vlny jsou příliš slabé, než aby je bylo možné pozorovat. Po určitých kataklyzmech se kaskádují ven a při pohybu se střídavě protahují a stahují časoprostor. Ale než se tyto vlny dostanou na Zemi,táhnou se a stlačují každý kilometr prostoru o malý zlomek průměru atomového jádra.
Detektor observatoře LIGO v Hanfordu ve Washingtonu
Foto: REUTERS, Hangout
Propagační video:
Detekovat tyto vlny vyžadovalo trpělivost a opatrnost. Hvězdárna LIGO vypustila laserové paprsky tam a zpět podél čtyř kilometrů dlouhých pravoúhlých ohybů dvou detektorů, jednoho v Hanfordu ve Washingtonu a druhého v Livingstonu v Louisianě. To bylo provedeno při hledání shodných expanzí a kontrakcí těchto systémů během průchodu gravitačních vln. Vědci pomocí nejmodernějších stabilizátorů, vakuových přístrojů a tisíců senzorů měřili změny v délce těchto systémů, dosahující pouze jedné tisíciny velikosti protonu. Před sto lety byla taková citlivost nástrojů nemyslitelná. Také to vypadalo neuvěřitelně v roce 1968, kdy Rainer Weiss z Massachusetts Institute of Technology vytvořil experiment s názvem LIGO.
"Je velkým zázrakem, že nakonec uspěli." Dokázali detekovat tyto drobné vibrace! “- uvedl teoretický fyzik na univerzitě v Arkansasu Daniel Kennefick, který v roce 2007 napsal knihu Cestování rychlostí myšlení: Einstein a pátrání po gravitačních vlnách.
Tento objev znamenal začátek nové éry v astronomii gravitačních vln. Doufáme, že budeme mít přesnější představy o formování, složení a galaktické úloze černých děr - tyto superhusté kuličky hmoty, které tak dramaticky narušují časoprostor, že odtamtud nemůže uniknout ani světlo. Když se černé díry přiblíží k sobě a spojí se, generují impulsní signál - časoprostorové oscilace, které zvyšují amplitudu a tón a pak náhle končí. Signály, které může observatoř zaznamenat, jsou v audio rozsahu - jsou však příliš slabé na to, aby je bylo slyšet pouhým uchem. Tento zvuk můžete znovu vytvořit přejetím prstů po klávesách klavíru. "Začněte od nejnižší noty a pracujte až do třetí oktávy," řekl Weiss. „To je to, co slyšíme.“
Fyzici jsou již ohromeni počtem a silou signálů, které byly v tuto chvíli zaznamenány. To znamená, že na světě je více černých děr, než se dříve myslelo. "Máme štěstí, ale vždy jsem s takovým šťastím počítal," řekl astrofyzik Caltech z Kip Thorne, který vytvořil LIGO s Weissem a Ronaldem Dreverem, kteří jsou také z Caltechu. „To se obvykle stane, když se ve vesmíru otevře úplně nové okno.“
Po odposlechu gravitačních vln můžeme vytvořit úplně jiné představy o vesmíru a možná objevíme nepředstavitelné kosmické jevy.
"Mohu to porovnat s okamžikem, kdy jsme poprvé namířili dalekohled do nebe," řekla teoretická astrofyzička Janna Levinová z Barnard College na Kolumbijské univerzitě. „Lidé si uvědomili, že tam něco je, a je to vidět, ale nemohli předvídat neuvěřitelnou škálu možností, které ve vesmíru existují.“Levin rovněž poznamenal, že objev gravitačních vln by mohl ukázat, že vesmír je „plný temné hmoty, kterou nemůžeme detekovat jen pomocí dalekohledu“.
Příběh objevu první gravitační vlny začal v pondělí ráno v září a začal tleskáním. Signál byl tak jasný a hlasitý, že si Weiss myslel: „Ne, to je nesmysl, nic z toho nebude.“
Intenzita emocí
Tato první gravitační vlna se přehnala přes modernizované detektory LIGO - nejprve v Livingstonu a o sedm milisekund později v Hanfordu - během simulovaného běhu brzy ráno 14. září, dva dny před oficiálním zahájením sběru dat.
