Tidligere kunne astronomer bare se himmelen i synlig lys og bruke øynene deres som reseptorer. Men hva om du hadde gravitasjonsøyne? Einstein spådde at de mest ekstreme objektene og hendelsene i universet skulle generere tyngdekraftsbølger, og forvrenge rommet rundt dem. Et nytt eksperiment kalt Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (eller LIGO) kan gjøre den første deteksjonen av disse tyngdekraftsbølgene.
Hør intervjuet: Seeing with Gravity Eyes (7,9 MB)
Eller abonner på Podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: OK, så hva er en gravitasjonsbølge?
Dr. Sam Waldman: Så en gravitasjonsbølge kan forklares hvis du husker at masse forvrenger romtid. Så hvis du husker analogien til et ark trukket stramt med en bowlingkule kastet inn i midten av arket, bøy du arket; hvor bowlingballen er en masse og arket representerer romtid. Hvis du beveger den bowlingkulen veldig raskt frem og tilbake, lager du krusninger i arket. Det samme gjelder massene i universet vårt. Hvis du beveger en stjerne veldig raskt frem og tilbake, vil du lage krusninger i romtiden. Og de krusningene i romtiden er observerbare. Vi kaller dem tyngdekraftsbølger.
Fraser: Hvis jeg nå går rundt i rommet, vil det føre til tyngdekraftsbølger?
Dr. Waldman: Det vil det. Så langt vi vet, fungerer tyngdekraften i alle målestokker og for alle masser, men romtiden er veldig stiv. Så noe sånt som det 200 pund jeg beveger meg gjennom kontoret mitt, vil ikke føre til tyngdekraftsbølger. Det som kreves er ekstremt massive gjenstander som beveger seg veldig raskt. Så når vi ser for å oppdage tyngdekraftsbølger, leter vi etter objekter i solmasse. Spesielt søker vi etter nøytronstjerner, som er mellom 1,5 og 3 solmasser. Vi ser etter sorte hull, opptil flere hundre solmasser. Og vi ser etter at disse gjenstandene beveger seg veldig raskt. Så når vi snakker om en nøytronstjerne, snakker vi om en nøytronstjerne som beveger seg på nesten lysets hastighet. Det må faktisk vibrere med lysets hastighet, det kan ikke bare bevege seg, det må riste veldig raskt frem og tilbake. Så de er veldig unike, veldig massive kataklysmiske systemer som vi søker etter.
Fraser: Tyngdekraften er rent teoretisk, ikke sant? De ble spådd av Einstein, men har de ikke blitt sett ennå?
Dr. Waldman: De er ikke blitt observert, de er blitt utledet. Det er et pulsarsystem hvis frekvens snurres ned med en hastighet som er i samsvar med utslipp av tyngdekraftsbølger. Det er PSR 1913 + 16. Og at bane til denne stjernen endrer seg. Det er en slutning, men selvfølgelig er det ikke en observasjon direkte av tyngdekraften. Imidlertid er det ganske tydelig at de må eksistere. Hvis Einsteins lover eksisterer, hvis generell relativitet fungerer, og den fungerer veldig bra på veldig mange lengdeskala, så eksisterer også tyngdekraftsbølger. De er bare veldig vanskelige å se.
Fraser: Hva skal det til for å kunne oppdage dem? Det høres ut som det er veldig katastrofale hendelser. Flotte store sorte hull og nøytronstjerner som beveger seg rundt, hvorfor er de så vanskelige å finne?
Dr. Waldman: Det er to komponenter til det. En ting er at sorte hull ikke kolliderer hele tiden, og nøytronstjerner ikke rister på noe gammelt sted. Så antall hendelser som kan forårsake observerbare tyngdekraftsbølger er faktisk veldig lite. Nå snakker vi for eksempel om Melkeveis galaksen med en hendelse som oppstår hvert 30-50 år.
Men den andre delen av ligningen er at tyngdekraften i seg selv er veldig liten. Så de introduserer det vi kaller en belastning; det er en lengdeendring per enhetslengde. For eksempel, hvis jeg har en målestokk en meter lang, og en gravitasjonsbølge vil klemme den målestokken når den kommer gjennom. Men nivået som det vil klemme målestokken er ekstremt lite. Hvis jeg har en målestokk på 1 meter, vil det bare føre til en endring på 10e-21 meter. Så det er en veldig liten forandring. Å observere 10e-21 meter er selvfølgelig der den store utfordringen er å observere en gravitasjonsbølge.
