V minulosti mohli astronómovia vidieť oblohu iba vo viditeľnom svetle a používať svoje oči ako receptory. Ale čo keby ste mali gravitačné oči? Einstein predpovedal, že najextrémnejšie objekty a udalosti vo vesmíre by mali vytvárať gravitačné vlny a deformovať priestor okolo nich. Nový experiment s názvom Gravitačné vlnové observatórium s laserovým interferónom (LIGO) mohol urobiť prvú detekciu týchto gravitačných vĺn.
Vypočujte si rozhovor: Seeing with Gravity Eyes (7,9 MB)
Alebo sa prihláste na odber podcastu: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Dobre, tak čo je gravitačná vlna?
Dr. Sam Waldman: Takže si môžete vysvetliť gravitačnú vlnu, ak si pamätáte, že masa skresľuje časopriestor. Takže ak si pamätáte analógiu listu ťahaného napnutým bowlingovou loptou hodenou do stredu listu, ohýbaním listu; kde bowlingová guľa je hmota a hárok predstavuje medzičas. Ak pohybujete bowlingovou guľou veľmi rýchlo a dozadu, vytvoríte vlnky v plachte. To isté platí pre masy v našom vesmíre. Ak pohybujete hviezdou rýchlo a dozadu, vytvoríte vlnky v časopriestore. A tie vlnky v časopriestore sú pozorovateľné. Hovoríme im gravitačné vlny.
Fraser: Teraz, keď idem po miestnosti, spôsobí to gravitačné vlny?
Waldman: Dobre. Pokiaľ vieme, gravitácia funguje vo všetkých mierkach a pre všetky masy, ale časopriestor je veľmi tuhý. Takže niečo ako moja 200 libier samostatne sa pohybujúca v mojej kancelárii nespôsobí gravitačné vlny. Potrebné sú veľmi veľké objekty, ktoré sa pohybujú veľmi rýchlo. Takže keď hľadáme detekciu gravitačných vĺn, hľadáme objekty slnečnej hmoty. Hľadáme najmä neutrónové hviezdy, ktoré sú medzi 1,5 a 3 slnečnými hmotami. Hľadáme čierne diery, až niekoľko stoviek slnečných hmôt. A my hľadáme, aby sa tieto objekty pohybovali veľmi rýchlo. Takže keď hovoríme o neutrónovej hviezde, hovoríme o neutrónovej hviezde pohybujúcej sa takmer rýchlosťou svetla. V skutočnosti to musí vibrovať rýchlosťou svetla, nemôže sa len pohybovať, musí sa veľmi rýchlo pretrepávať tam a späť. Sú to veľmi jedinečné, veľmi masívne kataklyzmatické systémy, ktoré hľadáme.
Fraser: Gravitačné vlny sú čisto teoretické, však? Einstein ich predpovedal, ale ešte ich nevideli?
Waldman: Neboli pozorovaní, boli vyvodení. Existuje pulzarový systém, ktorého frekvencia sa otáča dole rýchlosťou zodpovedajúcou emisiám gravitačných vĺn. To je PSR 1913 + 16. A obežná dráha tejto hviezdy sa mení. To je inferencia, ale samozrejme to nie je pozorovanie priamo gravitačných vĺn. Je však celkom jasné, že musia existovať. Ak existujú Einsteinove zákony, ak funguje všeobecná relatívnosť a funguje veľmi dobre na veľmi dlhých mierkach, potom existujú aj gravitačné vlny. Sú to veľmi ťažké vidieť.
Fraser: Čo bude potrebné, aby sme ich mohli zistiť? Znie to, že sa jedná o veľmi kataklyzmatické udalosti. Veľké veľké čierne diery a neutrónové hviezdy pohybujúce sa okolo, prečo je také ťažké ich nájsť?
Waldman: Na tom sú dve zložky. Jedna vec je, že čierne diery sa neustále nezrážajú a neutrónové hviezdy sa otriasajú iba na starom mieste. Počet udalostí, ktoré môžu spôsobiť pozorovateľné gravitačné vlny, je teda veľmi malý. Teraz hovoríme napríklad o galaxii Mliečna dráha s jednou udalosťou, ktorá sa koná každých 30 - 50 rokov.
Druhou časťou tejto rovnice je to, že gravitačné vlny samotné sú veľmi malé. Predstavujú to, čomu hovoríme kmeň; to je zmena dĺžky na jednotku dĺžky. Napríklad, ak budem mať meradlo dlhé jeden meter a gravitačná vlna bude merať, keď bude prechádzať. Ale úroveň, ktorú bude merať, je extrémne nízka. Ak budem mať 1-metrové meradlo, bude to vyvolávať iba zmenu 10e-21 metrov. Je to veľmi malá zmena. Pozorovanie 10e-21 metrov je, samozrejme, veľkou výzvou pri pozorovaní gravitačnej vlny.
