امواج گرانشی ، موج های انیشتین در فاصله زمانی ، برای اولین بار مشاهده می شود

با پیشرفت ذهن خم ، بشریت چشم جدیدی را به آسمان باز می کند

• 11 فوریه 2016
• توسط آدریان چو

مدتها پیش ، در اعماق فضا ، دو سیاهچاله عظیم - زمینه های گرانشی فراصوت که توسط ستارگان غول پیکر که به نقاط بی نهایت سقوط می کردند ، پشت سر می گذارند - به طرز چشمگیری با هم جمع شدند. ارواح ستاره ای نزدیکتر شدند ، تا حدود 1. 3 میلیارد سال پیش ، آنها با نیمی از سرعت نور در اطراف یکدیگر چرخیدند و سرانجام ادغام شدند. این تصادف یک لرز را از طریق جهان فرستاد: موج در پارچه فضا و زمان به نام امواج گرانشی. پنج ماه پیش ، آنها گذشته از زمین شسته شدند. و برای اولین بار ، فیزیکدانان امواج را تشخیص دادند و یک تلاش 4 دهه را انجام دادند و چشم های جدیدی را روی آسمان باز کردند.

این کشف یک پیروزی برای 1000 فیزیکدان با رصدخانه موج گرانشی لیزر (LIGO) ، یک جفت ساز غول پیکر در هانفورد ، واشنگتن و لیوینگستون ، لوئیزیانا است. شایعات مربوط به تشخیص ماهها منتشر شده بود. امروز ، در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن ، D. C ، تیم لیگو آن را رسمی کرد."ما این کار را کردیم!"دیوید ریتز ، فیزیکدان و مدیر اجرایی لیگو در انستیتوی فناوری کالیفرنیا (CALTECH) در پاسادنا می گوید."تمام شایعاتی که در آنجا می چرخند ، بیشتر آن را درست می کند."

آلبرت انیشتین 100 سال پیش وجود امواج گرانشی را پیش بینی کرد ، اما به طور مستقیم تشخیص آنها نیاز به قدرت فن آوری ذهن و تاریخ شکار داشت.(یک جدول زمانی در زیر تاریخ جستجوی امواج گرانشی را ببینید.) محققان لیگو موجی را حس کردند که یک قسمت را در یک قسمت در 10 21 کشیده و باعث می شود کل زمین با 1/100000 یک نانومتر گسترش یابد ، در مورد عرض آنیک هسته اتمی. تست های مشاهده نظریه گرانش انیشتین ، تئوری کلی نسبیت ، با سخت گیری بی سابقه ای و اثبات مثبت وجود سیاهچاله ها را ارائه می دهد. مارک کمونکوفسکی ، نظریه پرداز در دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور ، مریلند می گوید: "این جایزه نوبل را کسب می کند."

LIGO کشش کوچکی از فضا را با خطوطی بسیار دقیق تماشا می کند: دو ابزار L شکل به نام تداخل سنج با بازوهایی به طول 4 کیلومتر. آینه های انتهای هر بازو یک «حفره تشدید» طولانی را تشکیل می دهند که در آن نور لیزر با طول موج دقیق به جلو و عقب بازتاب می کند و درست مانند صدای یک گام خاص در یک لوله ارگان طنین انداز می شود. در جایی که بازوها به هم می رسند، دو پرتو می توانند همپوشانی داشته باشند. اگر آنها مسافت های مختلفی را در امتداد بازوها طی کرده باشند، امواج آنها از مرحله خارج می شوند و با یکدیگر تداخل پیدا می کنند. این امر باعث می شود که مقداری از نور از طریق خروجی به نام پورت تاریک همزمان با موج های موج تاب بخورد.

از روی تداخل، محققان می توانند طول نسبی دو بازو را با عرض 1/10000 پروتون مقایسه کنند - حساسیت کافی برای دیدن یک موج گرانشی عبوری در حالی که بازوها را به مقدارهای مختلف کشیده می شود. با این حال، برای شناسایی چنین جابجایی های کوچکی، دانشمندان باید ارتعاشاتی مانند صدای غرش امواج لرزه ای، تردد ترافیک و برخورد امواج در خطوط ساحلی دوردست را از بین ببرند.

در 14 سپتامبر 2015، در ساعت 9:50:45 به وقت جهانی - 4:50 صبح در لوئیزیانا و 2:50 بامداد در واشنگتن - سیستم های خودکار LIGO دقیقاً چنین سیگنالی را شناسایی کردند. این نوسان با فرکانس 35 سیکل در ثانیه یا هرتز پدیدار شد و تا 250 هرتز سرعت گرفت و 0. 25 ثانیه بعد ناپدید شد. فرکانس فزاینده، یا صدای جیر جیر، با دو جسم عظیم که به صورت مارپیچی به یکدیگر می پیوندند. تأخیر 0. 007 ثانیه ای بین سیگنال ها در لوئیزیانا و واشنگتن زمان مناسبی برای موجی با سرعت نور است که در هر دو آشکارساز زیپ می شود.