Fraser: Hvis du målte lengden på en målestokk med en annen målestokk, ville lengden på den andre målestokken endret seg. Jeg kan se at det er vanskelig å gjøre.
Dr. Waldman: Akkurat, så du har et problem. Måten vi løser målestokkproblemet på er at vi faktisk har to målestokker, og vi former dem til en L. Og måten vi måler dem på er å bruke en laser. Og måten vi har ordnet målestokken vår på er faktisk i en 4 km lang "L". Det er 2 armer, hver og en er 4 km lang. Og på slutten av hver arm er det en 4 kg kvarts testmasse som vi spretter lasere av. Og når en gravitasjonsbølge kommer gjennom denne “L” -formede detektoren, strekker den det ene beinet mens det krymper det andre benet. Og det gjør dette på si 100 Hz innen lydfrekvenser. Så hvis du lytter til bevegelsen til disse massene, hører du en surr på 100 hertz. Og det vi måler med laserne våre, er differensialarmlengden til dette store “L” -formede interferometeret. Det er derfor det er LIGO. Det er laserinterferometeret gravitasjonsbølge-observatorium.
Fraser: La oss se om jeg forstår dette riktig. For milliarder av år siden kolliderer et svart hull med et annet og genererer en haug med tyngdekraften. Disse gravitasjonsbølgene krysser universet og vasker forbi jorden. Når de går forbi jorden, forlenger de en av disse armene, og de krymper den andre, og du kan oppdage denne forandringen ved at laseren spretter frem og tilbake.
Dr. Waldman: Det stemmer. Utfordringen er selvfølgelig at lengdeendringen er ekstremt liten. Når det gjelder våre 4 km interferometre, er lengdeendringen som vi måler akkurat nå 10e-19 meter. Og for å sette en skala på det, er diameteren til en atomkjerne bare 10e-15 meter. Så følsomheten vår er subatomisk.
Fraser: Og hva slags hendelser bør du være i stand til å oppdage på dette tidspunktet?
Dr. Waldman: Så det er faktisk et fascinerende område. Analogien vi liker å bruke er som den ser på universet med radiobølger var å se på universet med teleskoper. Tingene du ser er helt forskjellige. Du er følsom for et helt annet regime i universet. Spesielt er LIGO følsom for disse kataklysmiske hendelsene. Vi klassifiserer arrangementene våre i 4 brede kategorier. Den første vi kaller sprekker, og det er noe som danner et svart hull. Så det oppstår en supernovaeksplosjon, og så mye materie beveger seg så raskt at det danner sorte hull, men du vet ikke hvordan tyngdekraftsbølgene ser ut. Alt du vet er at det er gravitasjonsbølger. Så dette er ting som skjer ekstremt raskt. De varer maksimalt 100 millisekunder, og de kommer fra dannelsen av sorte hull.
En annen hendelse vi ser på er når to objekter er i bane med hverandre, sier to nøytronstjerner som går i bane rundt hverandre. Etter hvert forfaller diameteren på den bane. Nøytronstjernene vil samles, de vil falle inn i hverandre og danne et svart hull. Og for de aller siste banene beveger disse nøytronstjernene (husk at de er objekter som veier 1,5 til 3 solmasser) med store brøkdeler av lysets hastighet; si 10%, 20% av lysets hastighet. Og den bevegelsen er en veldig effektiv generator av tyngdekraften. Så det er det vi bruker som vårt stearinlys. Det er det vi tror vi vet eksisterer; vi vet at de er der ute, men vi er ikke sikre på hvor mange av dem som skal av på en gang. Vi er ikke sikre på hvordan en nøytronstjerne i spiral ser ut i radiobølger, eller røntgenstråler, i optisk stråling. Så det er litt vanskelig å beregne nøyaktig hvor ofte du ser enten en in-spiral eller en supernova.
Fraser: Nå vil du kunne oppdage retningen deres?
Dr. Waldman: Vi har to interferometre. Vi har faktisk to nettsteder og tre interferometre. Et interferometer er i Livingston Louisiana, som ligger like nord for New Orleans. Og vårt andre interferometer er i østlige delstaten Washington. Fordi vi har to interferometre, kan vi gjøre triangulering på himmelen. Men det er en viss usikkerhet hvor nøyaktig kilden er. Det er andre samarbeid i verden som vi jobber ganske tett i Tyskland, Italia og Japan, og de har også detektorer. Så hvis flere detektorer på flere steder ser en gravitasjonsbølge, så kan vi gjøre en veldig god jobb med å lokalisere. Håpet er at vi ser en gravitasjonsbølge og at vi vet hvor den kommer fra. Vi ber deretter radioastronomkollegene og våre røntgen astronomekolleger, og våre optiske astronomekolleger om å se på den delen av himmelen.
Fraser: Det er noen nye store teleskoper i horisonten; overveldende store og gigantisk store, og Magellan… de store teleskopene som kommer nedover røret med ganske store budsjetter å bruke. La oss si at du pålitelig kan finne tyngdekraftsbølger, det er nesten som om det tilfører et nytt spekter til vår deteksjon. Hvis store budsjetter ble lagt inn i noen av disse tyngdekraftsbølgedetektorene, hva tror du de kan brukes til?
Dr. Waldman: Vel, som jeg sa før, det er som revolusjonen innen astronomi da radioteleskoper først kom på nettet. Vi ser på en helt annen klasse av fenomener. Jeg må si at LIGO-laboratoriet er et ganske stort laboratorium. Vi jobber over 150 forskere, så det er et stort samarbeid. Og vi håper å kunne samarbeide med alle optiske astronomer og radioastronomer når vi går fremover. Men det er litt vanskelig å forutsi hvilken vei vitenskapen vil gå. Jeg tror at hvis du snakker med mange generelle relativister, er det mest spennende trekk ved tyngdekraftsbølger at vi gjør noe som heter Strong Field General Relativity. Det er all den generelle relativiteten du kan måle når du ser på stjerner og galakser, er veldig svak. Det er ikke mye masse involvert, det beveger seg ikke veldig raskt. Det er veldig store avstander. Mens vi snakker om kollisjonen mellom et svart hull og en nøytronstjerne, er den aller siste biten, når nøytronstjernen faller ned i det svarte hullet, ekstremt voldelig og sonderer et rike av generell relativitet som bare ikke er veldig tilgjengelig med vanlige teleskoper, med radio, med røntgen. Så håpet er at det er noe grunnleggende ny og spennende fysikk der. Jeg tror at det som først og fremst motiverer oss er, kan du kalle det, morsomt med generell relativitet.
Fraser: Og når håper du å få din første oppdagelse.
Dr. Waldman: Så LIGO-interferometre - alle tre interferometre - som LIGO opererer, kjører alle med designfølsomhet, og vi er for øyeblikket midt i S5-løpet vårt; vårt femte vitenskapsløp, som er et år langt løp. Alt vi gjør i et år er å prøve å se etter tyngdekraftsbølger. Som med mange ting innen astronomi, er det meste vent og se. Hvis en supernova ikke eksploderer, vil vi selvfølgelig ikke se den. Og så må vi være online så lenge som mulig. Sannsynligheten for å observere en hendelse, som en supernovahendelse, antas å være i regionen - på vår nåværende følsomhet - er det tenkt at vi kommer til å se en hvert 10.-20. År. Det er et stort utvalg. I litteraturen er det folk som hevder at vi vil se flere per år, og så er det folk som hevder at vi ikke vil se noen gang på følsomheten vår. Og den konservative midtbanen er en gang hvert 10. år. På den annen side oppgraderer vi detektorene våre så snart denne kjøringen er over. Og vi forbedrer følsomheten med en faktor 2, noe som vil øke vår deteksjonshastighet med en faktor på 2 kubikk. Fordi følsomhet er en radius, og vi tester et volum i verdensrommet. Med den faktoren 8-10 i oppdagelsesfrekvensen, bør vi se en hendelse en gang hvert år. Og etter det oppgraderer vi til det som kalles Advanced LIGO, som er en faktor på 10 forbedring av følsomhet. I så fall vil vi nesten helt sikkert se tyngdekraften en gang hver dag; hver 2-3 dag. Dette instrumentet er designet for å være et veldig ekte verktøy. Vi vil gjøre gravitasjonsastronomi; å se begivenheter med noen få dager. Det vil være som å starte Swift-satellitten. Så snart Swift gikk opp, begynte vi å se gammastråleutbrudd hele tiden, og Advanced LIGO vil være lik.