Fraser: Keby ste merali dĺžku meradla iným meradlom, dĺžka tohto meradla by sa menila. Vidím, že je ťažké to urobiť.
Waldman: Presne tak, máte problém. Spôsob, ako vyriešime problém meradla, je to, že v skutočnosti máme 2 meradlá a vytvarujeme ich do L. A spôsob, akým ich merame, je použitie lasera. A spôsob, akým sme usporiadali naše meradlo, je vlastne v 4 km dlhom „L“. K dispozícii sú 2 zbrane, každá má dĺžku 4 km. A na konci každej ruky je 4 kg kremennej testovacej hmoty, z ktorej oddeľujeme lasery. A keď týmto detektorom v tvare „L“ prechádza gravitačná vlna, napína jednu nohu, zatiaľ čo druhú nohu zmenšuje. A robí to pri 100 Hz, vo zvukových frekvenciách. Takže ak počúvate pohyb týchto mas, budete počuť bzučanie pri 100 hertzoch. Meriame teda pomocou laserov rozdielnu dĺžku ramien tohto veľkého interferometra v tvare „L“. Preto je to LIGO. Je to gravitačné vlnové observatórium s laserovým interferónom.
Fraser: Uvidíme, či tomu rozumiem správne. Pred miliardami rokov sa čierna diera zrazí s druhou a vytvára veľa gravitačných vĺn. Tieto gravitačné vlny prechádzajú vesmírom a umývajú sa okolo Zeme. Keď idú okolo Zeme, predlžujú jednu z týchto ramien a zmenšujú druhú, a túto zmenu môžete zistiť pomocou laserového odrazu tam a späť.
Waldman: Správne. Výzvou je samozrejme to, že táto zmena dĺžky je mimoriadne malá. V prípade našich 4 km interferometrov je zmena dĺžky, ktorú práve merame, 10e-19 metrov. A aby sme to mierili, priemer atómového jadra je len 10 až 15 metrov. Takže naša citlivosť je subatomárna.
Fraser: A teda aké udalosti by ste mali byť schopní zistiť v tomto okamihu?
Waldman: Takže toto je skutočne fascinujúca oblasť. Analógia, ktorú radi používame, je, akoby sa pozerala na vesmír pomocou rádiových vĺn, keď sa pozerala na vesmír pomocou ďalekohľadov. Veci, ktoré vidíte, sú úplne odlišné. Ste citliví na úplne odlišný režim vesmíru. LIGO je obzvlášť citlivý na tieto kataklyzmatické udalosti. Naše udalosti klasifikujeme do 4 širokých kategórií. Prvý z nich, ktorý nazývame výbuchy, je niečo ako formovanie čiernej diery. Dochádza teda k výbuchu supernovy a toľko hmoty sa pohybuje tak rýchlo, že vytvára čierne diery, ale neviete, ako gravitačné vlny vyzerajú. Všetko, čo viete, je to, že existujú gravitačné vlny. Toto sú veci, ktoré sa dejú veľmi rýchlo. Trvajú nanajvýš 100 milisekúnd a vznikajú tvorbou čiernych dier.
Ďalšia udalosť, na ktorú sa pozeráme, je, keď sú dva objekty na obežnej dráhe, napríklad dve neutrónové hviezdy obiehajúce jeden druhého. Priemer tejto obežnej dráhy sa nakoniec rozpadne. Neutrónové hviezdy sa zhlukujú, padnú do seba a vytvoria čiernu dieru. A pre posledných pár obiehajúcich hviezd sa tieto neutrónové hviezdy (majte na pamäti, že sú to objekty, ktoré vážia 1,5 až 3 slnečné hmoty), sa pohybujú veľkými zlomkami rýchlosti svetla; povedzme 10%, 20% rýchlosti svetla. A tento pohyb je veľmi efektívny generátor gravitačných vĺn. To je to, čo používame ako našu štandardnú sviečku. To je to, čo si myslíme, že vieme, že existuje; vieme, že sú tam vonku, ale nie sme si istí, koľko z nich odchádza kedykoľvek. Nie sme si istí, ako neutrónová hviezda v špirále vyzerá v rádiových vlnách alebo röntgenových lúčoch v optickom žiarení. Je teda trochu ťažké presne vypočítať, ako často uvidíte buď špirálu alebo supernovu.
Fraser: Teraz budete schopní zistiť ich smer?
