A tér-idő oszcillációit egy évszázaddal fedezték fel, miután Einstein megjósolta őket. A csillagászat új korszaka kezdődik.
A tudósok képesek voltak kimutatni a téridő ingadozásait, amelyeket a fekete lyukak összeolvadása okoz. Ez száz évvel azután történt, hogy Albert Einstein általános relativitáselméletében megjósolta ezeket a "gravitációs hullámokat", és száz évvel azután, hogy a fizikusok elkezdték keresni őket.
Erről a jelentős felfedezésről számoltak be ma a LIGO Lézer Interferometrikus Gravitációs Hullám Obszervatórium kutatói. Megerősítették azokat a híreszteléseket, amelyek hónapok óta körbevették az első adatgyűjtés elemzését. Az asztrofizikusok szerint a gravitációs hullámok felfedezése lehetővé teszi számunkra, hogy új módon szemléljük az univerzumot, és lehetővé teszi az olyan távoli események felismerését, amelyek nem láthatók az optikai távcsövekben, de érezni, sőt hallani lehet az űrön keresztül hozzánk érő halk remegésüket.
„Gravitációs hullámokat észleltünk. Megcsináltuk! jelentette be David Reitze, az 1000 tagú kutatócsoport ügyvezető igazgatója, ma a washingtoni sajtótájékoztatón a Nemzeti Tudományos Alapítványnál.
A gravitációs hullámok talán a leginkább megfoghatatlan jelenségek Einstein jóslataiból, a tudós évtizedek óta tárgyalta kortársaival ezt a témát. Elmélete szerint a tér és az idő nyújtó anyagot képez, amely nehéz tárgyak hatására hajlik. A gravitáció érzése azt jelenti, hogy bejutunk ennek az ügynek a görbéibe. De remeghet-e ez a téridő, mint egy dob bőre? Einstein zavart volt, nem tudta, mit jelentenek az egyenletei. És többször megváltoztatta nézőpontját. De elméletének legmeggyőzőbb hívei is úgy vélték, hogy a gravitációs hullámok amúgy is túl gyengék ahhoz, hogy megfigyelhetők legyenek. Bizonyos kataklizmák után kifelé zuhannak, és mozgásuk közben felváltva nyújtózkodnak és összehúzódnak a tér-időben. De mire ezek a hullámok eljutnak a Földre,a tér minden kilométerét az atommag átmérőjének apró töredékével nyújtják és tömörítik.
LIGO obszervatórium detektor a washingtoni Hanfordban
Fotó: REUTERS, Hangout
Promóciós videó:
Türelem és óvatosság kellett ezeknek a hullámoknak a felismerésére. A LIGO obszervatórium két detektor négy kilométer hosszú derékszögű kanyarulatain keresztül lézersugarakat indított el, az egyik a washingtoni Hanfordban, a másik pedig a Louisiana-i Livingstonban. Ez a rendszerek gravitációs hullámok áthaladása során történt egybeeső tágulások és összehúzódások keresésére történt. A tudósok a legkorszerűbb stabilizátorok, vákuumműszerek és több ezer szenzor segítségével mérték ezeknek a rendszereknek a hosszában bekövetkező változásokat, amelyek a proton méretének ezredrészéig terjedtek. A hangszerek ilyen érzékenysége száz évvel ezelőtt elképzelhetetlen volt. Hihetetlennek tűnt 1968-ban is, amikor Rainer Weiss, a Massachusettsi Műszaki Intézet egy LIGO nevű kísérletet tervezett.
- Nagy csoda, hogy végül sikerült. Képesek voltak észlelni ezeket az apró rezgéseket! - mondta az arkanasi egyetem elméleti fizikusa, Daniel Kennefick, aki 2007-ben írta az Utazás gondolat sebességével: Einstein és a gravitációs hullámok keresése című könyvet.