Detektory byly „zaběhnuty“po pětiletém upgradu, který stál 200 milionů dolarů. Jsou vybaveny novými zrcátky pro potlačení hluku a systémem aktivní zpětné vazby k potlačení cizích vibrací v reálném čase. Aktualizace poskytla modernizované observatoři vyšší úroveň citlivosti než stará LIGO, která v letech 2002 až 2010 našla „absolutní a čistou nulu“, jak řekl Weiss.
Když v září přišel silný signál, vědci v Evropě, kde bylo v tu chvíli ráno, začali narychlo bombardovat své americké kolegy e-maily. Když se zbytek skupiny probudil, zprávy se rozšířily velmi rychle. Téměř každý byl vůči tomu skeptický, řekl Weiss, zvláště když viděl signál. Byla to skutečná klasická učebnice, a tak si někteří lidé mysleli, že je to falešný.
Mylné představy při hledání gravitačních vln se mnohokrát opakovaly od konce 60. let, kdy Joseph Weber z University of Maryland věřil, že v rezonančních vibracích našel rezonanční vibrace v hliníkovém válci se senzory v reakci na vlny. V roce 2014 proběhl experiment s názvem BICEP2, podle jehož výsledků bylo oznámeno, že byly detekovány původní gravitační vlny - časoprostorové oscilace z Velkého třesku, které se nyní natáhly a trvale zmrzly v geometrii vesmíru. Vědci z týmu BICEP2 oznámili svůj objev s velkou slávou, ale poté byly jejich výsledky nezávisle ověřeny, během nichž se ukázalo, že se mýlili a že tento signál pochází z kosmického prachu.
Když se kosmolog Arizonské státní univerzity Lawrence Krauss dozvěděl o objevu týmu LIGO, nejprve si myslel, že jde o „slepou věc“. Během provozu staré observatoře byly tajně vloženy simulované signály do datových toků, aby se zkontrolovala reakce, a většina týmu o tom nevěděla. Když se Krauss ze znalého zdroje dozvěděl, že tentokrát nejde o „slepou nádivku“, těžko dokázal potlačit své radostné vzrušení.
25. září tweetnul svým 200 000 následovníkům Twitteru: „Zvěsti o gravitační vlně detekované na detektoru LIGO. Úžasné, pokud je to pravda. Pokud to není lipa, dám vám podrobnosti. “Poté následuje záznam z 11. ledna: „Dřívější zvěsti o LIGO byly potvrzeny nezávislými zdroji. Sledujte novinky. Možná jsou objeveny gravitační vlny! “
Oficiální pozice vědců byla následující: nerozšiřujte se o přijatém signálu, dokud nebude stoprocentní jistota. Thorne, svázaný rukou a nohou tímto závazkem mlčenlivosti, své ženě ani neřekl. "Oslavoval jsem sám," řekl. Nejprve se vědci rozhodli vrátit se na samý začátek a analyzovat vše do nejmenších podrobností, aby zjistili, jak se signál šířil tisíci měřicích kanálů různých detektorů, a pochopili, zda v době detekce signálu bylo něco zvláštního. Nenašli nic neobvyklého. Rovněž vyloučili hackery, kteří měli vědět nejlépe o tisících datových toků v experimentu. "I když se tým hodí, není dostatečně dokonalý a zanechává po sobě spoustu stop," řekl Thorne. „A nebyly zde žádné stopy.“
V následujících týdnech zaslechli další slabší signál.
Vědci analyzovali první dva signály a dostávali stále více a více. V lednu představili své výzkumné práce v Physical Review Letters. Toto číslo je dnes na internetu. Podle jejich odhadů statistická významnost prvního, nejsilnějšího signálu překračuje „5-sigma“, což znamená, že vědci si jsou 99,99% jisti svou autenticitou.
Poslech gravitace
Einsteinovy rovnice obecné relativity jsou tak složité, že většině fyziků trvalo 40 let, než se shodli: ano, gravitační vlny existují a lze je detekovat - dokonce i teoreticky.
Einstein si nejprve myslel, že objekty nemohou uvolňovat energii ve formě gravitačního záření, ale poté změnil svůj úhel pohledu. Ve své historické práci z roku 1918 ukázal, jaké objekty to dokážou: systémy ve tvaru činky, které se otáčejí současně kolem dvou os, například dvojhvězdy a supernovy, které explodují jako petardy. Jsou to oni, kdo může generovat vlny v časoprostoru.
Počítačový model ilustrující podstatu gravitačních vln ve sluneční soustavě
Foto: REUTERS, leták
Einstein a jeho kolegové však nadále váhali. Někteří fyzici tvrdí, že i když vlny budou existovat, svět s nimi bude vibrovat a nebude možné je cítit. Teprve v roce 1957 uzavřel Richard Feynman tuto otázku demonstrací v myšlenkovém experimentu, že pokud existují gravitační vlny, lze je teoreticky detekovat. Nikdo však nevěděl, jak časté jsou tyto systémy činek ve vesmíru, ani jak silné nebo slabé jsou výsledné vlny. "Otázkou nakonec bylo: najdeme je někdy?" Řekl Kennefick.
V roce 1968 byl Rainer Weiss mladý profesor na Massachusetts Institute of Technology a byl přidělen k výuce kurzu obecné relativity. Jako experimentátor o tom věděl jen málo, ale najednou se objevily zprávy o Weberově objevu gravitačních vln. Weber postavil tři hliníkové rezonanční detektory z hliníku a umístil je do různých amerických států. Nyní řekl, že všechny tři detektory zaznamenávaly „zvuk gravitačních vln“.
Weissovi studenti byli požádáni, aby vysvětlili podstatu gravitačních vln a vyjádřili svůj názor na znělou zprávu. Při studiu podrobností byl ohromen složitostí matematických výpočtů. "Nemohl jsem přijít na to, co sakra Weber dělal, jak senzory interagují s gravitační vlnou." Dlouho jsem seděl a ptal se sám sebe: „Co je to nejprimitivnější, co mě napadne detekovat gravitační vlny?“A pak mi přišel na mysl nápad, kterému říkám koncepční základ LIGO. “
Představte si tři objekty v časoprostoru, řekněme zrcadla v rozích trojúhelníku. "Pošlete světelný signál z jednoho do druhého," řekl Weber. „Podívejte se, jak dlouho trvá přechod z jedné masy do druhé, a zkontrolujte, zda se čas změnil.“Ukázalo se, že vědec poznamenal, že toho lze dosáhnout rychle. "Svěřil jsem to svým studentům jako vědecký úkol." Doslova celá skupina dokázala tyto výpočty provést. “
V následujících letech, kdy se další vědci pokusili replikovat výsledky Weberova experimentu s rezonančním detektorem, ale neustále selhávali (není jasné, co pozoroval, ale nejednalo se o gravitační vlny), Weiss začal připravovat mnohem přesnější a ambicióznější experiment: interferometr s gravitačními vlnami. Laserový paprsek se odrazí od tří zrcadel ve tvaru písmene L a vytvoří dva paprsky. Rozteč vrcholů a žlabů světelných vln přesně udává délku kolen „G“, která vytvářejí osy X a Y časoprostoru. Když je váha nehybná, dvě světelné vlny se odrážejí od rohů a navzájem se ruší. Signál v detektoru je nulový. Pokud ale gravitační vlna projde Zemí, natáhne délku jednoho ramene písmene „G“a zkrátí délku druhého (a naopak). Neshoda dvou světelných paprsků vytváří v detektoru signál, který ukazuje mírné výkyvy v časoprostoru.
Zpočátku byli kolegové fyzici skeptičtí, ale brzy experiment našel podporu v osobě Thorna, jehož skupina teoretiků z Caltechu zkoumala černé díry a další potenciální zdroje gravitačních vln, stejně jako signály, které generují. Thorne byl inspirován Weberovým experimentem a podobným úsilím ruských vědců. Poté, co jsem v roce 1975 promluvil na konferenci s Weissem, „začal jsem věřit, že detekce gravitačních vln bude úspěšná,“řekl Thorne. „A chtěl jsem, aby se do toho zapojil i Caltech.“Domluvil se s ústavem na najmutí skotského experimentátora Ronalda Drievera, který také oznámil, že postaví interferometr s gravitačními vlnami. V průběhu doby začali Thorne, Driver a Weiss pracovat jako jeden tým, přičemž každý z nich v rámci přípravy na praktický experiment řešil svůj vlastní podíl nesčetných problémů. Trojice založila LIGO v roce 1984, a když byly postaveny prototypy a začal se rozrůstající tým, na počátku 90. let získala finanční prostředky ve výši 100 milionů USD od National Science Foundation. Byly vypracovány plány pro konstrukci dvojice obřích detektorů ve tvaru písmene L. O deset let později začaly detektory fungovat.
V Hanfordu a Livingstonu je ve středu každého ze čtyřkilometrových ohybů detektorů vakuum, díky kterému jsou laser, jeho paprsek a zrcadla maximálně izolované od stálých vibrací planety. Aby bylo zajištěno ještě více, vědci LIGO sledují své detektory během provozu pomocí tisíců nástrojů a měří vše, co mohou: seismickou aktivitu, atmosférický tlak, blesk, kosmické paprsky, vibrace zařízení, zvuky v oblasti laserového paprsku atd. Poté odfiltrují tento nežádoucí hluk pozadí ze svých dat. Možná je hlavní věc, že mají dva detektory, což vám umožňuje porovnat přijatá data a zkontrolovat je na přítomnost shodných signálů.
Uvnitř vytvořeného vakua, i když jsou lasery a zrcadla zcela izolované a stabilizované, „se neustále dějí podivné věci,“říká Marco Cavaglià, zástupce mluvčí projektu LIGO. Vědci musí sledovat tyto „zlaté rybky“, „duchy“, „nepochopitelné mořské příšery“a další cizí vibrační jevy, aby zjistili jejich zdroj, aby je mohli eliminovat. Během fáze ověřování došlo k jednomu obtížnému případu, řekla Jessica McIver, vědecká pracovnice týmu LIGO, která studuje takové cizí signály a interference. V datech se často objevovala řada periodických jednofrekvenčních zvuků. Když ona a její kolegové převedli vibrace zrcadel na zvukové soubory, „telefon jasně zvonil,“řekl McIver. "Ukázalo se."že to byli inzerenti komunikací, kteří telefonovali uvnitř laserové místnosti. “
V příštích dvou letech budou vědci pokračovat ve zlepšování citlivosti detektorů modernizované laserové interferometrické gravitační vlnové observatoře LIGO. A v Itálii začne fungovat třetí interferometr s názvem Advanced Virgo. Jedna odpověď, kterou získaná data pomohou dát, je, jak se tvoří černé díry. Jsou produktem kolapsu prvních hmotných hvězd, nebo jsou výsledkem srážek v hustých hvězdokupách? "To jsou jen dva předpoklady, předpokládám, že bude více, když se každý uklidní," říká Weiss. Jak LIGO začne v průběhu své nadcházející práce shromažďovat nové statistiky, vědci začnou poslouchat příběhy o původu černých děr, které jim vesmír bude šeptat.
Ve tvaru a velikosti první nejhlasitější pulzní signál vznikl 1,3 miliardy světelných let, odkud se po věčnosti pomalého tance pod vlivem vzájemné gravitační přitažlivosti nakonec spojily dvě černé díry, každá asi 30krát větší než hmotnost Slunce. Černé díry kroužily rychleji a rychleji, jako vířivá vana, postupně se přibližovaly. Pak došlo ke sloučení a mrknutím oka uvolnili gravitační vlny s energií srovnatelnou s energií tří Sluncí. Tato fúze se stala nejsilnějším energetickým fenoménem, jaký kdy byl zaznamenán.
"Je to, jako bychom nikdy neviděli oceán během bouře," řekl Thorne. Na tuto bouři čekal v časoprostoru od 60. let. Ten pocit, který Thorne zažil, když se vlny vlnily, nebyl zrovna vzrušením, říká. Bylo to něco jiného: pocit nejhlubšího uspokojení.