Vo februári 2016 vedci pracujúci pre gravitačné vlnové observatórium laserových interferónov (LIGO) urobili históriu, keď oznámili vôbec prvú detekciu gravitačných vĺn. Odvtedy došlo k viacerým detekciám a vedecká spolupráca medzi observatóriami - napríklad Advanced LIGO a Advanced Virgo - umožňuje bezprecedentnú úroveň citlivosti a zdieľania údajov.
Nielen, že sa prvýkrát objavili gravitačné vlny historickým úspechom, ale aj v novej ére astrofyziky. Nie je teda divu, prečo traja vedci, ktorí boli prvými detektormi, boli prvými nositeľmi Nobelovej ceny za fyziku za rok 2017. Cenu udelili spoločne emeritisti profesorov Caltech Kip S. Barish a profesor emeritus MIT Rainer Weiss.
Zjednodušene povedané, gravitačné vlny sú vlnky v časopriestore, ktoré sú tvorené hlavnými astronomickými udalosťami - napríklad zlúčením binárnych párov čiernych dier. Prvýkrát ich predpovedala pred sto rokmi Einsteinova teória všeobecnej relativity, ktorá naznačovala, že masívne poruchy by zmenili štruktúru časopriestoru. Avšak až v posledných rokoch sa tieto vlny prvýkrát objavili.
Prvý signál zistili dvojča observatóriá LIGO - v Hanforde, Washingtone a v Livingstone v Louisiane - a zistili, že došlo k fúzii čiernych mól vo vzdialenosti 1,3 miliardy svetelných rokov. K dnešnému dňu sa vyskytli štyri detekcie, z ktorých všetky boli zlúčením párov čiernych dier. Uskutočnili sa 26. decembra 2015, 4. januára 2017 a 14. augusta 2017, pričom posledný zistil LIGO a detektor gravitačnej vlny Európskej Panny.
Za úlohu, ktorú v tomto úspechu zohrali, bola polovica ceny udelená spoločne Calrymu Barrymu C. Barishovi - profesorovi fyziky Ronalda a Maxine Linde, Emeritus - a Kipovi S. Thornovi, profesorovi teoretickej fyziky Richardovi P. Feynmanovi. , Emeritus. Druhá polovica bola ocenená Rainerom Weissom, profesorom fyziky, Emeritus, na Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Ako uviedol prezident spoločnosti Caltech Thomas F. Rosenbaum - prezidentský predseda Sonja a William Davidow a profesor fyziky, v nedávnom tlačovom vyhlásení spoločnosti Caltech uviedol:
„Teší ma a je mi cťou zablahoželať Kipovi a Barrymu, ako aj Rai Weissovi z MIT, k oceneniu udelenému dnes ráno za Nobelovu cenu za fyziku za rok 2017. Prvým priamym pozorovaním gravitačných vĺn LIGO je mimoriadna demonštrácia vedeckej vízie a vytrvalosti. Počas štyroch desaťročí vývoja vynikajúco citlivého prístrojového vybavenia - tlačiaceho kapacitu našich fantázií - sme teraz schopní nahliadnuť do kozmických procesov, ktoré boli predtým nezistiteľné. Je to skutočne začiatok novej éry astrofyziky. “
Tento úspech bol o to pôsobivejší, že Albert Einstein, ktorý ako prvý predpovedal ich existenciu, veril, že gravitačné vlny by boli príliš slabé na štúdium. Avšak v šesťdesiatych rokoch pokrok v laserovej technológii a nové poznatky o možných astrofyzikálnych zdrojoch viedli vedcov k záveru, že tieto vlny môžu byť skutočne zistiteľné.
Prvé detektory gravitačnej vlny boli vyrobené Josephom Weberom, astrofyzikom z Marylandskej univerzity. Jeho detektory, ktoré boli postavené v 60. rokoch, pozostávali z veľkých hliníkových valcov, ktoré boli poháňané, aby vibrovali prechádzaním gravitačnými vlnami. Nasledovali ďalšie pokusy, ale všetky sa ukázali ako neúspešné; nabádanie k posunu smerom k novému typu detektora zahŕňajúceho interferometriu.
Jeden taký prístroj bol vyvinutý spoločnosťou Weiss na MIT, ktorý sa spoliehal na techniku známu ako laserová interferometria. V tomto type nástroja sa merajú gravitačné vlny pomocou široko vzdialených a oddelených zrkadiel, ktoré odrážajú lasery na veľké vzdialenosti. Ak gravitačné vlny spôsobujú napínanie a stláčanie vesmíru v nekonečných množstvách, spôsobuje to, že sa odrazené svetlo vnútri detektora drobne posúva.