Ez a felfedezés a gravitációs hullámcsillagászat új korszakának kezdetét jelentette. Remélhetőleg pontosabb elképzeléseink lesznek a fekete lyukak kialakulásáról, összetételéről és galaktikus szerepéről - ezek a rendkívül sűrű tömeggömbök olyan drasztikusan torzítják a téridőt, hogy még a fény sem kerülhet ki onnan. Amikor a fekete lyukak közel kerülnek egymáshoz és összeolvadnak, impulzusjelet generálnak - a tér-idő rezgések, amelyek növekednek amplitúdóban és tónusban, majd hirtelen véget érnek. Az obszervatórium által rögzíthető jelek az audio tartományban vannak - azonban túl gyengék ahhoz, hogy meztelen fül hallja őket. Ezt a hangot úgy hozhatja létre, hogy ujjaival áthúzza a zongora billentyűit. "Kezdje a legalacsonyabb hangon, és dolgozzon a harmadik oktávig" - mondta Weiss. - Ezt halljuk.
A fizikusok már most csodálkoznak a pillanatban rögzített jelek számán és erején. Ez azt jelenti, hogy a világon több fekete lyuk van, mint azt korábban gondolták. "Szerencsénk van, de én mindig számítottam ilyen szerencsére" - mondta Kip Thorne, a Caltech asztrofizikusa, aki a szintén Caltech-ből származó Weiss-szel és Ronald Drever-kel hozta létre a LIGO-t. "Ez általában akkor történik, amikor egy teljesen új ablak nyílik az univerzumban."
Miután lehallgattuk a gravitációs hullámokat, teljesen más elképzeléseket alkothatunk az űrről, és talán elképzelhetetlen kozmikus jelenségeket fedezhetünk fel.
"Összehasonlítom ezt azzal a pillanattal, amikor először mutattunk egy távcsövet az égbe" - mondta Janna Levin elméleti asztrofizikus a Columbia Egyetem Barnard College-jából. "Az emberek rájöttek, hogy van valami, és láthatjátok, de nem tudták megjósolni a világegyetemben létező hihetetlen lehetőségeket." Hasonlóképpen, megjegyezte Levin, a gravitációs hullámok felfedezése megmutathatja, hogy az univerzum "tele van sötét anyaggal, amelyet nem csak távcsővel tudunk észlelni".
Az első gravitációs hullám felfedezésének története szeptember hétfőn reggel kezdődött, és tapssal kezdődött. A jel annyira egyértelmű és hangos volt, hogy Weiss azt gondolta: "Nem, ez ostobaság, semmi nem lesz belőle."
Az érzelmek intenzitása
Ez az első gravitációs hullám végigszaladt a korszerűsített LIGO detektorokon - először Livingstonban és hét milliszekundummal később Hanfordban - egy szimulált futás során szeptember 14-én kora reggel, két nappal az adatgyűjtés hivatalos megkezdése előtt.
A detektorokat egy ötéves, 200 millió dollárba került fejlesztés után „befuttatták”. Új tükrökkel vannak felszerelve a zajcsökkentéshez és egy aktív visszacsatoló rendszerrel, amely valós időben elnyomja az idegen rezgéseket. A frissítés a korszerűsített obszervatóriumnak magasabb érzékenységet adott, mint a régi LIGO, amely 2002 és 2010 között „abszolút és tiszta nullát” talált, ahogy Weiss fogalmazott.
Amikor szeptemberben jött az erős jel, az európai tudósok, ahol abban a pillanatban reggel volt, rohanni kezdtek e-mailekkel bombázni amerikai kollégáikat. Amikor a csoport többi tagja felébredt, a hír nagyon gyorsan elterjedt. Szinte mindenki szkeptikus volt ebben, mondta Weiss, különösen, amikor meglátták a jelet. Ez egy igazi tankönyvklasszikus volt, és ezért egyesek hamisítványnak gondolták.
A gravitációs hullámok keresésével kapcsolatos tévhiteket az 1960-as évek vége óta sokszor megismételték, amikor Joseph Weber, a Marylandi Egyetemről úgy vélte, hogy rezonáns rezgéseket talált egy alumínium hengerben, érzékelőkkel reagálva a hullámokra. 2014-ben egy BICEP2 nevű kísérletre került sor, amelynek eredményei szerint bejelentették, hogy észlelték az eredeti gravitációs hullámokat - az ősrobbanásból származó tér-idő oszcillációkat, amelyek mára kinyújtódtak és végleg megfagytak az univerzum geometriájában. A BICEP2 csapat tudósai nagy rajongással jelentették be felfedezésüket, de aztán eredményeiket függetlenül ellenőrizték, amelynek során kiderült, hogy tévedtek, és hogy ez a jel kozmikus porból származik.