Waldman: Máme dva interferometre. V skutočnosti máme dve miesta a tri interferometre. Jeden interferometer sa nachádza v meste Livingston Louisiana, ktoré sa nachádza severne od New Orleans. A náš ďalší interferometer je vo východnom štáte Washington. Pretože máme dva interferometre, môžeme na oblohe robiť trianguláciu. Tam, kde presne je zdroj, však zostáva určitá neistota. Vo svete existujú ďalšie spolupráce, s ktorými veľmi úzko spolupracujeme v Nemecku, Taliansku a Japonsku a majú tiež detektory. Takže ak viac detektorov na viacerých miestach vidí gravitačnú vlnu, potom môžeme pri lokalizácii urobiť veľmi dobrú prácu. Dúfame, že vidíme gravitačnú vlnu a vieme, odkiaľ pochádza. Potom povieme kolegom z radiačných astronómov, kolegom z röntgenových astronómov a kolegom z optických astronómov, aby sa pozreli na túto časť oblohy.
Fraser: Na obzore sú nejaké nové veľké ďalekohľady; ohromne veľké a giganticky veľké, a Magellan ... veľké ďalekohľady zostupujúce po potrubí s pomerne veľkými rozpočtami, ktoré sa dajú minúť. Povedzme, že gravitačné vlny môžete spoľahlivo nájsť. Je to takmer ako by do našej detekcie pridalo nové spektrum. Ak by sa do niektorých z týchto detektorov gravitačnej vlny vložili vysoké rozpočty, na čo by ste podľa nich mohli byť použité?
Waldman: Ako som už povedal, je to ako revolúcia v astronómii, keď sa rádioteleskopy prvýkrát objavili online. Pozeráme sa na zásadne inú triedu javov. Mal by som povedať, že laboratórium LIGO je dosť veľké laboratórium. Pracujeme vyše 150 vedcov, takže je to veľká spolupráca. A dúfame, že pri ďalšom postupovaní spolupracujeme so všetkými optickými a rádiovými astronómami. Je však trochu ťažké predvídať, akým smerom sa bude veda uberať. Myslím, že ak hovoríte s mnohými všeobecnými relativistami, najzaujímavejším rysom gravitačných vĺn je to, že robíme niečo, čo sa nazýva Strong Field General Relativity. To je celková všeobecná relativita, ktorú môžete zmerať pri pohľade na hviezdy a galaxie, je veľmi slabá. Nie je tu veľa masy, to sa nepohybuje veľmi rýchlo. Je to na veľmi veľké vzdialenosti. Zatiaľ čo, keď hovoríme o zrážke čiernej diery a neutrónovej hviezdy, ten posledný kúsok, keď neutrónová hviezda padá do čiernej diery, je mimoriadne násilný a skúma oblasť všeobecnej relativity, ktorá jednoducho nie je príliš prístupné pomocou bežných ďalekohľadov, s rádiom, s röntgenovým žiarením. Dúfame teda, že tam sú niektoré zásadne nové a vzrušujúce fyziky. Myslím si, že to je to, čo nás primárne motivuje, mohli by ste to nazvať zábavou so všeobecnou relatívnosťou.
Fraser: A kedy dúfate, že budete mať prvú detekciu.
Waldman: Takže interferometre LIGO - všetky tri interferometre -, ktoré LIGO prevádzkuje, bežia v dizajnovej citlivosti a momentálne sme uprostred nášho behu S5; náš piaty vedecký beh, ktorý je ročný. Celý rok sa snažíme hľadať gravitačné vlny. Rovnako ako u mnohých vecí v astronómii, väčšina z nich čaká a uvidí. Ak supernova nevybuchne, potom to samozrejme neuvidíme. A tak musíme byť online tak dlho, ako je to možné. Pravdepodobnosť pozorovania udalosti, podobne ako udalosti supernovy, sa považuje za oblasť - podľa našej súčasnej citlivosti - sa predpokladá, že ju uvidíme každých 10 - 20 rokov. Existuje veľký rozsah. V literatúre sú ľudia, ktorí tvrdia, že sa stretneme viackrát, a potom sú ľudia, ktorí tvrdia, že nikdy neuvidíme našich citlivosť. A konzervatívny stred je raz za 10 rokov. Na druhej strane inovujeme naše detektory ihneď po skončení tohto behu. A zvyšujeme citlivosť o faktor 2, ktorý by zvýšil našu mieru detekcie o faktor 2 kubický. Pretože citlivosť je polomer a snímame objem v priestore. S týmto faktorom 8 až 10 v miere detekcie by sme mali vidieť udalosť raz za rok. A potom sme prešli na tzv. Advanced LIGO, čo je faktorom 10 zvýšenia citlivosti. V takom prípade budeme takmer určite vidieť gravitačné vlny raz za deň; každé 2-3 dni. Tento nástroj je navrhnutý ako veľmi skutočný nástroj. Chceme robiť gravitačnú astronómiu; vidieť udalosti každých pár dní. Bude to ako spustenie satelitu Swift. Akonáhle sa Swift zdvihol, začali sme neustále vidieť výbuchy gama lúčov a pokročilé LIGO bude podobné.
