W ramach swojej ogólnej teorii względności Einstein przewidział, że masa powinna emitować fale grawitacyjne. Powinien być w stanie wykryć najpotężniejsze fale grawitacyjne, gdy przechodzą one przez Ziemię. A obserwatorium kosmiczne planowane do uruchomienia w 2015 r. O nazwie LISA powinno być jeszcze silniejsze.
Naukowcy są bliscy zobaczenia fal grawitacyjnych. Źródło zdjęcia: NASA
Grawitacja jest znaną siłą. To jest powód do strachu przed wysokościami. Trzyma Księżyc na Ziemi, Ziemię na Słońcu. Chroni piwo przed wypływaniem z naszych szklanek.
Ale jak? Czy Ziemia wysyła tajne wiadomości na Księżyc?
Cóż, tak - w pewnym sensie.
Eanna Flanagan, profesor fizyki i astronomii Cornell, poświęciła swoje życie zrozumieniu grawitacji, odkąd był studentem University College Dublin w rodzinnej Irlandii. Obecnie, prawie dwie dekady po opuszczeniu Irlandii na studia doktoranckie u słynnego relatywisty Kipa Thorne'a w California Institute of Technology, jego praca koncentruje się na przewidywaniu wielkości i kształtu fal grawitacyjnych - nieuchwytnego zjawiska prognozowanego przez Teorię ogólnej teorii względności Einsteina z 1916 r. ale które nigdy nie zostały bezpośrednio wykryte.
W 1974 r. Astronomowie z Princeton University, Russell Hulse i Joseph H. Taylor Jr., pośrednio zmierzyli wpływ fal grawitacyjnych na krążące wokół gwiazd neutronowych, co przyniosło im nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1993 r. Dzięki niedawnej pracy Flanagana i jego współpracowników naukowcy są teraz na skraju bezpośredniego ujrzenia pierwszych fal grawitacyjnych.
Dźwięk nie może istnieć w próżni. Wymaga medium, takiego jak powietrze lub woda, przez które przekazuje swój przekaz. Podobnie grawitacja nie może istnieć w nicości. On także potrzebuje medium, za pomocą którego może przekazać swój przekaz. Einstein wysunął teorię, że tym medium jest przestrzeń i czas lub „tkanina czasoprzestrzenna”.
Zmiany ciśnienia - uderzenie w bęben, wibrujący strun głosowy - wytwarzają fale dźwiękowe, falują w powietrzu. Zgodnie z teorią Einsteina zmiany masy - zderzenie dwóch gwiazd, lądowanie pyłu na półce z książkami - wytwarzają fale grawitacyjne, falują w czasoprzestrzeni.
Ponieważ większość przedmiotów codziennego użytku ma masę, fale grawitacyjne powinny być wokół nas. Dlaczego więc nie możemy znaleźć?
„Najsilniejsze fale grawitacyjne spowodują mierzalne zakłócenia na Ziemi 1000 razy mniejsze niż jądro atomowe” - wyjaśnił Flanagan. „Wykrywanie ich to ogromne wyzwanie techniczne”.
Odpowiedzią na to wyzwanie jest LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kolosalny eksperyment z udziałem ponad 300 naukowców.
LIGO składa się z dwóch instalacji oddalonych od siebie o prawie 2000 mil - jednej w Hanford w stanie Waszyngton i jednej w Livingston w stanie La. Każdy obiekt ma kształt gigantycznej litery „L” z dwoma ramionami o długości 2,5 mili wykonanymi z średnicy 4 stóp rury próżniowe zamknięte w betonie. Niezwykle stabilne wiązki laserowe przechodzą przez rury, odbijając się między zwierciadłami na końcu każdego ramienia. Naukowcy oczekują, że przepływająca fala grawitacyjna rozciąga jedno ramię i ściska drugie, powodując, że oba lasery pokonują nieco inne odległości.
Różnicę można następnie zmierzyć, „zakłócając” lasery w miejscu przecięcia ramion. Jest to porównywalne z dwoma samochodami pędzącymi prostopadle w kierunku skrzyżowania. Jeśli pokonają tę samą prędkość i odległość, zawsze się rozbiją. Ale jeśli odległości są różne, mogą ominąć. Flanagan i jego koledzy mają nadzieję na spudłowanie.
Co więcej, dokładnie to, ile laserów trafi lub nie trafi, dostarczy informacji o charakterystyce i pochodzeniu fali grawitacyjnej. Rolą Flanagana jest przewidywanie tych cech, aby jego koledzy z LIGO wiedzieli, czego szukać.
Ze względu na ograniczenia technologiczne, LIGO jest w stanie wykrywać fale grawitacyjne o określonych częstotliwościach z potężnych źródeł, w tym wybuchy supernowych w Drodze Mlecznej i szybko wirujące lub krążące wokół siebie gwiazdy neutronowe w Drodze Mlecznej lub odległych galaktykach.
Aby rozszerzyć potencjalne źródła, NASA i Europejska Agencja Kosmiczna już planują następcę LIGO, LISA, laserowej anteny kosmicznej interferometru. LISA ma podobną koncepcję do LIGO, z tym wyjątkiem, że lasery będą odbijać się między trzema satelitami oddalonymi o 3 miliony mil, wędrując po Ziemi na orbicie wokół Słońca. W rezultacie LISA będzie w stanie wykryć fale o niższych częstotliwościach niż LIGO, takie jak te powstałe w wyniku zderzenia gwiazdy neutronowej z czarną dziurą lub zderzenia dwóch czarnych dziur. Uruchomienie LISA planowane jest na 2015 rok.
Flanagan i współpracownicy z Massachusetts Institute of Technology niedawno rozszyfrowali sygnaturę fali grawitacyjnej, która powstaje, gdy supermasywna czarna dziura połyka gwiazdę neutronową wielkości Słońca. Jest to podpis, który będzie ważny dla LISA do rozpoznania.
„Kiedy LISA lata, powinniśmy zobaczyć setki tych rzeczy”, zauważył Flanagan. „Będziemy mogli zmierzyć, w jaki sposób przestrzeń i czas są wypaczone i jak przestrzeń ma być zakręcana przez czarną dziurę. Widzimy promieniowanie elektromagnetyczne i uważamy, że to prawdopodobnie czarna dziura - ale to tyle, ile się da. To będzie bardzo ekscytujące, aby w końcu zobaczyć, że teoria względności rzeczywiście działa. ”
Ale ostrzegł: „To może nie działać. Astronomowie zauważają, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Jednym z wyjaśnień jest to, że ogólna teoria względności musi zostać zmodyfikowana: Einstein miał w większości rację, ale w niektórych reżimach wszystko mogło działać inaczej ”.
Thomas Oberst jest stażystą pisarzem naukowym w Cornell News Service.
Oryginalne źródło: Cornell University