Amikor Lawrence Krauss, az Arizonai Állami Egyetem kozmológusa értesült a LIGO csapat felfedezéséről, először azt gondolta, hogy ez egy "vak dolog". A régi obszervatórium működése során a válasz ellenőrzésére a szimulált jeleket titokban beillesztették az adatfolyamokba, és a csapat nagy része nem tudott róla. Amikor Krauss hozzáértő forrásból megtudta, hogy ezúttal nem "vak töltelék" volt, alig tudta visszatartani örömteli izgalmát.
Szeptember 25-én tweetelt 200 000 követőjének: „Pletykák a LIGO detektoron észlelt gravitációs hullámról. Elképesztő, ha igaz. Megadom a részleteket, ha nem hársfáról van szó. " Ezt egy január 11-i bejegyzés követi: „A LIGO-ról szóló korábbi pletykákat független források igazolják. Kövesse a híreket. Talán gravitációs hullámokat fedeznek fel!"
A tudósok hivatalos álláspontja a következő volt: csak akkor terjedjen el a kapott jel körül, ha száz százalékos bizonyosság áll fenn. Thorne, akit a titok iránti elkötelezettség kötött kézzel és lábbal, nem is mondott semmit a feleségének. - Egyedül ünnepeltem - mondta. Először is, a tudósok úgy döntöttek, hogy visszatérnek a kezdetekhez, és mindent a legapróbb részletekig elemeznek annak érdekében, hogy megtudják, hogyan terjed a jel a különféle detektorok ezer mérőcsatornáján keresztül, és megértik, hogy volt-e valami furcsa a jel észlelésekor. Nem találtak semmi szokatlant. Megszüntették azokat a hackereket is, akiknek a kísérlet során a legtöbbet kellett volna tudniuk a több ezer adatfolyamról. "Még akkor is, ha a csapat bedob, nem elég tökéletesek, és sok nyomot hagynak maguk után" - mondta Thorne. - És itt nem voltak nyomok.
A következő hetekben újabb, gyengébb jelet hallottak.
A tudósok elemezték az első két jelet, és egyre többet kaptak. Januárban a Physical Review Letters c. Ez a kérdés ma az interneten található. Becsléseik szerint az első, legerősebb jel statisztikai szignifikanciája meghaladja az "5-szigma" értéket, ami azt jelenti, hogy a kutatók 99,9999% -ban bíznak a hitelességében.
A gravitáció hallgatása
Einstein általános relativitás-egyenletei olyan összetettek, hogy a legtöbb fizikusnak 40 évbe telt, míg egyetértett: igen, a gravitációs hullámok léteznek és felismerhetők - akár elméletileg is.
Einstein először azt hitte, hogy a tárgyak nem képesek energiát felszabadítani gravitációs sugárzás formájában, de aztán megváltoztatta nézőpontját. 1918-ban írt történelmi munkájában megmutatta, hogy milyen tárgyak képesek erre: a két tengely körül egyidejűleg forgó súlyzó rendszerek, például a petárdákként felrobbanó binárisok és szupernóvák. Ők tudnak hullámokat generálni a tér-időben.
Számítógépes modell, amely bemutatja a gravitációs hullámok természetét a Naprendszerben
Fotó: REUTERS, kiadvány
De Einstein és kollégái továbbra is haboztak. Egyes fizikusok azzal érveltek, hogy még ha hullámok is léteznek, a világ vibrálni fog velük, és lehetetlen lesz érezni őket. Richard Feynman csak 1957-ben zárta le a kérdést azzal, hogy egy gondolatkísérlet során bebizonyította, hogy ha gravitációs hullámok léteznek, elméletileg kimutathatók. De senki sem tudta, hogy ezek a súlyzó rendszerek mennyire gyakoriak a világűrben, vagy hogy az eredő hullámok milyen erősek vagy gyengék. "Végül a kérdés az volt: megtalálhatjuk-e őket valaha?" - mondta Kennefick.
