Ψάχνοντας στον Ουρανό για τα Δονήματα της Βαρύτητας

Τα αυτιά μας είναι πλέον ανοιχτά στην αμυδρή συμφωνία της βαρύτητας. Στις 18 Σεπτεμβρίου, το Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ή Advanced LIGO, άρχισε να ακούει για βαρυτικά κύματα, κοσμικούς κυματισμούς που παραμορφώνουν διακριτικά τον ιστό του χωροχρόνου. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έλυσε τις εξισώσεις που υπονοούσαν ότι αυτά τα κύματα θα έπρεπε να υπάρχουν και σχεδόν έναν αιώνα αργότερα, υπάρχουν μεγάλες ελπίδες ότι το Advanced LIGO πρόκειται να τα ανιχνεύσει άμεσα για πρώτη φορά.

Η μακρά περίοδος αναμονής είναι ένδειξη των έντονων πειραματικών προκλήσεων που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές των βαρυτικών κυμάτων. Ακόμη και ένα ισχυρό σήμα βαρυτικού κύματος - ένα που παράγεται από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών, για παράδειγμα - μπορεί να συρρικνωθεί ή να επεκτείνει μια δέσμη λέιζερ σε μήκος πολλών χιλιομέτρων μόνο κατά ένα μικρό κλάσμα του πλάτους ενός πρωτονίου. Η πρώτη επανάληψη του πειράματος LIGO, το οποίο διεξήχθη από το 2001 έως το 2010, εμποδίστηκε από ψευδείς θορύβους τόσο από ανθρώπινες όσο και από φυσικές πηγές - τα αχνά βουητά ενός μακρινού τρένου φορτίου ή ενός κομμένου δέντρου ή ακόμα και από την ξαφνική ορμή μιας ριπής ανέμου .

Ενώ ορισμένα πειράματα προσπαθούν να βρουν έμμεσα στοιχεία για βαρυτικά κύματα που μπορεί να υπήρχαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ο πρωταρχικός στόχος του Advanced LIGO είναι να ανιχνεύσει άμεσα στοιχεία βαρυτικών κυμάτων από αστρονομικές πηγές — για παράδειγμα συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων ή μαύρες τρύπες. Είναι ένα τηλεσκόπιο που συλλέγει τη βαρύτητα, όχι το φως.

Όπως το αρχικό LIGO, το Advanced LIGO έχει ανιχνευτές σε δύο τοποθεσίες:Hanford, Wash., και Livingston, La. Η χρήση δύο ανιχνευτών επιτρέπει στους επιστήμονες να συσχετίσουν το σήμα. Ένα πραγματικό γεγονός θα πρέπει να παράγει ένα ηχητικό σήμα που αναγνωρίζεται και από τους δύο. ένα τρένο φορτίου δεν θα είναι. Το αναβαθμισμένο όργανο είναι περίπου 10 φορές πιο ευαίσθητο από το αρχικό LIGO.

Η Gabriela González, φυσική στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα στο Baton Rouge, ασχολείται με την κατασκευή, τη δοκιμή και τη βαθμονόμηση του LIGO από το 1993. Το 1997 βοήθησε να οργανωθούν οι εκατοντάδες επιστήμονες που συμμετείχαν στο έργο στην Επιστημονική Συνεργασία LIGO. Σήμερα, η συνεργασία έχει περισσότερους από 900 επιστήμονες μέλη. Η González εξελέγη εκπρόσωπος Τύπου για τη συνεργασία το 2011, καθιστώντας την ουσιαστικά ηγέτη του οργανισμού. Συνεχίζει να κατέχει τη θέση σήμερα.

Περιοδικό Quanta μίλησε με τον González σχετικά με την ακρόαση βαρυτικών κυμάτων, την έναρξη του Advanced LIGO και τη δυνατότητα να δούμε βαρυτικά κύματα για πρώτη φορά. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική εκδοχή της συνέντευξης.

QUANTA MAGAZINE:Τι θα μας πουν τα βαρυτικά κύματα;

GABRIELA GONZÁLEZ:Λοιπόν, πρώτα απ 'όλα και πιο συναρπαστικό για μένα, μας λένε ότι ο χωροχρόνος περιστρέφεται. Αυτό είναι απλά συγκλονιστικό.

Αυτό σας οδήγησε να εργαστείτε στη LIGO;

Όταν ξεκίνησα το κολέγιο στην Αργεντινή, από όπου κατάγομαι, η θεωρία της σχετικότητας ήταν κάτι που για μένα ήταν τόσο όμορφο. Υπήρχε μια πολύ ισχυρή ομάδα στη θεωρητική σχετικότητα στο Πανεπιστήμιο της Κόρδοβα. Άρχισα να κάνω κάποια θεωρητική έρευνα. Ο άντρας μου πήρε Ph.D. περίπου την ίδια περίοδο που τελείωσα το προπτυχιακό μου. Το Πανεπιστήμιο των Συρακουσών είχε μια ισχυρή ομάδα στη σχετικότητα και στην κβαντική βαρύτητα, και αυτό ήθελε να κάνει ο σύζυγός μου. Πήγαμε λοιπόν στις Συρακούσες. Φτάσαμε τον Φεβρουάριο, εν μέσω χιονοθύελλας. Μιλήστε για ένα γεωγραφικό, κλιματικό σοκ.

Όταν ήμουν στο τρίτο έτος στο μεταπτυχιακό, ένας νέος καθηγητής, ο Peter Saulson, μπήκε στο Πανεπιστήμιο των Συρακουσών και μίλησε για το LIGO και πώς θα μπορούσατε να μετρήσετε αυτές τις παραμορφώσεις στο χωροχρόνο. Και συνδυάζοντας αυτό - τη μέτρηση των πραγμάτων που συμβαίνουν εδώ στη Γη, δίπλα σας, που είναι ένας κυματισμός στο χωροχρόνο και που σας φέρνουν πληροφορίες από μαύρες τρύπες εκατομμύρια έτη φωτός μακριά - ήταν ακαταμάχητο. Είπα, αυτό θέλω να κάνω. Αυτό λοιπόν έκανα. Το γεγονός ότι μπορούμε να μετρήσουμε αυτή τη στρέβλωση που είναι τόσο θεμελιώδης για τη φύση, αυτό με εμπνέει συνεχώς.

Τι είδη αντικειμένων ψάχνετε;

Τα αστέρια νετρονίων είναι τα πιο συμπαγή αστέρια εκτός από τις μαύρες τρύπες. Γνωρίζουμε ότι υπάρχουν σε ζευγάρια και ότι περιστρέφονται όλο και πιο κοντά μεταξύ τους. Χάνουν ενέργεια με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων και όταν συγχωνεύονται σχηματίζουν μια μαύρη τρύπα. Πιστεύουμε επίσης ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν πολλές μεσαίου μεγέθους μαύρες τρύπες που κάνουν αυτόν τον χορό και συνενώνονται για να σχηματίσουν μεγάλες μαύρες τρύπες. Επομένως, αυτά τα δυαδικά συστήματα είναι οι πηγές που είναι πιο πιθανό να εντοπίσουμε πρώτα.

Αναζητούμε επίσης ένα στοχαστικό υπόβαθρο [ένας θόρυβος συριγμού βαρυτικών κυμάτων] που πιστεύουμε ότι σχηματίστηκε λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό το υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων υπάρχει σε όλες τις συχνότητες. Μάλλον είναι πολύ μικρό για να το δούμε, αλλά θα αναζητήσουμε και αυτό το υπόβαθρο.

Υπήρξαν φήμες ότι το Advanced LIGO έχει ήδη ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα.

Πραγματικά δεν μπορούμε να πούμε τίποτα γιατί χρειάζονται μήνες για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο ανιχνευτής. Όμως τον ανιχνευτή τον έχουμε μόνο ένα μήνα τώρα. Δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε τίποτα ακόμα για τα δεδομένα με σιγουριά.

Πώς αναζητά το Advanced LIGO για βαρυτικά κύματα;

Για μένα, αυτό είναι το πιο εκπληκτικό πράγμα. Το LIGO είναι ένα τόσο περίπλοκο αλλά ακριβές όργανο. Είναι ένα συμβολόμετρο, που σημαίνει ότι έχουμε μια πηγή λέιζερ την οποία χωρίζουμε στα δύο με ένα διαχωριστή δέσμης. Έχουμε δύο δοκούς που ταξιδεύουν τέσσερα χιλιόμετρα κάτω από τους κάθετους βραχίονες της μηχανής, βρίσκουν καθρέφτες στο τέλος, αντανακλώνται πίσω και συναντώνται ξανά. Μπορούμε να διακρίνουμε τη μικρή διαφορά στην απόσταση που διένυσαν αυτές οι φωτεινές δέσμες.

Η ιδέα είναι ότι τα βαρυτικά κύματα παραμορφώνουν τον χωροχρόνο, έτσι ώστε ο ένας βραχίονας να κοντύνει ενώ ο άλλος να είναι μακρύτερος. Αυτό θα παρήγαγε μια διαφορά φάσης στις δέσμες καθώς επιστρέφουν στον ανιχνευτή μας. Το βλέπουμε ως αλλαγή στην ποσότητα του φωτός. Εάν δεν υπάρχουν βαρυτικά κύματα, όταν οι δέσμες επανέρχονται είναι ακριβώς εκτός φάσης και δεν ανιχνεύετε φως. Αλλά αν υπάρχει βαρυτικό κύμα, τότε θα ανιχνεύσετε λίγο φως.

Και, μόνο για να δώσουμε την κλίμακα αυτού, αυτές οι δέσμες φωτός ταξιδεύουν τέσσερα χιλιόμετρα και μπορούμε να ανιχνεύσουμε μια διαφορά μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου σε αυτή την απόσταση. Στην πραγματικότητα, στα καλύτερά μας κάνουμε ένα μέρος στα 10.000 μιας διαμέτρου πρωτονίου.

William Widmer για το Quanta Magazine

Βίντεο: Η Gabriela González εξηγεί πώς να μετρήσετε τις συγκρούσεις μαύρης τρύπας χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα.

Πώς είναι δυνατόν να ανιχνευθεί μήκος μικρότερο από το ένα δέκατο χιλιοστό της διαμέτρου ενός πρωτονίου;

Όπως το περιέγραψα, ακούγεται απλό. Είναι ένας διαχωριστής δέσμης, ένα λέιζερ και δύο καθρέφτες. Υπάρχουν όμως χιλιάδες και χιλιάδες πράγματα που πρέπει να ελέγχονται. Η απόσταση αλλάζει πάντα γιατί οι καθρέφτες κινούνται. Χρειαζόμαστε πολλά κόλπα για να βεβαιωθούμε ότι η ατομική κίνηση, η κίνηση Brown, αυτών των κατόπτρων δεν μας περιορίζει πάρα πολύ. Όλα αυτά πρέπει να γίνουν στο κενό. Μετράτε φωτόνια και υπάρχει μια κβαντική αβεβαιότητα στον αριθμό των φωτονίων. Η πολύ σκληρή δουλειά στο πεδίο ήταν η μείωση αυτών των πηγών θορύβου για να αποκτήσουμε την ευαισθησία που έχουμε τώρα.

Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ του αρχικού LIGO και του Advanced LIGO;

Είναι εκπληκτικό, γιατί αν το δεις από έξω, φαίνεται το ίδιο. Είναι το ίδιο παρατηρητήριο, οι ίδιοι θάλαμοι κενού. Αλλά στο εσωτερικό, όλα είναι διαφορετικά. Έχουμε ένα λέιζερ που είναι 10 φορές πιο ισχυρό, με περισσότερη σταθεροποίηση και περισσότερες δυνατότητες. Στο αρχικό LIGO, είχαμε καθρέφτες που κρέμονταν από μια ενιαία ανάρτηση, η οποία με τη σειρά της κρεμόταν από «αμορτισέρ» για μείωση του σεισμικού θορύβου. Στο Advanced LIGO, έχουμε καθρέφτες σε τετραπλή ανάρτηση που κρέμονται από ένα ενεργό σύστημα σεισμικής απομόνωσης. Είναι ένα σύστημα που έχει πολλούς αισθητήρες και ωθητές - τους ονομάζουμε ενεργοποιητές - που ακυρώνουν τον θόρυβο. Έτσι μετρούν τον τρόπο με τον οποίο κινείται το έδαφος και μετά τον ακυρώνουν.

Πόσο μέρος του σύμπαντος θα είναι σε θέση να παρατηρήσει το Advanced LIGO;

Αναφερόμαστε στην ευαισθησία των ανιχνευτών μας από το πόσο ευαίσθητοι είναι στα συστήματα δυαδικών αστέρων νετρονίων. Με το αρχικό LIGO θα μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε αυτά τα συστήματα σε απόσταση έως και 20 megaparsec. [Ένα megaparsec είναι περίπου 3,3 εκατομμύρια έτη φωτός.] Τώρα μπορούμε να δούμε 60, 70, μερικές φορές ακόμη και 80 megaparsec μακριά. Αλλά πιστεύουμε ότι οι προηγμένοι ανιχνευτές LIGO θα πρέπει, με όλες τις καμπάνες και σφυρίχτρες, να φτάσουν τα 200 megaparsec.

Και αυτή η ευαισθησία θα επιτρέψει στο Advanced LIGO να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα;

Με ευαισθησία 200 megaparsec σε δύο ανιχνευτές, αναμένουμε ρυθμό δεκάδων γεγονότων ετησίως. Αν βρισκόμαστε στα 150 megaparsec, τότε μπορεί να βλέπουμε μερικά το χρόνο. Αλλά αυτά είναι ήδη περισσότερα από ένα!

Η πρώτη διαδρομή Advanced LIGO έχει προγραμματιστεί για λίγους μόνο μήνες, σωστά;

Αυτό είναι σωστό, γιατί θέλουμε να βελτιώσουμε τους ανιχνευτές πολύ περισσότερο. Υπάρχουν μερικά [αστρονομικά] μοντέλα που προβλέπουν ότι θα δούμε τα πράγματα πολύ γρήγορα, οπότε ελπίζω να έχουν δίκιο. Το επόμενο έτος σχεδιάζουμε να λάβουμε δεδομένα έξι μηνών. Και τότε κάθε χρόνο θα έχουμε καλύτερη ευαισθησία, μεγαλύτερες διαδρομές, μέχρι να δούμε κάτι.

Θα γίνουν πολλές αναλύσεις μόλις έχετε έναν εντοπισμό.

Ναι, θα χρειαστεί πολλή δουλειά και πολύ χρόνο. Τους τελευταίους μήνες προσπαθούμε να σκεφτούμε εκ των προτέρων τα βήματα που θα ακολουθήσουμε εάν έχουμε κάποια ένδειξη ανίχνευσης. Πώς το επικυρώνουμε; Πώς προετοιμαζόμαστε; Πώς το συζητάμε σε μια μεγάλη συνεργασία; Έχουμε 900 άτομα. Έχουμε μια διαδικασία ανίχνευσης και προσπαθούμε να εκτιμήσουμε πόσο χρόνο θα πάρει. Η αισιόδοξη εκτίμησή μας είναι τρεις μήνες.

Ποιοι είναι οι μακροπρόθεσμοι στόχοι για την αστροφυσική των βαρυτικών κυμάτων;

Νομίζω ότι τα επόμενα χρόνια θα έχουμε ανιχνεύσεις. Αλλά θα υπάρχουν μόνο λίγοι, και στην αστρονομία, οι άνθρωποι είναι συνηθισμένοι σε πολύ μεγαλύτερους αριθμούς. Έτσι, σε 10 με 15 χρόνια, βλέπω μεγαλύτερες εγκαταστάσεις που πιθανότατα θα χρειάζονταν πολλές χώρες να συνεργαστούν για να κατασκευαστούν. Βλέπω τον εαυτό μου να συμμετέχει πολύ στη δουλειά σε αυτά.

Υπάρχει ένα διαστημικό έργο που η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία έχει αναθέσει να εκτοξεύσει το 2034. Ελπίζω πραγματικά ότι με την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων από επίγειους ανιχνευτές, αυτό το έργο μπορεί να προχωρήσει πολύ πιο γρήγορα. Φυσικά, τα διαστημικά έργα χρειάζονται πάντα χρόνο. Από εκείνο το σημείο και μετά, νομίζω ότι θα υπάρξει μια έκρηξη σε όλα τα διαφορετικά μήκη κύματος της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων. Θα είναι σαν φως. Θα είναι ένα φάσμα βαρυτικών κυμάτων.

Υπάρχει μια ποιητική αντίληψη ότι μόλις παρατηρηθούν βαρυτικά κύματα, θα ανοίξουν ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν.

Αυτό σίγουρα ανοίγει ένα νέο παράθυρο, αλλά δεν είναι μόνο ποίηση, είναι επιστήμη. Για παράδειγμα, ένα από τα πράγματα που περιμένουμε να δούμε - πιθανότατα δεν θα είναι το πρώτο ή ίσως και το 10ο, αλλά θα έρθει τελικά - είναι τα βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων ή ενός αστέρα νετρονίων και ενός μαύρου τρύπα, την οποία ανιχνεύουμε επίσης ως έκρηξη ακτίνων γάμμα. Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα ανιχνεύονται πολύ συχνά και υπάρχουν δύο είδη:σύντομες και μεγάλες. Οι σύντομες είναι από αυτές τις συγχωνεύσεις. Αυτά είναι δύο πολύ διαφορετικά παράθυρα:ακτίνες γάμμα και βαρυτικά κύματα.

Τι θα σημαίνει για εσάς η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων;

Υπάρχουν τόσες πολλές προσδοκίες για την πρώτη διοργάνωση. Μόλις έχουμε ένα, θα ακολουθήσουν και άλλοι. Και η πραγματική επιστήμη - γνωρίζοντας πόσες μαύρες τρύπες υπάρχουν, πόσα αστέρια νετρονίων, ποια είναι η σύνθεση των άστρων νετρονίων - όλη αυτή η επιστήμη θα προέλθει από πολλές ανιχνεύσεις, όχι από την πρώτη. Ανυπομονώ πραγματικά να περάσω από την πρώτη εκδήλωση.