I februar 2016 gjorde forskere som jobbet for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historie da de kunngjorde den første deteksjonen av gravitasjonsbølger noensinne. Siden den gangen har flere deteksjoner funnet sted og vitenskapelige samarbeid mellom observatorier - som Advanced LIGO og Advanced Virgo - gir mulighet for enestående nivåer av følsomhet og datadeling.
Ikke bare var førstegangsdetektering av tyngdekraftsbølger en historisk prestasjon, den innledet en ny æra av astrofysikk. Det er ikke så rart hvorfor de tre forskerne som var sentrale i den første oppdagelsen har blitt tildelt Nobelprisen i fysikk 2017. Prisen ble delt ut til Caltech-professorer emeritus Kip S. Barish, sammen med MIT-professor emeritus Rainer Weiss.
For å si det enkelt, er gravitasjonsbølger krusninger i romtid som dannes av store astronomiske hendelser - for eksempel fusjon av et binært svart hullpar. De ble først spådd for over et århundre siden av Einsteins teori om generell relativitet, som tydet på at massive forstyrrelser ville endre strukturen i romtid. Imidlertid var det først de siste årene at bevis for disse bølgene ble observert for første gang.
Det første signalet ble oppdaget av LIGOs tvillingobservatorier - i henholdsvis Hanford, Washington og Livingston, Louisiana - og spores til en fusjon i svart føflekk 1,3 milliarder lysår unna. Til dags dato har fire deteksjoner vært, som alle skyldtes sammenslåing av sorte hullpar. Disse fant sted 26. desember 2015, 4. januar 2017, og 14. august 2017, den siste ble oppdaget av LIGO og den europeiske jomfruens gravitasjonsbølgedetektor.
For rollen de spilte i denne bragden ble halvparten av prisen tildelt i fellesskap til Caltechs Barry C. Barish - Ronald og Maxine Linde professor i fysikk, emeritus - og Kip S. Thorne, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysikk , Emeritus. Den andre halvparten ble tildelt Rainer Weiss, professor i fysikk, emeritus, ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Som Caltech-president Thomas F. Rosenbaum - Sonja og William Davidow president og professor i fysikk - sa i en fersk uttalelse fra Caltech:
“Jeg er glad og beæret over å gratulere Kip og Barry, samt Rai Weiss fra MIT, med utmerkelsen i morges 2017 Nobelprisen i fysikk. Den første direkte observasjonen av gravitasjonsbølger av LIGO er en ekstraordinær demonstrasjon av vitenskapelig syn og utholdenhet. Gjennom fire tiår med utvikling av utsøkt sensitiv instrumentering - som presser kapasiteten til våre forestillinger - er vi nå i stand til å skimte kosmiske prosesser som tidligere ikke kunne påvises. Det er virkelig starten på en ny epoke i astrofysikk. ”
Denne bragden var desto mer imponerende med tanke på at Albert Einstein, som først spådde deres eksistens, mente gravitasjonsbølger ville være for svake til å studere. På 1960-tallet førte fremskritt i laserteknologi og ny innsikt i mulige astrofysiske kilder forskere til å konkludere med at disse bølgene faktisk kan oppdages.
De første gravitasjonsbølgedetektorene ble bygget av Joseph Weber, en astrofysiker fra University of Maryland. Detektorene hans, som ble bygget på 1960-tallet, besto av store aluminiumsylindere som ville bli drevet til å vibrere ved å passere tyngdekraftsbølger. Andre forsøk fulgte, men alle viste seg mislykket; be om et skifte mot en ny type detektor som involverer interferometri.
Et slikt instrument ble utviklet av Weiss ved MIT, som stolte på teknikken kjent som laserinterferometri. I denne typen instrumenter måles gravitasjonsbølger ved hjelp av vidt adskilte og adskilte speil som reflekterer lasere over lange avstander. Når gravitasjonsbølger får plass til å strekke seg og klemme seg i uendelige mengder, får det reflekterte lyset inne i detektoren til å forskyve seg lite.
Samtidig begynte Thorne - sammen med studenter og postdokter ved Caltech - å arbeide for å forbedre teorien om gravitasjonsbølger. Dette inkluderte nye estimater på styrken og frekvensen til bølger produsert av objekter som sorte hull, nøytronstjerner og supernovaer. Dette kulminerte i en artikkel fra 1972 som Throne sammen publiserte med sin student, Bill Press, som oppsummerte deres visjon om hvordan gravitasjonsbølger kunne studeres.