1968-ban Rainer Weiss a Massachusettsi Műszaki Intézet fiatal professzora volt, és általános relativitáselméleti tanfolyamot tartott. Kísérletezőként keveset tudott róla, de hirtelen hírek érkeztek Weber gravitációs hullámok felfedezéséről. Weber három asztali méretű rezonancia detektort épített alumíniumból, és különböző amerikai államokban helyezte el őket. Most azt mondta, hogy mindhárom detektor rögzítette "a gravitációs hullámok hangját".
Weiss hallgatóit arra kérték, hogy magyarázzák el a gravitációs hullámok jellegét, és fejtsék ki véleményüket a megszólalt üzenetről. A részleteket tanulmányozva csodálkozott a matematikai számítások összetettségén. - Nem tudtam rájönni, mi a fenét csinál Weber, hogyan hatnak az érzékelők a gravitációs hullámra. Sokáig ültem, és azt kérdeztem magamtól: „Mi a legprimitívebb dolog, ami eszembe jut, hogy észleljem a gravitációs hullámokat?” És akkor eszembe jutott egy ötlet, amelyet a LIGO fogalmi alapjának nevezek.
Képzeljünk el három objektumot téridőben, mondjuk, tükröket egy háromszög sarkában. - Küldjön fényjelet egyikről a másikra - mondta Weber. "Nézze meg, mennyi idő alatt mozoghat egyik miséről a másikra, és ellenőrizze, hogy megváltozott-e az idő." Kiderült, a tudós megjegyezte, hogy ezt gyorsan meg lehet valósítani. „Ezt tudományos feladatként a hallgatóimra bíztam. Szó szerint az egész csoport képes volt elvégezni ezeket a számításokat."
A következő években, amikor más kutatók megpróbálták megismételni Weber kísérletének eredményeit egy rezonáns detektorral, de folyamatosan kudarcot vallottak (nem világos, hogy mit figyelt meg, de ezek nem voltak gravitációs hullámok), Weiss egy sokkal pontosabb és ambiciózusabb kísérletet kezdett el készíteni: a gravitációs hullám interferométerét. A lézersugár három L alakú tükörről lepattan és két fénysugarat alkot. A fényhullámok csúcsainak és vályúinak távolsága pontosan jelzi a téridő X és Y tengelyét létrehozó „G” térdek hosszát. Ha a mérleg álló helyzetben van, a két fényhullám lepattan a sarkokból, és eltünteti egymást. A detektorban a jel nulla. De ha egy gravitációs hullám áthalad a Földön, akkor az megnyújtja a "G" betű egyik karjának hosszát, és összenyomja a másik hosszúságát (és fordítva). A két fénysugár eltérése jelet generál a detektorban, ami a tér-idő enyhe ingadozásait mutatja.
Eleinte fizikus társai szkeptikusak voltak, de a kísérlet hamarosan támogatást talált Thorne személyében, akinek a Caltech-ből származó teoretikusok csoportja a fekete lyukakat és a gravitációs hullámok egyéb lehetséges forrásait, valamint az általuk generált jeleket vizsgálta. Thorne-t Weber kísérlete és az orosz tudósok hasonló erőfeszítései ihlették. Miután 1975-ben a Weissszel tartott konferencián beszéltem, „kezdtem hinni abban, hogy a gravitációs hullámok észlelése sikeres lesz” - mondta Thorne. - És azt akartam, hogy a Caltech is részt vegyen ebben. Az intézettel megbeszélte Ronald Driever skót kísérletező alkalmazását, aki szintén bejelentette, hogy gravitációs hullámú interferométert épít. Az idők folyamán Thorne, Driver és Weiss csapatként kezdtek dolgozni, és mindegyikük megoldotta a számtalan probléma saját részét a gyakorlati kísérlet előkészítése céljából. A trió 1984-ben alakította a LIGO-t, és amikor prototípusokat építettek és egy növekvő csapat kezdett együttműködni, az 1990-es évek elején 100 millió dolláros támogatást kaptak a Nemzeti Tudományos Alapítványtól. Tervrajzokat készítettek egy pár óriási L alakú detektor építéséhez. Egy évtizeddel később a detektorok működni kezdtek.
