Το νέο κύμα βαρυτικών κυμάτων | χώρος

έναΠερίπου 10 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια χιλιοστά του δευτερολέπτου Στην αρχή της δημιουργίας στο Big Bang, το σύμπαν πιστεύεται ότι είχε βιώσει μια σύντομη αλλά παράλογα γρήγορη ανάπτυξη. Αυτό το γεγονός, που ονομάζεται πληθωρισμός, ήταν τόσο καταστροφικό που ο ιστός του χώρου και του χρόνου συντονίστηκε στα βαρυτικά κύματα (GWs). Συγκριτικά, οι GW που ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά πριν από έξι χρόνια έκαναν μια μεγάλη βουτιά που ήταν μικροσκοπικές υποθέσεις από συγκρούσεις μαύρες τρύπες. Αλλά τώρα οι επιστήμονες είναι στην Ευρώπη χώρος Η ESA έχει θέσει τους στόχους της σε μεγαλύτερους στόχους – και ελπίζει ότι σύντομα θα είναι σε θέση να εντοπίσει τους αμυδρούς αντηχείς των πληθωριστικών γέννησης του σύμπαντος, περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια μετά την εκδήλωση, χρησιμοποιώντας το μεγαλύτερο όργανο που έγινε ποτέ. Εκατοντάδες φορές μεγαλύτερες από τη Γη, ο προγραμματισμένος ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων της Esa θα επιπλέει στο διάστημα και θα ψάξει για ταλαντώσεις στο διάστημα-χρόνο που προκαλούνται από όλα τα είδη μαζικών αστροφυσικών σπασμών.

Η πρώτη GW αναγνωρίστηκε το 2015 από το Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), ένα διεθνές έργο του οποίου η επιτυχία κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2017 σε τρεις από τους κύριους υποστηρικτές του. Το Ligo αποτελείται από δύο τεράστιους ανιχνευτές στις πολιτείες των ΗΠΑ της Ουάσιγκτον και της Λουιζιάνας. Καθένας αναπτύσσει δύο σήραγγες 2,5 μιλίων (4 χιλιομέτρων), οι οποίες τέμνονται σε ορθή γωνία, στην οποία η δέσμη λέιζερ κινείται κατά μήκος του καθρέφτη στο άκρο και στη συνέχεια αναπηδά. Τα επιστρεφόμενα κύματα φωτός αλληλεπιδρούν μεταξύ τους καθώς τα χέρια τέμνονται. Όταν το GW περνάει, συρρικνώνεται πολύ ή εκτείνεται στο διάστημα. Δεδομένου ότι αυτό το φαινόμενο θα είναι διαφορετικό σε κάθε βραχίονα, αλλάζει το συγχρονισμό των κυμάτων φωτός, και έτσι αλλάζει την παρεμβολή των δύο ακτίνων.

Το LEGO δεν είναι μόνο του. Μια δεύτερη ανακάλυψη GW την ημέρα των Χριστουγέννων 2015 επιβεβαιώθηκε αργότερα σε συνεργασία με τον Ευρωπαίο ανιχνευτή Virgo, με έδρα την Ιταλία. Ένας ανιχνευτής στην Ιαπωνία, που ονομάζεται Kagra, άρχισε να λειτουργεί στις αρχές του περασμένου έτους και άλλες συσκευές σχεδιάζονται στην Ινδία και την Κίνα.

Οι περισσότερες από τις μαύρες τρύπες που έχουν δει μέχρι στιγμής φαίνεται να προκαλούνται από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών. Αυτά τα αστέρια αποτελούνται από αστέρια πολλές φορές πιο ογκώδη από τον ήλιο μας, τα οποία έχουν καεί και καταρρεύσει υπό την επίδραση της δικής του βαρύτητας. Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα ως παραμόρφωση του χωροχρόνου που προκαλείται από τη μάζα, η κατάρρευση μπορεί να συνεχιστεί έως ότου δεν παραμείνει τίποτα παρά μια πολύ πυκνή «μοναδικότητα», η οποία παράγει ένα βαρυτικό πεδίο τόσο έντονο που ούτε καν το φως μπορεί διαφυγή. απο αυτον.

Εάν δύο μαύρες τρύπες συγκρούονται λόγω της βαρυτικής έλξης του άλλου, μπορεί να περιστρέφονται μεταξύ τους και σταδιακά να κωνίζονται προς τα μέσα μέχρι να ενωθούν. Η γενική σχετικότητα προέβλεπε περισσότερο από έναν αιώνα πριν ότι τέτοια γεγονότα θα έστελναν κύματα GW μέσω του σύμπαντος, αν και δεν υπήρχαν άμεσες ενδείξεις για αυτά μέχρι την ανακάλυψη του LIGO. Μπορούν επίσης να προκληθούν από άλλα ακραία αστροφυσικά φαινόμενα, όπως συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων: φλεγόμενα αστέρια λιγότερο μαζικά από τις μαύρες τρύπες που έχουν σταματήσει την κατάρρευσή τους στο σημείο όπου αποτελούνται από ύλη τόσο πυκνή που η δακτυλήθρα ενός ατόμου ζυγίζει όσο 50 μέτρα ελέφαντας.

Το GW μπορεί επίσης να παραχθεί από πολύ μεγαλύτερα αντικείμενα. Στο κέντρο του γαλαξία μας, και πολλούς άλλους γαλαξίες, βρίσκεται μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα αρκετά εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου μας, που σχηματίζεται από καταρρέοντα αστέρια και σύννεφα αερίου και κοσμική σκόνη. Αντικείμενα που διογκώνονται σε αυτές τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δημιουργούν GW που ταλαντεύονται σε χαμηλότερες συχνότητες και μεγαλύτερα μήκη κύματος από τα μικροσκοπικά κύματα σύντηξης μαύρων οπών που βλέπουν οι Ligo και Virgo.

Οι επίγειοι ανιχνευτές δεν μπορούν να εντοπίσουν αυτά τα πράγματα – θα ήταν σαν να προσπαθείτε να πιάσετε μια φάλαινα σε ένα μπολ με αστακό. Για να τα δείτε, ο ανιχνευτής ιντερφερομετρίας θα χρειαζόταν πολύ μεγαλύτερους βραχίονες. Αυτό είναι δύσκολο, καθώς κάθε βραχίονας καναλιού πρέπει να είναι μακρύς, ίσιος και απαλλαγμένος από κραδασμούς. Έτσι, οι ερευνητές σχεδιάζουν αντ ‘αυτού να κάνουν γυροσκόπια χαμηλής συχνότητας στο διάστημα. Το πιο προηγμένο από αυτά τα σχέδια είναι η συσκευή που κατασκευάζεται τώρα για την Esa: Διαστημόμετρο λέιζερ διαστημικής κεραίας (Λίζα).

Η LISA θα στείλει λέιζερ από ένα διαστημικό σκάφος για να αναπηδήσει από έναν ελεύθερα πλωτό καθρέφτη μέσα σε ένα άλλο διαστημικό σκάφος. Χρησιμοποιώντας τρία διαστημόπλοια, μπορείτε να δημιουργήσετε μια δομή σχήματος L διπλού βραχίονα όπως το Ligo. Αλλά τα όπλα δεν πρέπει να είναι σε ορθή γωνία: Αντ ‘αυτού, η Λίζα θα τοποθετήσει τα τρία διαστημόπλοιά της αρκετά εκατομμύρια μίλια μακριά στις γωνίες του τριγώνου, με κάθε γωνία να γίνεται ένας από τους τρεις ανιχνευτές. Όλη η ομάδα θα ακολουθήσει την τροχιά της Γης, ακολουθώντας τον πλανήτη μας περίπου 30 μέτρα.

Για να δοκιμάσει τη σκοπιμότητα διεξαγωγής της συμβολομετρίας λέιζερ στο διάστημα, το 2015 η Esa ξεκίνησε ένα πιλοτικό έργο που ονομάζεται Λίζα Pathfinder – Διαστημικό σκάφος παρουσίασε τεχνολογία σε μικρή κλίμακα. η αποστολή, Ολοκληρώθηκε το 2017, “μας έσκασε”, λέει η Issa Paul McNamara, που ήταν ο επιστήμονας του έργου που διευθύνει την αποστολή. “Εκπλήρωσε τις απαιτήσεις μας την πρώτη ημέρα, χωρίς καμία τροποποίηση ή τίποτα.” Έδειξε ότι ένας καθρέφτης που επιπλέει μέσα σε ένα διαστημικό σκάφος μπορεί να παραμείνει απίστευτα σταθερός, ταλαντευόμενος όχι περισσότερο από το ένα χιλιοστό του μεγέθους ενός ατόμου. Για να διατηρηθεί σταθερό, το διαστημικό σκάφος χρησιμοποιεί μικρούς προωθητές για να ανταποκριθεί στη δύναμη του φωτός που προέρχεται από τον ήλιο.

Με άλλα λόγια, ο McNamara λέει, “Το διαστημικό σκάφος μας ήταν πιο σταθερό από το μέγεθος του κοροναϊού.” Και, επίσης, επειδή η LISA θα πρέπει να ανιχνεύσει μια αλλαγή στο μήκος του βραχίονα που, λόγω του GW, είναι το ένα δέκατο του πλάτους ενός ατόμου πάνω από ένα εκατομμύριο μίλια.

Ωστόσο, η απελευθέρωση της Λίζας δεν θα συμβεί για τουλάχιστον μια δεκαετία. «Έχουμε τρεις δορυφόρους για κατασκευή, και ο καθένας έχει πολλά μέρη», λέει ο McNamara. “Χρειάζεται μόνο χρόνος – και αυτό είναι ένα από τα ατυχή γεγονότα ενός πολύ περίπλοκου έργου.” Το επόμενο ορόσημο είναι η “επίσημη υιοθέτηση της αποστολής”, που αναμένεται το 2024. “Σε αυτό το σημείο, θα γνωρίζουμε τις λεπτομέρειες της αποστολής και ποιες χώρες μέλη της ESA και οι Ηνωμένες Πολιτείες συνεισφέρουν τι και πόσο κοστίζει, “λέει ο αστροφυσικός Emmanuel Berti του Πανεπιστημίου Jones. Hopkins στη Βαλτιμόρη.

Η Ιαπωνία και η Κίνα βρίσκονται επίσης στα αρχικά στάδια του σχεδιασμού για ανιχνευτές διαστήματος GW. Το McNamara το βλέπει αυτό όχι ως ανταγωνισμό, αλλά ως καλό πράγμα – γιατί με περισσότερους από έναν ανιχνευτές θα ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί τριγωνισμός για να προσδιοριστεί η πηγή των κυμάτων.

«Η Λίζα θα αλλάξει την αστρονομία GW με τον ίδιο τρόπο που ξεπερνά το ορατό φως [to radio waves, X-rays etc] Ήταν μια αλλαγή παιχνιδιού στη συνηθισμένη αστρονομία », λέει ο Bertie.« Θα εξετάζει διαφορετικές κατηγορίες πηγών GW. »Μελετώντας τις υπερμεγέθεις συγχωνεύσεις μαύρων οπών, λέει,« ελπίζουμε να κατανοήσουμε πολλά για το σχηματισμό της δομής στο το σύμπαν, και για τη βαρύτητα. “Η Λίζα είχε ήδη δει” πρωτόγονα “GW από τον πληθωρισμό στις αρχές του Big Bang, οπότε αυτό θα μπορούσε να δοκιμάσει τις θεωρίες για το πώς ξεκίνησαν όλα.

ΤΕδώ μπορεί να είναι ένας άλλος τρόπος για να δείτε GW χαμηλής συχνότητας που δεν απαιτούν καθόλου ειδικό ανιχνευτή. Μια συνεργασία που ονομάζεται Βορειοαμερικανικό Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) χρησιμοποιεί παρατηρήσεις που έγιναν από ένα παγκόσμιο δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων για να αναζητήσουν την επίδραση των GW στο χρονοδιάγραμμα των «κοσμικών ρολογιών» που ονομάζονται pulsars.

Τα παλίσια περιστρέφονται γρήγορα γύρω από αστέρια νετρονίων που στέλνουν έντονες ακτίνες ραδιοκυμάτων από τους πόλους τους, σκουπίζοντας τον ουρανό σαν ακτίνες φάρων. Τα παλμικά σήματα είναι πολύ κανονικά και προβλέψιμα. «Εάν ένα GW περάσει μεταξύ του πάλσαρ και της Γης, παραμορφώνει τον αλληλεπικαλυπτόμενο χωροχρόνο», λέει ο μέλος της ομάδας του NanoGrav Stephen Taylor του Πανεπιστημίου Vanderbilt στο Τενεσί, προκαλώντας τον παλμό να φτάσει αργά ή γρήγορα από το αναμενόμενο.

Στην πραγματικότητα, τα πάλσαρ γίνονται ανιχνευτές. Όπως λέει η μέλος της ομάδας του NanoGrav, Julie Comerford από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder, αυτό δίνει στα χέρια του “ανιχνευτή” όσο η απόσταση μεταξύ της Γης και των πάλσαρ: ίσως χιλιάδες έτη φωτός. Λόγω αυτού του καθαρού μεγέθους, τα σήματα που μπορούν να ανιχνευθούν από το NanoGrav έχουν πολύ μεγάλα μήκη κύματος και πολύ χαμηλές συχνότητες, ακόμη και πέρα ​​από την εμβέλεια του LISA και παράγονται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από τον Ήλιο, οι οποίες συγχωνεύονται καθώς συγκρούονται ολόκληροι γαλαξίες . Ο Taylor λέει ότι κανένας άλλος ανιχνευτής δεν μπορεί να το αντιληφθεί. Ενώ είναι αδιανόητα καταστροφικές, αυτές οι ενσωματώσεις είναι στην πραγματικότητα αρκετά συνηθισμένες και το NanoGrav θα έχει το είδος της διαφημιστικής εκστρατείας που έχουν γίνει πολλές. “Σε όλο το σύμπαν, υπάρχουν ζεύγη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που περιστρέφονται σε τροχιά μεταξύ τους και παράγουν gigawatts”, λέει ο Commerford. “Αυτοί οι κυματισμοί παράγουν μια θάλασσα GW που κυματίζουμε.”