Samme år publiserte Weiss også en detaljert analyse av interferometre og potensialet deres for astrofysisk forskning. I denne artikkelen uttalte han at operasjoner i større skala - som måler flere kilometer eller mer i størrelse - kan ha et skudd for å oppdage gravitasjonsbølger. Han identifiserte også de viktigste utfordringene med å oppdage (for eksempel vibrasjoner fra jorden) og foreslo mulige løsninger for å motvirke dem.
I 1975 inviterte Weiss Thorne til å tale på et NASA-komitémøte i Washington, D.C., og de to tilbrakte en hel natt på å snakke om gravitasjonseksperimenter. Som et resultat av samtalen dro Thorne tilbake til Calteh og foreslo å opprette en eksperimentell tyngdekraftgruppe, som ville fungere på interferometre parallelt med forskere ved MIT, University of Glasgow og University of Garching (der lignende eksperimenter ble utført).
Utviklingen av det første interferometeret begynte kort tid etter på Caltech, noe som førte til at det ble opprettet en 40-meter (130 fot) prototype for å teste Weiss 'teorier om gravitasjonsbølger. I 1984 kom alt arbeidet som ble utført av disse respektive institusjoner sammen. Caltech og MIT, med støtte fra National Science Foundation (NSF), dannet LIGO-samarbeidet og begynte arbeidet med sine to interferometre i Hanford og Livingston.
Bygging av LIGO var en stor utfordring, både logistisk og teknisk. Imidlertid ble ting enormt hjulpet da Barry Barish (den gang en Caltech-partikkelfysiker) ble hovedutforsker (PI) for LIGO i 1994. Etter et tiår med stoppede forsøk ble han også gjort til direktør for LIGO og satte konstruksjonen tilbake på banen . Han utvidet også forskerteamet og utviklet en detaljert arbeidsplan for NSF.
Som Barish antydet, arbeidet han gjorde med LIGO var noe av en drøm:
”Jeg har alltid ønsket å være en eksperimentell fysiker og ble tiltrukket av ideen om å bruke fortsatte fremskritt innen teknologi for å gjennomføre grunnleggende vitenskapelige eksperimenter som ikke kunne gjøres på annen måte. LIGO er et godt eksempel på hva som ikke kunne gjøres før. Selv om det var et veldig storstilt prosjekt, var utfordringene veldig forskjellige fra måten vi bygger en bro på eller utfører andre store ingeniørprosjekter. For LIGO var utfordringen hvordan man utvikler og designer avansert instrumentering i stor skala, selv når prosjektet utvikler seg. ”
I 1999 hadde konstruksjonen pakket seg sammen med LIGO-observatoriene, og i 2002 begynte LIGO å skaffe data. I 2008 begynte arbeidet med å forbedre sine originale detektorer, kjent som Advanced LIGO Project. Prosessen med å konvertere 40-m-prototypen til LIGOs nåværende 4 km (2,5 mi) interferometre var et massivt foretak, og måtte derfor deles inn i trinn.
Det første trinnet skjedde mellom 2002 og 2010, da teamet bygde og testet de første interferometre. Selv om dette ikke resulterte i noen deteksjoner, demonstrerte det observatoriets grunnleggende konsepter og løste mange av de tekniske hindringene. Den neste fasen - kalt Advanced LIGO, som tok plass mellom 2010 og 2015 - gjorde detektorene i stand til å oppnå nye følsomhetsnivåer.
Disse oppgraderingene, som også skjedde under Barishs ledelse, muliggjorde utvikling av flere viktige teknologier som til slutt muliggjorde den første oppdagelsen. Som Barish forklarte:
"I den innledende fasen av LIGO, for å isolere detektorene fra jordens bevegelse, brukte vi et fjæringssystem som besto av testmasse-speil hengt av pianotråd og brukte et flertrinns sett med passive støtdempere, lik de i bilen din. Vi visste at dette sannsynligvis ikke ville være bra nok til å oppdage gravitasjonsbølger, så vi i LIGO Laboratory utviklet et ambisiøst program for Advanced LIGO som innlemmet et nytt fjæringssystem for å stabilisere speilene og et aktivt seismisk isolasjonssystem for å føle og korrigere for bakkebevegelser. ”
Gitt hvor sentralt Thorne, Weiss og Barish var for studiet av gravitasjonsbølger, ble alle tre med rette anerkjent som årets mottakere av Nobelprisen i fysikk. Både Thorne og Barish fikk beskjed om at de hadde vunnet i de tidlige morgentimene 3. oktober 2017. Som svar på nyhetene, var begge forskerne sikre på å erkjenne den pågående innsatsen til LIGO, vitenskapsteamene som har bidratt til det, og innsats fra Caltech og MIT for å skape og vedlikeholde observatoriene.