Hanfordban és Livingstonban a detektorok mind a négy kilométeres kanyarulatának közepén egy vákuum található, amelynek köszönhetően a lézer, fénysugara és tükrei maximálisan el vannak szigetelve a bolygó állandó rezgéseitől. Annak érdekében, hogy még többet biztosítsanak, a LIGO tudósai több ezer műszerrel ellenőrzik detektoraikat működésük során, mindent megmérve: szeizmikus aktivitást, légköri nyomást, villámlást, kozmikus sugarakat, berendezés rezgését, hangokat a lézersugár területén stb. Ezután kiszűrik ezeket az idegen háttérzajt az adataikból. Talán a lényeg az, hogy két detektoruk van, és ez lehetővé teszi a kapott adatok összehasonlítását, ellenőrizve, hogy vannak-e egybeeső jelek.
A létrehozott vákuumban még akkor is, ha a lézerek és a tükrök teljesen elszigetelődnek és stabilizálódnak, „furcsa dolgok történnek folyamatosan” - mondja Marco Cavaglià, a LIGO projekt helyettes szóvivője. A tudósoknak nyomon kell követni ezeket az "aranyhalakat", "szellemeket", "érthetetlen tengeri szörnyeket" és más idegen rezgési jelenségeket, meg kell találniuk a forrást annak kiküszöbölése érdekében. Egy nehéz eset fordult elő az érvényesítési szakaszban - mondta Jessica McIver, a LIGO csapatának kutatója, aki ilyen idegen jeleket és interferenciákat tanulmányoz. Az adatokban gyakran megjelent periodikus egyfrekvenciás zajok sora. Amikor kollégáival a tükrök rezgését audiofájlokká alakította, "a telefon világosan elkezdett csengeni" - mondta MacIver. "Kiderülthogy a kommunikáció hirdetői hívtak telefonon a lézerszobában."
A következő két évben a tudósok tovább javítják a LIGO korszerűsített lézerinterferometrikus gravitációs hullám-megfigyelő központ detektorainak érzékenységét. Olaszországban pedig egy harmadik, Advanced Virgo nevű interferométer indul. Az egyik válasz, amelyet a kapott adatok segíteni fognak, az, hogy hogyan alakulnak ki a fekete lyukak. A legkorábbi hatalmas csillagok összeomlásának termékei, vagy a sűrű csillaghalmazokon belüli ütközések következményei? "Ez csak két feltételezés, feltételezem, hogy lesz még, amikor mindenki megnyugszik" - mondja Weiss. Amint a LIGO soron következő munkája során új statisztikákat kezd felhalmozni, a tudósok elkezdenek hallgatni olyan történeteket a fekete lyukak eredetéről, amelyeket az űr suttog nekik.
Alakjában és méretében az első, leghangosabb pulzáló jel 1,3 milliárd fényévből származik, ahonnan egy örökké tartó lassú tánc után, a kölcsönös gravitációs vonzerő hatására két fekete lyuk, amelyek mindegyike a naptömeg körülbelül 30-szorosa, végül összeolvadtak. A fekete lyukak egyre gyorsabban keringtek, akár egy örvény, fokozatosan közeledve. Aztán összeolvadás következett, és egy szempillantás alatt gravitációs hullámokat engedtek ki, amelyek energiája hasonló volt a három Nap energiájához. Ez a fúzió a valaha felvett legerősebb energetikai jelenség lett.
- Mintha vihar alatt még soha nem láttuk volna az óceánt - mondta Thorne. Az 1960-as évek óta a térben várja ezt a vihart. Az az érzés, amelyet Thorne a hullámok gördülése közben tapasztalt, nem éppen izgalom volt, mondja. Ez valami más volt: a legmélyebb elégedettség érzése.