În trecut, astronomii au putut vedea cerul doar în lumină vizibilă, folosindu-și ochii ca receptori. Dar dacă ai avea ochi gravitaționali? Einstein a prezis că cele mai extreme obiecte și evenimente din Univers ar trebui să genereze valuri gravitaționale și să denatureze spațiul din jurul lor. Un nou experiment numit Laser Interferometru Gravitational Wave Observatory (sau LIGO) ar putea face prima detectare a acestor unde de gravitație.
Ascultați interviul: Seeing with Gravity Eyes (7,9 MB)
Sau abonați-vă la Podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Bine, deci ce este o undă gravitațională?
Dr. Sam Waldman: Deci, o undă gravitațională poate fi explicată dacă vă amintiți că masa denaturează spațiul. Așadar, dacă vă amintiți de analogia unei coli trase cu o bilă de bowling aruncată în mijlocul foii, îndoind foaia; unde bila de bowling este o masă și foaia reprezintă spațiu. Dacă mutați acea minge de bowling înainte și înapoi foarte rapid, veți face ondulări în foaie. Același lucru este valabil și pentru masele din Universul nostru. Dacă mutați o stea înainte și înapoi foarte rapid, veți face ondulări în spațiu. Și acele ondulări în spațiu sunt observabile. Le numim valuri gravitaționale.
Fraser: Acum dacă merg prin cameră, asta va provoca valuri de gravitație?
Dr. Waldman: Ei bine. Din câte știm, gravitația funcționează la toate scările și pentru toate masele, însă spațiul este foarte rigid. Deci, ceva de genul meu care se deplasează prin biroul meu nu va produce valuri de gravitație. Ceea ce sunt necesare sunt obiecte extrem de masive care se mișcă foarte rapid. Prin urmare, atunci când privim să detectăm unde gravitaționale, căutăm obiecte la scară solară. În special, căutăm stele neutronice, care sunt cuprinse între 1,5 și 3 mase solare. Căutăm găuri negre, până la câteva sute de mase solare. Și căutăm ca aceste obiecte să se miște foarte repede. Deci, când vorbim despre o stea cu neutroni, vorbim despre o stea neutronă care se mișcă aproape la viteza luminii. De fapt, trebuie să vibreze la viteza luminii, nu poate fi doar în mișcare, trebuie să tremure înainte și înapoi foarte rapid. Deci, sunt sisteme cataclismice foarte unice, foarte masive pe care le căutăm.
Fraser: Valurile gravitaționale sunt pur teoretice, nu? Au fost prezise de Einstein, dar nu au fost văzute încă?
Dr. Waldman: Nu au fost observate, au fost deduse. Există un sistem pulsar a cărui frecvență se învârte în proporție de emisie de unde de gravitație. Acesta este PSR 1913 + 16. Și că orbita acestei stele se schimbă. Aceasta este o inferență, dar, desigur, aceasta nu este o observație directă a undelor gravitaționale. Cu toate acestea, este destul de clar că trebuie să existe. Dacă legile lui Einstein există, dacă funcționalitatea generală funcționează și funcționează foarte bine la scări de lungime foarte mari, atunci și valurile gravitaționale există. Sunt foarte greu de văzut.
Fraser: Ce va fi nevoie pentru a le putea detecta? Pare că sunt evenimente foarte cataclisme. Gurile mari și negre și stelele de neutroni se mișcă, de ce sunt atât de greu de găsit?
Dr. Waldman: Există două componente. Un lucru este că găurile negre nu se ciocnesc tot timpul, iar stelele neutronice nu se agită în niciun loc vechi. Deci numărul de evenimente care pot provoca valuri gravitaționale observabile este de fapt foarte mic. Acum vorbim despre, de exemplu, galaxia Calea Lactee cu un eveniment care are loc la fiecare 30-50 de ani.
Dar cealaltă parte a acestei ecuații este că undele gravitaționale în sine sunt foarte mici. Deci ei introduc ceea ce numim o tulpină; aceasta este o modificare a lungimii pe unitatea de lungime. De exemplu, dacă am o bară de curte lungime de un metru și o undă gravitațională va zdrobi acea șantieră pe măsură ce trece. Însă nivelul pe care îl va gâdilă este extrem de mic. Dacă am o mână de curte de 1 metru, aceasta va induce doar o schimbare de 10e-21 de metri. Deci este o schimbare foarte mică. Desigur, observarea 10e-21 de metri este locul în care marea provocare este să observi o undă gravitațională.