محققان LIGO در مقاله ای که قرار است همزمان با کنفرانس مطبوعاتی در Physical Review Letters منتشر شود، گزارش می دهند که سیگنال از استاندارد اهمیت آماری "پنج سیگما" که فیزیکدانان برای ادعای یک کشف استفاده می کنند، فراتر می رود. گابریلا گونزالس، فیزیکدان دانشگاه ایالتی لوئیزیانا، باتون روژ، و سخنگوی همکاری علمی LIGO، می گوید: آنقدر قوی است که در داده های خام دیده می شود. او می گوید: «اگر داده ها را فیلتر کنید، سیگنال برای چشم آشکار است.

مقایسه با شبیه سازی های رایانه ای نشان می دهد که این موج از دو شیء 29 و 36 برابر عظیم به اندازه آفتاب در حال چرخش در 210 کیلومتری یکدیگر قبل از ادغام است. بروس آلن ، عضو LIGO در موسسه Max Planck برای فیزیک گرانشی می گوید ، فقط یک سیاه چاله - که از انرژی گرانشی خالص ساخته شده و از طریق معادله معروف Einstein E = MC 2 می تواند آنقدر در فضای کمی قرار بگیرد ، می گویددر هانوفر ، آلمان. این مشاهدات اولین شواهدی را برای سیاهچاله ها ارائه می دهد که به تماشای گاز گرم یا ستاره هایی که در مسافت های بسیار بیشتر در اطراف آنها می چرخند بستگی ندارد. آلن می گوید: "پیش از این ، شما می توانید در اصل استدلال کنید که آیا سیاهچاله ها وجود دارند یا خیر.""اکنون شما نمی توانید."

این تصادف یک انفجار حیرت انگیز و نامرئی ایجاد کرد. مدل سازی نشان می دهد که سیاه چاله نهایی 62 توده خورشیدی - 3 توده خورشیدی کمتر از مجموع سیاهچاله های اولیه است. توده مفقود شده در تابش گرانشی ناپدید شد - تبدیل جرم به انرژی که باعث می شود یک بمب اتمی مانند جرقه به نظر برسد. آلن می گوید: "برای یک دهم دوم [برخورد] درخشان تر از همه ستاره ها در همه کهکشان ها است.""اما فقط در امواج گرانشی."

Kip Thoe ، یک نظریه پرداز گرانشی در Caltech که نقش اصلی در پیشرفت لیگو داشت ، می گوید: انفجارهای ستاره ای دیگر به نام انفجارهای گاما پرتو نیز می تواند به طور خلاصه از ستاره ها پیشی بگیرد ، اما ادغام انفجاری سیاه سوراخ ، یک رکورد خمیده ذهن را تعیین می کند. وی می گوید: "این قدرتمندترین انفجار انسانهایی است که تاکنون به جز Big Bang تشخیص داده اند."

به مدت 5 ماه ، فیزیکدانان لیگو تلاش کردند تا در کشف توله سگ خود را نگه دارند. به طور معمول ، بیشتر اعضای تیم نمی دانستند که آیا این سیگنال واقعی است یا خیر. لیگو به طور مرتب خوانش داده های خود را با سیگنال های کاذب مخفی به نام "تزریق کور" برای آزمایش تجهیزات و نگه داشتن محققان در انگشتان پا می کند. اما در 14 سپتامبر 2015 ، آن سیستم تزریق کور در حال اجرا نبود. فیزیکدانان اخیراً یک نسخه 5 ساله ، 205 میلیون دلاری دستگاه ها را به اتمام رسانده بودند ، و چندین سیستم-از جمله سیستم تزریق-هنوز هم آفلاین بودند زیرا تیم "مهندسی" اولیه را آغاز کرد. در نتیجه ، کل همکاری می دانست که مشاهده احتمالاً واقعی است. گونزالز می گوید: "من آن روز قانع شدم."

با این حال، فیزیکدانان LIGO باید هر جایگزینی را رد می کردند، از جمله این احتمال که خواندن یک فریب مخرب بود. ریتز می گوید: «ما حدود یک ماه را صرف بررسی راه هایی کردیم که کسی می تواند سیگنال را جعل کند، قبل از اینکه تصمیم بگیریم این غیرممکن است. او می گوید: برای گونزالس، انجام چک ها «مسئولیت سنگینی بود»."این اولین تشخیص امواج گرانشی بود، بنابراین جایی برای اشتباه وجود نداشت."