Τον Ιανουάριο, η ομάδα του NanoGrav ήταν επικεφαλής του μεταδιδακτορικού ερευνητή του Comerford Joseph Simon στο Κολοράντο Αναφέρετε την πρώτη πιθανή ανακάλυψη αυτού του ιστορικού GW. Αν και απαιτείται περισσότερη δουλειά για να επιβεβαιωθεί ότι το σήμα προκαλείται πράγματι από GW, ο Commerford αποκαλεί το αποτέλεσμα “το πιο συναρπαστικό αποτέλεσμα αστροφυσικής που έχω δει τα τελευταία χρόνια.”

Εάν το NanoGrav χρησιμοποιεί, στην πραγματικότητα, έναν ανιχνευτή GW με μέγεθος φωτός ετών, ο φυσικός Sougato Bose του University College London πιστεύει ότι μπορούμε να φτιάξουμε ένα μικρό ώστε να χωράει μέσα σε ένα ντουλάπι. Η ιδέα του βασίζεται σε ένα από τα πιο ασυνήθιστα αποτελέσματα της κβαντικής θεωρίας, η οποία γενικά περιγράφει πολύ μικρά αντικείμενα όπως τα άτομα. Τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να τοποθετηθούν σε αυτό που ονομάζεται υπέρθεση, πράγμα που σημαίνει ότι οι ιδιότητές τους δεν προσδιορίζονται με μοναδικό τρόπο έως ότου μετρηθούν: είναι δυνατά περισσότερα από ένα αποτελέσματα.

Οι κβαντικοί επιστήμονες μπορούν συνήθως να βάλουν άτομα σε μια κβαντική υπέρθεση – αλλά μια τέτοια περίεργη συμπεριφορά εξαφανίζεται για μεγάλα αντικείμενα όπως μπάλες ποδοσφαίρου, που είτε εδώ είτε εκεί είτε κοιτάζουμε είτε όχι. Από όσο γνωρίζουμε, δεν είναι ότι η υπέρθεση είναι αδύνατη για κάτι τόσο μεγάλο – είναι αδύνατο να διατηρηθεί αρκετά μεγάλο για να ανιχνευθεί, επειδή η υπέρθεση καταστρέφεται εύκολα από οποιαδήποτε αλληλεπίδραση με το περιβάλλον του αντικειμένου.

Ο Bose και οι συνάδελφοί του προτείνουν ότι αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε μια κβαντική υπέρθεση ενός μεσαίου μεγέθους αντικειμένου μεταξύ ενός ατόμου και ενός ποδοσφαίρου – ενός μικρού κρυστάλλου διαμέτρου περίπου εκατό νανομέτρων, περίπου του μεγέθους ενός μεγάλου ιού σωματιδίου – η υπέρθεση θα ήταν τόσο επικίνδυνη που θα ήταν ευαίσθητο σε ένα παροδικό GW. Στην πραγματικότητα, οι δύο πιθανές καταστάσεις της κβαντικής υπέρθεσης μπορούν να επικαλύπτονται σαν δύο κύματα φωτός – και οι παραμορφώσεις από τον χρόνο που προκαλούνται από το GW θα εμφανίζονται ως αλλαγή σε αυτήν την παρέμβαση.

Ο Bose πιστεύει ότι οι νανοκρύσταλλοι διαμαντιών που διατηρούνται σε ένα κενό κενό περισσότερο από το διάστημα και ψύχονται μέσα σε ένα νήμα απόλυτου μηδέν μπορούν να διατηρηθούν σε υπέρθεση αρκετά μεγάλο για να κάνουν το τέχνασμα. Δεν θα είναι εύκολο, αλλά λέει ότι όλες οι τεχνικές προκλήσεις έχουν ήδη παρουσιαστεί μεμονωμένα – είναι θέμα να τα συνδυάσουμε όλα. “Δεν βλέπω κανένα εμπόδιο να το κάνω αυτό για τα επόμενα 10 χρόνια, εάν υπάρχει επαρκής χρηματοδότηση”, λέει.

Εάν αυτές και άλλες εξελίξεις οδηγούν σε άνθηση στην αστρονομία GW, τι θα δούμε; “Όταν ανοίγετε ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν, συνήθως βλέπετε πράγματα που δεν θα περίμενε κανείς”, λέει ο McNamara. Εκτός από την εμφάνιση περισσότερων τύπων συμβάντων που ήδη γνωρίζουμε προκαλούν GW, ενδέχεται να λάβουμε μηνύματα που δεν μπορούμε εύκολα να εξηγήσουμε. “Τότε ξεκινά η διασκέδαση”, λέει ο McNamara.