Fraser: Dacă ați măsura lungimea unui șantier cu un alt șantier, lungimea acelui alt șantier s-ar schimba. Pot vedea că este dificil de făcut.
Dr. Waldman: Exact, deci aveți o problemă. Modul în care rezolvăm problema yardstick-ului este faptul că avem de fapt 2 știfturi și le formăm într-un L. Și modul în care le măsurăm este să folosim un laser. Și modul în care ne-am amenajat șantierul este de fapt într-o „L” lungă de 4 km. Există 2 brațe, fiecare cu o lungime de 4 km. Și la sfârșitul fiecărui braț există o masă de testare a cuarțului de 4 kg din care lasăm laserele. Și când o undă gravitațională trece prin acest detector în formă de „L”, acesta întinde un picior în timp ce se micșorează celălalt picior. Și face asta la 100 de hertzi, în cadrul frecvențelor audio. Deci, dacă asculți mișcarea acestor mase, auzi un zâmbet la 100 de hertzi. Așadar, ceea ce măsurăm cu laserele noastre este lungimea diferențială a brațului acestui interferometru mare, în formă de L. Acesta este motivul pentru care este LIGO. Observatorul gravitațional-unde cu laser interferometru.
Fraser: Să vedem dacă înțeleg corect acest lucru. În urmă cu miliarde de ani, o gaură neagră se ciocnește cu alta și generează o mulțime de valuri gravitaționale. Aceste valuri gravitaționale traversează Universul și trec pe Pământ. Pe măsură ce trec pe Pământ, lărgesc una dintre aceste brațe și o micșorează pe cealaltă și puteți detecta această schimbare cu ajutorul laserului care se întoarce înainte și înapoi.
Dr. Waldman: Așa este. Provocarea, desigur, este că această schimbare de lungime este extrem de mică. În cazul interferometrelor noastre de 4 km, schimbarea de lungime pe care o măsurăm chiar acum este de 10e-19 metri. Și pentru a pune o scară pe asta, diametrul unui nucleu atomic este de doar 10e-15 metri. Deci sensibilitatea noastră este subatomică.
Fraser: Și ce fel de evenimente ar trebui să poți detecta în acest moment?
Dr. Waldman: Deci aceasta este de fapt o zonă fascinantă. Analogia pe care ne place să o folosim este ca și cum ar fi privirea Universului cu unde radio a fost să privim Universul cu telescoape. Lucrurile pe care le vezi sunt total diferite. Ești sensibil la un regim cu totul diferit al Universului. În special, LIGO este sensibil la aceste evenimente cataclismice. Clasificăm evenimentele noastre în 4 categorii largi. Primul pe care îl numim izbucni și acesta este un fel de gaură neagră. Așadar, o explozie de supernova are loc și atâta materie se mișcă atât de rapid încât formează găuri negre, dar nu știi cum arată undele gravitaționale. Tot ce știi este că există unde gravitaționale. Așadar, acestea sunt lucruri care se întâmplă extrem de rapid. Ele durează cel mult 100 de milisecunde și provin din formarea găurilor negre.
Un alt eveniment la care ne uităm este când două obiecte sunt în orbită una cu cealaltă, spun că două stele de neutroni orbitează între ele. În cele din urmă, diametrul acelei orbite scade. Stelele neutronice se vor coala, vor cădea una în cealaltă și vor forma o gaură neagră. Și pentru ultimele câteva orbite, acele stele de neutroni (rețineți că sunt obiecte care cântăresc 1,5 până la 3 mase solare), se mișcă la fracții mari ale vitezei luminii; spun 10%, 20% din viteza luminii. Și această mișcare este un generator foarte eficient de unde de gravitație. Deci noi folosim ca lumânare standard. Asta credem că știm că există; știm că sunt acolo, dar nu suntem siguri câți dintre ei pleacă la un moment dat. Nu suntem siguri cum arată o stea neutronă în spirală în undele radio sau radiografiile în radiațiile optice. Așadar, este puțin dificil să calculăm exact cât de des veți vedea fie o spirală, fie o supernovă.
Fraser: Acum vei putea detecta direcția lor?
Dr. Waldman: Avem două interferometre. De fapt avem două site-uri și trei interferometre. Un interferometru se află în Livingston Louisiana, care se află chiar la nord de New Orleans. Iar celălalt interferometru nostru se află în estul statului Washington. Deoarece avem două interferometre, putem face triangulația pe cer. Dar rămâne o anumită incertitudine în care se află exact sursa. Există alte colaborări în lume cu care colaborăm destul de îndeaproape în Germania, Italia și Japonia și au și detectoare. Deci, dacă mai mulți detectori din mai multe site-uri văd o undă gravitațională, atunci putem face o treabă foarte bună în localizare. Speranța este că vedem o undă gravitațională și știm de unde provine. Le spunem apoi colegilor noștri de radio-astronomi și colegilor noștri de astronomie cu raze X și colegilor noștri de astronomie optică să meargă să privească acea porțiune a cerului.
Fraser: Există câteva noi telescoape mari la orizont; copleșitor de mare și gigantic, și Magellan ... marile telescoape care coboară pe țeavă cu bugete destul de mari de cheltuit. Să spunem că puteți găsi în mod fiabil unde de gravitație, este aproape ca și cum ar adăuga un nou spectru la detectarea noastră. Dacă s-ar introduce bugete mari în unele dintre aceste detectoare de unde de gravitație, la ce crezi că ar putea fi utilizate?
Dr. Waldman: Ei bine, așa cum am mai spus, este ca revoluția în astronomie, când radiotelescoapele au intrat online. Ne uităm la o clasă fundamentală diferită de fenomene. Ar trebui să spun că laboratorul LIGO este un laborator destul de mare. Lucrăm peste 150 de oameni de știință, deci este o colaborare importantă. Și sperăm să colaborăm cu toți astronomii optici și radio pe măsură ce mergem înainte. Dar este puțin dificil să prezici ce cale va lua știința. Cred că dacă vorbești cu mulți relativi generali, cea mai interesantă caracteristică a undelor gravitaționale este că facem ceva numit Relativity General Field Strong. Aceasta este toată Relativitatea generală pe care o poți măsura dacă privești stelele și galaxiile este foarte slabă. Nu este implicată prea multă masă, nu se mișcă foarte repede. Se află la distanțe foarte mari. Întrucât, atunci când vorbim despre coliziunea unei găuri negre și a unei stele cu neutroni, ultimul bit, atunci când steaua neutronului cade în gaura neagră, este extrem de violentă și sondează un tărâm al relativității generale care pur și simplu nu este foarte accesibil cu telescoape normale, cu radio, cu radiografie. Deci, speranța este că există niște fizici fundamental noi și interesante. Cred că ceea ce ne motivează în primul rând este, ai putea să-l numești, distractiv cu Relativity General.
Fraser: Și când speri să ai prima ta detectare.
Dr. Waldman: Așadar, interferometrele LIGO - toate cele trei interferometre - pe care le operează LIGO funcționează cu toate sensibilitățile de proiectare, iar în prezent suntem în mijlocul rulării noastre S5; al cincilea alergat științific, care este o perioadă de un an. Tot ce facem timp de un an este să încercăm să căutăm valuri gravitaționale. Ca în cazul multor lucruri din astronomie, cea mai mare parte așteaptă și vezi. Dacă o supernovă nu explodează, desigur, nu o vom vedea. Și deci trebuie să fim online cât mai mult timp. Probabilitatea observării unui eveniment, cum ar fi un eveniment al supernovei, se crede în regiunea - la sensibilitatea noastră actuală - s-a crezut că vom vedea unul la fiecare 10-20 de ani. Există o gamă largă. În literatura de specialitate, există oameni care susțin că vom vedea mai multe pe an și apoi există oameni care susțin că nu vom vedea niciodată în sensul nostru. Iar terenul de mijloc conservator este o dată la 10 ani. Pe de altă parte, modernizăm detectoarele de îndată ce se termină această execuție. Și îmbunătățim sensibilitatea cu un factor de 2, ceea ce ne-ar crește rata de detecție cu un factor de 2 cubi. Deoarece sensibilitatea este o rază, și testăm un volum în spațiu. Cu acel factor de 8-10 în rata de detectare, ar trebui să vedem un eveniment o dată în fiecare an. Și după aceea, vom face upgrade la ceea ce se numește Advanced LIGO, care este un factor de 10 îmbunătățiri a sensibilității. În acest caz, aproape cu siguranță vom vedea valuri gravitaționale o dată în fiecare zi; la fiecare 2-3 zile. Acest instrument este proiectat să fie un instrument foarte real. Vrem să facem astronomie gravitațională; să vedem evenimente la fiecare câteva zile. Va fi ca și cum ai lansa satelitul Swift. De îndată ce Swift a urcat, am început să vedem explozii de raze gamma tot timpul, iar Advanced LIGO va fi similar.