اثبات وجود امواج گرانشی ممکن است مهمترین میراث LIGO نباشد، زیرا شواهد غیرمستقیم قانع کننده ای برای آنها وجود دارد. در سال 1974، ستاره شناسان آمریکایی راسل هالس و جوزف تیلور یک جفت ستاره نوترونی رادیویی به نام تپ اخترها را کشف کردند که به دور یکدیگر می چرخیدند. تیلور و همکارش جوئل وایزبرگ با زمان بندی تپ اخترها نشان دادند که آن ها به آرامی به سمت یکدیگر در حال حرکت هستند همانطور که اگر امواج گرانشی را تابش می کنند، باید انجام شود.

این چشم انداز علمی است که ممکن است با امواج گرانشی انجام شود که واقعاً فیزیکدانان را هیجان زده می کند. به عنوان مثال، کامیونکوفسکی، نظریه پرداز جانز هاپکینز، می گوید، اولین نتیجه LIGO قدرت این تابش را در آشکار کردن اجرام اخترفیزیکی نادیده مانند دو سیاهچاله بدبخت نشان می دهد. او می گوید: «این دریچه جدیدی را به روی این جمعیت عظیم از بقایای ستاره ای باز می کند که می دانیم در آنجا وجود دارند، اما تنها بخش کوچکی از آن ها را دیده ایم».

کامیونکوفسکی می گوید این رصد همچنین راه را برای آزمایش نسبیت عام هموار می کند که قبلاً هرگز انجام نشده بود. تا به حال، فیزیکدانان گرانش را تنها در شرایطی که نیرو نسبتا ضعیف است، مورد مطالعه قرار داده اند. با مطالعه امواج گرانشی، آنها اکنون می توانند شرایط شدیدی را کشف کنند که در آن انرژی در میدان گرانشی یک جسم، بیشتر یا تمام جرم آن را تشکیل می دهد - قلمرو گرانش قوی که تاکنون تنها توسط نظریه پردازان کشف شده است.

راینر وایس، فیزیکدان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) در کمبریج، که ایده اولیه LIGO را ارائه کرد، می گوید: با ادغام سیاه چاله، نسبیت عام اولین آزمایش مشابه را پشت سر گذاشته است. او می گوید: «چیزهایی که از نظریه انیشتین محاسبه می کنید دقیقاً شبیه سیگنال هستند."برای من، این یک معجزه است."

تشخیص امواج گرانشی نشانگر اوج یک تلاش چند دهه است که در سال 1972 آغاز شد ، هنگامی که ویس مقاله ای را نوشت که طرح اصلی لیگو را بیان می کند. در سال 1979 ، بنیاد ملی علوم ، کار تحقیق و توسعه را در MIT و Caltech تأمین کرد و ساخت و ساز لیگو در سال 1994 آغاز شد. 272 میلیون دلار ابزار در سال 2001 شروع به گرفتن داده ها کرد ، اگرچه تا زمان به روزرسانی که فیزیکدانان انتظار سیگنال را نداشتند.

اگر کشف لیگو یک جایزه نوبل را کسب کند ، چه کسی باید آن را دریافت کند؟دانشمندان می گویند ویس یک شوخ طبعی است ، اما او از بین می رود. او می گوید: "من دوست ندارم به آن فکر کنم.""اگر این جایزه نوبل را کسب کند ، نباید برای تشخیص امواج گرانشی باشد. هالس و تیلور این کار را کردند. "بسیاری از محققان می گویند سایر گیرندگان شایسته شامل رونالد دره ، اولین مدیر پروژه در Caltech است که در طراحی لیگو کمک های کلیدی کرده است ، و Thoe ، نظریه پرداز Caltech که قهرمان این پروژه بود. Thoe نیز اشیاء. وی می گوید: "افرادی که واقعاً لیاقت اعتبار را دارند ، آزمایشگرانی هستند که این کار را از بین بردند و از Rai و Ron شروع کردند."

در همین حال ، تشخیص های دیگر ممکن است به سرعت انجام شود. محققان لیگو هنوز در حال تجزیه و تحلیل داده های اولین رعایت خود با ردیاب های به روز شده خود هستند که 12 ژانویه به پایان رسید و آنها قصد دارند دوباره در ماه ژوئیه داده ها را شروع کنند. تیمی در ایتالیا امیدوار است که امسال آشکارساز باکره بازسازی شده خود را-تداخل سنج با بازوهای 3 کیلومتری-روشن کند. فیزیکدانان مشتاقانه منتظر موج بعدی هستند.