Zároveň Thorne - spolu so svojimi študentmi a postdoktormi z Caltechu - začal pracovať na zlepšení teórie gravitačných vĺn. To zahŕňalo nové odhady sily a frekvencie vĺn vytváraných predmetmi, ako sú čierne diery, neutrónové hviezdy a supernovy. To vyvrcholilo v roku 1972, ktorý Throne uverejnil spolu so svojím študentom Billom Pressom, ktorý zhrnul ich víziu o tom, ako je možné študovať gravitačné vlny.
V tom istom roku Weiss uverejnil aj podrobnú analýzu interferometrov a ich potenciálu pre astrofyzikálny výskum. V tomto dokumente uviedol, že rozsiahlejšie operácie - merajúce niekoľko km alebo viac - môžu mať šancu odhaliť gravitačné vlny. Identifikoval tiež hlavné výzvy pri detekcii (ako napríklad vibrácie zo Zeme) a navrhol možné riešenia na boj proti nim.
V roku 1975 Weiss vyzval Thornu, aby vystúpil na schôdzi výboru NASA vo Washingtone, D.C. a obaja strávili celú noc rozprávaním o gravitačných experimentoch. V dôsledku rozhovoru sa Thorne vrátil do Caltehu a navrhol vytvorenie experimentálnej gravitačnej skupiny, ktorá by pracovala na interferometroch paralelne s výskumníkmi z MIT, University of Glasgow a University of Garching (kde sa podobné experimenty viedli).
Vývoj na prvom interferometri sa začal krátko potom v Caltechu, čo viedlo k vytvoreniu 40-metrového (130-stopového) prototypu na testovanie Weissových teórií o gravitačných vlnách. V roku 1984 sa spojila všetka práca vykonávaná týmito inštitúciami. Caltech a MIT s podporou Národnej vedeckej nadácie (NSF) vytvorili spoluprácu LIGO a začali pracovať na svojich dvoch interferometroch v Hanforde a Livingstone.
Konštrukcia LIGO bola logistickou aj technickou výzvou. Veci v roku 1994 však boli nesmierne nápomocné, keď sa v roku 1994 stal Barry Barish (vtedy Caltechov fyzik častíc) hlavným výskumným pracovníkom (PI) LIGO. Po desiatich rokoch zastavených pokusov sa stal tiež riaditeľom spoločnosti LIGO a dal jej výstavbu späť na správnu cestu , Rozšíril tiež výskumný tím a vypracoval podrobný pracovný plán pre NSF.
Ako naznačil Barish, práca, ktorú vykonal s LIGO, sa stala niečo ako sen:
„Vždy som chcel byť experimentálnym fyzikom a bol som priťahovaný myšlienkou využitia pokračujúceho technologického pokroku na vykonávanie základných vedeckých experimentov, ktoré by sa inak nedali urobiť. LIGO je ukážkovým príkladom toho, čo sa predtým nemohlo urobiť. Aj keď išlo o veľmi rozsiahly projekt, výzvy sa veľmi líšili od spôsobu, akým staviame most alebo realizujeme iné veľké inžinierske projekty. Pre spoločnosť LIGO bola výzvou a je, ako vyvíjať a navrhovať pokročilé prístroje vo veľkom meradle, a to aj v priebehu vývoja projektu. “
Do roku 1999 bola výstavba zabalená do observatórií LIGO a do roku 2002 začala spoločnosť LIGO získavať údaje. V roku 2008 sa začali práce na vylepšovaní jej pôvodných detektorov, známych ako Advanced LIGO Project. Proces konverzie prototypu 40 m na súčasné 4-km (2,5 míle) interferometre LIGO bol obrovským krokom, a preto ho bolo potrebné rozdeliť do niekoľkých krokov.
Prvý krok sa uskutočnil v rokoch 2002 až 2010, keď tím zostavil a testoval počiatočné interferometre. Aj keď to neviedlo k žiadnym odhaleniam, preukázalo to základné koncepcie observatória a vyriešilo mnoho technických prekážok. Ďalšia fáza s názvom Advanced LIGO, ktorá sa uskutočnila v rokoch 2010 až 2015, umožnila detektorom dosiahnuť novú úroveň citlivosti.
Tieto vylepšenia, ku ktorým došlo aj pod vedením Barisha, umožnili vývoj niekoľkých kľúčových technológií, ktoré nakoniec umožnili prvú detekciu. Ako Barish vysvetlil:
„V počiatočnej fáze LIGO sme na izoláciu detektorov od zemského pohybu použili systém odpruženia, ktorý pozostával z zrkadiel skúšobnej hmoty zavesených na klavírny drôt a použili sme viacstupňovú súpravu pasívnych tlmičov, podobnú tým vo vašom aute. Vedeli sme, že to pravdepodobne nebude dosť dobré na odhalenie gravitačných vĺn, a preto sme v laboratóriu LIGO vyvinuli ambiciózny program pre pokročilé LIGO, ktorý obsahuje nový systém odpruženia na stabilizáciu zrkadiel a aktívny seizmický systém izolácie, ktorý sníma a opravuje pozemné pohyby. “
Vzhľadom na to, aké stredné boli Thorne, Weiss a Barish pri štúdiu gravitačných vĺn, boli všetci traja právoplatne uznaní za tohtoročných príjemcov Nobelovej ceny za fyziku. Thorne aj Barish dostali oznámenie, že vyhrali v skorých ranných hodinách 3. októbra 2017. V reakcii na správy si obidvaja vedci určite uvedomili pokračujúce úsilie LIGO, vedeckých tímov, ktoré k tomu prispeli, a úsilie Caltech a MIT pri vytváraní a udržiavaní observatórií.