"Prisen tilhører med rette hundrevis av LIGO-forskere og -ingeniører som bygde og perfeksjonerte våre komplekse gravitasjonsbølgerinterferometre, og hundrevis av LIGO- og jomfruforskere som fant gravitasjonsbølgesignalene i LIGOs støyende data og hentet ut bølgenes informasjon, Sa Thorne. "Det er uheldig at prisen på grunn av vedtektene til Nobel-stiftelsen, ikke må gå til mer enn tre personer, når vår fantastiske oppdagelse er arbeidet til mer enn tusen."
"Jeg er ydmyk og æret av å motta denne prisen," sa Barish. “Deteksjonen av gravitasjonsbølger er virkelig en triumf av moderne storskala eksperimentell fysikk. Gjennom flere tiår utviklet teamene våre på Caltech og MIT LIGO til det utrolig følsomme apparatet som gjorde oppdagelsen. Da signalet nådde LIGO fra en kollisjon av to stjernersorte hull som skjedde for 1,3 milliarder år siden, klarte det 1000 forskersterke LIGO Scientific Collaboration både å identifisere kandidatarrangementet i løpet av få minutter og utføre den detaljerte analysen som overbevisende demonstrerte at gravitasjonsbølger eksistere."
Når vi ser fremover, er det også ganske tydelig at Advanved LIGO, Advanced Virgo og andre observasjonsorganer for gravitasjonsbølger rundt om i verden akkurat er i gang. I tillegg til å ha oppdaget fire separate hendelser, har nyere studier indikert at gravitasjonsbølgedeteksjon også kan åpne for nye grenser for astronomisk og kosmologisk forskning.
For eksempel foreslo en fersk undersøkelse av et team av forskere fra Monash Center for Astrophysics et teoretisk konsept kjent som "foreldreløst minne". I følge deres undersøkelser forårsaker ikke tyngdekraftsbølger bølger i romtid, men etterlater permanente krusninger i strukturen. Ved å studere "foreldreløse" fra tidligere hendelser, kan gravitasjonsbølger studeres både når de når jorden og lenge etter at de har passert.
I tillegg ble en studie utgitt i august av et team med astronomer fra Center of Cosmology ved University of California Irvine som indikerte at fusjon av svart hull er langt vanligere enn vi trodde. Etter å ha gjennomført en undersøkelse av kosmos beregnet på å beregne og kategorisere sorte hull, bestemte UCI-teamet at det kunne være så mange som 100 millioner sorte hull i galaksen.
En annen nylig studie indikerte at Advanced LIGO, GEO 600 og Virgo gravitasjonsbølgedetektor nettverket også kunne brukes til å oppdage gravitasjonsbølgene skapt av supernovaer. Ved å oppdage bølgene skapt av stjerne som eksploderer nær slutten av levetiden, kunne astronomer være i stand til å se i hjertene til kollapsende stjerner for første gang og undersøke mekanikken i dannelsen av svart hull.
Nobelprisen i fysikk er en av de høyeste utmerkelser som kan tildeles en forsker. Men enda større enn det er kunnskapen om at store ting resulterte fra ens eget arbeid. Flere tiår etter at Thorne, Weiss og Barish begynte å foreslå gravitasjonsbølgestudier og jobbe mot opprettelsen av detektorer, gjør forskere fra hele verden dype funn som revolusjonerer måten vi tenker på universet.
Og som disse forskerne sikkert vil bevise, det vi har sett så langt er bare toppen av isfjellet. Man kan forestille seg at et sted stråler Einstein også av stolthet. I likhet med annen forskning som omhandler hans teori om generell relativitet, viser studiet av gravitasjonsbølger at selv etter et århundre, var hans forutsigelser fortsatt knall!
Og husk å sjekke ut denne videoen fra Caltech Pressekonferanse der Barish og Thorn ble hedret for sine prestasjoner:
