Po století hledání jsme konečně zjistili gravitační vlny

Vědci slyšeli gravitační árii poprvé.

Související obsah

• Pět věcí, které byste měli vědět o gravitačních vlnách
• Sedm jednoduchých způsobů, o kterých víme, že Einstein měl pravdu (prozatím)

Když se dvě černé díry spirálovitě k sobě splynuly a splynuly, vytvořily vlnky ve struktuře vesmíru přesně tak, jak to předpovídali fyzikové na století: gravitační vlny. Signál, který byl dnes představen během řady mezinárodních tiskových konferencí, připravuje cestu pro zcela nové porozumění vesmíru.

"Je to poprvé, co se k nám vesmír promluvil gravitačními vlnami. Až dosud jsme byli hluchí, " řekl dnes ředitel tiskové laboratoře LIGO David Reitze z University of Florida na tiskové akci ve Washingtonu DC

Kořenem gravitačních vln je teorie gravitace Alberta Einsteina, která říká, že cokoli s masovou deformací, je samo o sobě látkou časoprostoru. Když se masivní objekty pohybují, vytvářejí v kosmické struktuře deformace a vytvářejí gravitační vlny. Tyto vlny se vlní vesmírem jako zvukové vlny pulzující vzduchem.

Einsteinova teorie předpovídá, že vesmír se hemží gravitačními vlnami, ale dosud jsme je nedokázali detekovat, částečně proto, že vlny jsou výjimečně slabé. Ale ještě předtím, než byly její upgradované přístroje v loňském roce oficiálně online, laserová interferometrová gravitační vlnová observatoř (LIGO) zachytila ​​jasný signál ze silné kolize dvou černých děr vzdálených 1, 3 miliardy světelných let.

"Aby bylo možné detekovat gravitační vlnový signál, zatímco LIGO stále není blízko citlivosti designu v prvním vědeckém běhu, je ohromující, je to dobrý pokles, " říká Joan Centrella, která vedla Gravitační astrofyzikální laboratoř na Goddardově vesmírném letu NASA. Předtím, než se stanete zástupcem ředitele Astrophysics Science Division v Goddardu.

Když se tým ohlásil, tato nadšení se proletěla hvězdárnou Livingston v Louisianě v Louisianě a zbytkem světa. Téměř všechno, co se astronomové naučili o vesmíru, pocházelo z různých forem světla, jako jsou viditelné, radiové vlny a rentgenové paprsky. Ale stejně jako seismické vlny mohou odhalit skryté struktury hluboko uvnitř Země, gravitační vlny s sebou nesou informace o skrytých vlastnostech vesmíru, které ani světlo nemůže odhalit.

"Začali jsme s vysoce rizikovou prací s velmi vysokou potenciální návratností, " řekl během tiskové události Kip Thorne, spoluzakladatel LIGO a gravitační fyzik na Kalifornském technologickém institutu. "A dnes jsme tady s velkým triumfem - zcela novým způsobem, jak pozorovat vesmír."

Brzy vodítka

Hledání gravitačních vln začalo před sto lety vydáním Einsteinovy ​​obecné teorie relativity. V polovině 70. let fyzici Russell A. Hulse a Joseph H. Taylor, Jr., zachytili velmi přesvědčivé důkazy o tom, že tyto vlnky existují. Měřili dobu, po kterou se obě husté neutronové hvězdy - rozdrcená jádra kdysi masivních hvězd - obíhaly.

Na základě Einsteinovy ​​práce věděli, že by tyto hvězdy měly vyzařovat gravitační energii, když se točily, a že ztracená energie by měla způsobit, že se budou spirály k sobě. Poté, co v následujících několika letech studovali dvě hvězdy, viděli, že se oběžné dráhy snížily přesně o částku předpovězenou obecnou relativitou.

Zatímco toto zjištění získalo duo v roce 1993 za Nobelovu cenu za fyziku, většina fyziků by tomu nenazvala přímou detekci gravitačních vln.

V roce 2001 začala společnost LIGO působit na dvou místech vzdálených 1 875 mil - jedno v Livingstonu v Louisianě a druhé v Hanfordu ve Washingtonu. O několik let později se také připojil evropský gravitační vlnový dalekohled Panna. Obě fungovaly až do roku 2010 a 2011, před přechodem do režimu offline kvůli upgradům.

Zatímco vědci doufali, že tyto počáteční observatoře zachytí gravitační vlny, věděli, že to byla dlouhá rána. Tyto vlnky jsou velmi slabé signály a nástroje nebyly dostatečně citlivé, aby slyšely jejich šepot. Počáteční běhy však slouží jako zkoušky technologie pro přístroje příští generace.

Panna se stále vylepšuje, ale tým LIGO dokončil práci na obou detektorech v roce 2015. Observatoř Louisiana a Washington, nyní nazývaná Advanced LIGO, poslouchala gravitační vlny během prvního vědecko-pozorovacího běhu mezi 18. zářím 2015 a 12. lednem, 2016. Signál oznámený dnes byl vyzvednut těsně před tímto prvním oficiálním během, protože tým prováděl provozní testy detektorů.

Laserová přesnost

Cítit vlnu, která prošla Zemí, vyžadovalo hodně chytrého inženýrství, počítačové energie a více než 1 000 vědců pracujících po celém světě.

V každé LIGO observatoři ve tvaru písmene L sedí laser v místě setkání dvou kolmých trubic. Laser prochází nástrojem, který rozděluje světlo, takže dva paprsky projdou zhruba 2, 5 mil po každé zkumavce. Zrcadla na koncích zkumavek odrážejí světlo zpět k jeho zdroji, kde čeká detektor.

Obvykle na detektor nepřichází žádné světlo. Když ale gravitační vlna projde, měla by se protáhnout a zkrátit časoprostor v předvídatelném vzoru, a tak efektivně změnit délky zkumavek o nepatrné množství - řádově tisícinu průměru protonu. Potom na detektor přistane nějaké světlo.

Z důvodu neuvěřitelně malé změny jsou zrcadla nástroje připojena ke komplexním systémům, které je izolují od většiny vibrací. Vědci LIGO mají také speciální počítačové programy, které mohou filtrovat prostřednictvím různých druhů šumu v pozadí, jako jsou občasné třes, a určit, zda se jakýkoli příchozí signál shoduje s možnými astronomickými zdroji vypočítanými pomocí obecné relativity.

Weby Louisiana a Washington spolupracují při ověřování pozorování. "Nevěříme, že vidíme gravitační vlnu, pokud oba detektory neuvidí stejný signál v době, kterou by gravitační vlna potřebovala k cestování mezi dvěma místy, " říká člen týmu LIGO Amber Stuver z Louisiany State University. V tomto případě vlna prošla Zemí a zasáhla dva detektory ve vzdálenosti pouhých sedmi milisekund.

Jakmile weby v Louisianě a Washingtonu zjistí možnou gravitační melodii, vědci začnou pracovat na analýze. LIGO tento signál zachytil 14. září, ale teprve nyní lze s velkou jistotou říci, že viděli gravitační vlny.

"Trvalo nám měsíce pečlivé kontroly, opětovné kontroly, analýzy, práce s každým kusem dat, abychom se ujistili o pozorování, " řekl Reitze během události DC. "Přesvědčili jsme se, že tomu tak je." Výsledky se objeví tento týden v dopisech Fyzická recenze .

Signál gravitační vlny, který astronomové vytáhli z posledních pozorování, odpovídal tomu, co očekávali u dvou černých děr, které se k sobě spirálovitě otáčely. Tanec vysílá gravitační vlny s předvídatelnou frekvencí a silou, v závislosti na tom, jak daleko jsou tyto objekty od sebe a na jejich hmotnosti.

Když se začínají blížit k tanci, vlnové délky gravitačních vln se zmenšují a jejich písnička dosahuje vyšších výšek. Když se černé díry uzavírají pro konečné objetí, signál gravitační vlny má jednu poslední vysokou notu nebo „cvrlikání“, jak to astronomové nazývají.

Září signál se krásně spojí s tím, co by tým očekával od dvou černých děr s hmotností rovnou asi 29 a 36násobku hmotnosti slunce. Tyto černé díry se zabouchly dohromady a vytvořily novou černou díru, která je 62krát větší než hmotnost Slunce - vyzařují 3 solární hmoty v hodnotě gravitační energie.

Očekávejte neočekávané

S touto počáteční detekcí doufají astronomové, že Advanced LIGO bude i nadále zaznamenávat gravitační vlny a začít budovat data pro všechny druhy vědeckých studií, od vymýšlení toho, jak supernovy fungují, až po učení o prvních několika okamžicích vesmíru. Zatímco žádný jiný astronomický dalekohled neviděl žádné známky této kolize černé díry, u některých dalších zdrojů, které Advanced LIGO hledá, by měly mít protějšky viditelné teleskopy, které zachycují světlo.

Zdá se to zvláště slibné vzhledem k tomu, že Advanced LIGO ještě není plně citlivý. To přijde v příštích několika letech, říká Stuver.

Každý z těchto signálů dá astronomům to, co nikdy neměli: způsob, jak prozkoumat extrémní případy gravitace a pohyby neviditelných objektů. Ještě více vzrušující, astronomové vědí, že s každým technologickým pokrokem má vesmír způsob, jak nás překvapit.

"Pokaždé, když jsme se dívali novým způsobem a jiným druhem světla, objevujeme něco, co jsme neočekávali, že najdeme, " říká Stuver. "A je to ta neočekávaná věc, která revolucionizuje naše chápání vesmíru." Ne dlouho poté, co astronomové otočili rádiové antény na obloze, objevili neočekávaný typ neutronové hvězdy nazývané pulsar. A možná poeticky, to byl pulsar a neutronová hvězda, která dělala orbitální tanec, který Hulse a Taylor studovali v 70. letech.

Nyní, s úsvitem gravitační vlnové astronomie, mají vědci nový nástroj pro vzorkování vesmíru. A ze zvuku toho jsme připraveni na nějakou krásnou hudbu.

Poznámka editora: Opravena byla přidružení Joan Centrella.