„Cena právom patrí stovkám vedcov a technikov LIGO, ktorí stavali a zdokonalovali naše komplexné interferometre gravitačných vĺn, a stovkám vedcov LIGO a Panny, ktorí našli v gravisačných údajoch LIGO gravitačné vlnové signály a extrahovali informácie o vlnách, “Povedala Thorne. "Je nešťastné, že z dôvodu štatútov Nobelovej nadácie musí cena ísť najviac trom ľuďom, keď náš úžasný objav je dielom viac ako tisíc."
"Som pokorný a poctený, že dostávam toto ocenenie," povedal Barish. „Detekcia gravitačných vĺn je skutočne triumfom modernej rozsiahlej experimentálnej fyziky. V priebehu niekoľkých desaťročí naše tímy v Caltech a MIT vyvinuli LIGO do neuveriteľne citlivého zariadenia, ktoré tento objav objavilo. Keď signál dosiahol LIGO z kolízie dvoch hviezdnych čiernych dier, ku ktorým došlo pred 1,3 miliardami rokov, vedecká kolaborácia LIGO s 1 000 vedcami silná vedecká spolupráca dokázala identifikovať kandidátsku udalosť v priebehu niekoľkých minút a vykonať podrobnú analýzu, ktorá presvedčivo preukázala gravitačné vlny existovať. "
Pri pohľade do budúcnosti je tiež celkom zrejmé, že Advanved LIGO, Advanced Virgo a ďalšie observatóriá gravitačných vĺn na celom svete sa len začínajú. Okrem toho, že sa zistili štyri samostatné udalosti, nedávne štúdie naznačili, že detekcia gravitačných vĺn by tiež mohla otvoriť nové hranice pre astronomický a kozmologický výskum.
Napríklad nedávna štúdia tímu výskumníkov z Monash Centra pre astrofyziku navrhla teoretický koncept známy ako „osirotená pamäť“. Podľa ich výskumu gravitačné vlny nielen spôsobujú vlny v časopriestore, ale zanechávajú vo svojej štruktúre trvalé vlnky. Štúdiom „sirôt“ minulých udalostí je možné študovať gravitačné vlny tak, ako sa dostanú na Zem, ako aj dlho po ich prechode.
Okrem toho bola v auguste zverejnená štúdia tímu astronómov z Centra kozmológie na kalifornskej univerzite Irvine, ktorá naznačovala, že fúzie čiernych dier sú oveľa bežnejšie, ako sme si mysleli. Po vykonaní prieskumu vo vesmíre, ktorý mal počítať a kategorizovať čierne diery, tím UCI rozhodol, že v galaxii môže byť až 100 miliónov čiernych dier.
Ďalšia nedávna štúdia naznačila, že na detekciu gravitačných vĺn vytvorených supernovami by sa mohla použiť aj sieť detektorov gravitačných vĺn Advanced LIGO, GEO 600 a Panna. Tým, že astronómovia detegovali vlny vytvorené hviezdou, ktorá vybuchla na konci ich životnosti, mohli po prvý raz vidieť vnútri srdca kolabujúcich hviezd a vyskúšať mechaniku tvorby čiernych dier.
Nobelova cena za fyziku je jedným z najvyšších ocenení, ktoré môže udeliť vedec. Ale ešte väčšia je znalosť, že veľké veci vyplynuli z vlastnej práce. Desať rokov po tom, čo Thorne, Weiss a Barish začali navrhovať štúdie gravitačných vĺn a usilovali sa o vytvorenie detektorov, vedci z celého sveta robia hlboké objavy, ktoré revolucionizujú spôsob, akým myslíme na vesmír.
A ako títo vedci určite potvrdia, to, čo sme doteraz videli, je len špičkou ľadovca. Dá sa predstaviť, že niekde Einstein tiež žiarí s hrdosťou. Rovnako ako v prípade iného výskumu týkajúceho sa jeho teórie všeobecnej relativity, aj štúdium gravitačných vĺn ukazuje, že aj po storočí boli jeho predpovede stále na rany!
Nezabudnite sa pozrieť na toto video z tlačovej konferencie v Caltech, kde boli Barish a Thorn poctené za svoje úspechy:
