Gelombang gravitasi yang terdeteksi, mengkonfirmasikan teori Einstein

Gelombang gravitasi yang terdeteksi, mengkonfirmasikan teori Einstein

Sebuah tim ilmuwan mengumumkan pada hari Kamis bahwa mereka telah mendengar dan rekaman suara dua lubang hitam bertabrakan miliar tahun cahaya, berkicau sekilas yang dipenuhi terakhir prediksi teori relativitas umum Einstein.

Nada naik itu pingsan, fisikawan mengatakan, adalah bukti langsung pertama gelombang gravitasi, riak-riak dalam kain ruang-waktu yang Einstein diprediksi abad yang lalu. (Dengarkan di sini.) Selesai visi dari alam semesta di mana ruang dan waktu yang terjalin dan dinamis, mampu peregangan, menyusut dan goncang. Dan ini adalah konfirmasi dering sifat hitam lubang, lubang-lubang gravitasi jurang yang bahkan cahaya tidak dapat melarikan diri, yang merupakan bagian yang paling menakutkan firasat (dan tidak diinginkan) dari teorinya.

Lebih umum, itu berarti bahwa satu abad dari inovasi, pengujian, mempertanyakan dan biasa bekerja keras setelah Einstein membayangkan itu di atas kertas, para ilmuwan telah akhirnya mengetuk ke dalam daftar terdalam realitas fisik, mana implikasi aneh dan liar semesta Einstein menjadi nyata.

Disampaikan oleh gelombang gravitasi ini, listrik 50 kali lebih besar daripada output dari semua bintang dalam alam semesta dikombinasikan bergetar sepasang berbentuk L-antena di Washington State dan Louisiana yang dikenal sebagai LIGO pada tanggal 14 September.

Jika direplikasi oleh percobaan selanjutnya, berkicau yang sederhana, yang naik ke catatan tengah C sebelum tiba-tiba berhenti, tampaknya ditakdirkan untuk mengambil tempatnya di antara suara gigitan besar ilmu pengetahuan, peringkat dengan Alexander Graham Bell "Mr Watson — datang ke sini" dan Sputnik's pertama beep dari orbit.

"Kami adalah seluruh bulan dan kembali," kata Gabriela González dari Louisiana State University, juru bicara untuk kolaborasi ilmiah LIGO, pendek untuk Laser Interferometer gelombang gravitasi Observatory. "Einstein akan sangat bahagia, aku berpikir."

Anggota dari LIGO group, sebuah tim di seluruh dunia ilmuwan, bersama dengan para ilmuwan dari sebuah tim Eropa yang dikenal sebagai kolaborasi Virgo, menerbitkan sebuah laporan di Physical Review Letters pada hari Kamis dengan lebih dari 1.000 penulis.

"Saya pikir ini akan menjadi salah satu utama terobosan dalam Fisika untuk waktu yang lama," kata Szabolcs Marka, Profesor Universitas Columbia yang salah satu ilmuwan LIGO.

"Segala sesuatu yang lain dalam astronomi adalah seperti mata," katanya, mengacu pada persenjataan lengkap teleskop yang telah diberikan pemerhati bintang akses ke lebih banyak dan lebih dari spektrum elektromagnetik dan kemampuan untuk mengintip lebih dalam dan lebih ke dalam ruang dan waktu. "Akhirnya, astronomi tumbuh telinga. Kami tidak pernah telinga sebelumnya."

Lama ditunggu-tunggu Triumph

Penemuan adalah kemenangan besar bagi fisikawan tiga — Kip Thorne dari California Institute of Technology, Rainer Weiss Massachusetts Institute of Technology dan Ronald Drever, sebelumnya dari Caltech dan sekarang pensiun di Skotlandia — yang bertaruh karier mereka pada mimpi untuk mengukur yang paling tak terlukiskan dari pengertian Einstein.

"Sampai sekarang, kita para ilmuwan hanya melihat warped ruang-waktu kalau sudah tenang," Dr Thorne mengatakan dalam sebuah email. "Itu adalah seolah-olah kita hanya melihat permukaan laut pada hari yang tenang tapi belum pernah melihat itu bergolak di dalam badai, dengan ombak besar."

Iklan

Lanjutkan membaca cerita utama

Lubang hitam yang diamati LIGO menciptakan badai "di mana aliran waktu dipercepat, maka melambat, kemudian dipercepat," katanya. "Badai dengan ruang membungkuk dengan cara ini, maka itu."

Kicauan adalah manis pembenaran untuk National Science Foundation, yang menghabiskan sekitar $1,1 miliar selama lebih dari 40 tahun untuk membangun hotline baru ke alam, menghadap ke bawah kritik bahwa sumber gelombang gravitasi adalah tidak banyak atau cukup keras untuk membenarkan biaya.

"Sudah berpuluh-puluh tahun, melalui banyak inovasi teknologi yang berbeda," Prancis Cordova, Direktur Yayasan, mengatakan dalam sebuah wawancara, mengingat bagaimana, dalam tahun-tahun awal, Yayasan 's Penasehat Dewan telah "benar-benar menggaruk kepala mereka pada satu ini."

Kata LIGO sukses disambut oleh hosannas dalam komunitas ilmiah, meskipun dengan admonishments syarat perlunya konfirmasi atau replikasi.

"Aku panik," kata Janna Levin, teoretikus di Barnard College di Columbia yang bukan bagian dari LIGO tetapi diberikan awal melihat hasil untuk bukunya kutil dan semua tentang proyek, "Lubang hitam Blues," akan diterbitkan musim semi ini.

Robert Garisto, editor Physical Review Letters, mengatakan ia telah mendapat merinding sambil membaca koran LIGO.

Sukar dipahami gangguan

Ketika Einstein mengumumkan teori pada 1915, ia menulis ulang aturan untuk ruang dan waktu yang telah berlaku selama lebih dari 200 tahun, sejak zaman Newton, AD kerangka statis dan tetap bagi alam semesta. Sebaliknya, Einstein berkata, peduli dan energi mendistorsi geometri alam semesta di jalan tidur berat menyebabkan kasur melorot, menghasilkan efek yang kita sebut gravitasi.

Gangguan dalam kosmos dapat menyebabkan ruang-waktu untuk meregangkan, runtuh dan bahkan goncang, seperti kasur gemetar ketika tidur yang berguling, memproduksi riak gravitasi: gelombang gravitasi.

Einstein itu tidak cukup yakin tentang gelombang ini. Pada tahun 1916, ia memberitahu Karl Schwarzschild, penemu lubang hitam, yang gelombang gravitasi tidak ada, berkatalah mereka lakukan. Pada tahun 1936, ia dan asistennya Nathan Rosen ditetapkan untuk menerbitkan sebuah makalah yang membongkar ide sebelum melakukan flip-flop sama lagi.

Menurut persamaan fisikawan menetap di, gelombang gravitasi akan memampatkan ruang dalam satu arah dan meregangkan lain ketika mereka melakukan perjalanan ke luar.

Pada tahun 1969, Joseph Weber, fisikawan di University of Maryland, mengaku telah terdeteksi gelombang gravitasi menggunakan silinder aluminium enam-kaki-panjang sebagai antena. Gelombang frekuensi yang tepat akan membuat cincin silinder seperti garpu Tala, katanya.

Orang lain tidak dapat menggandakan hasil nya, namun sedikit meragukan bahwa gelombang gravitasi yang nyata. Dr Weber percobaan mengilhami generasi ilmuwan yang terlihat sulit untuk tanda-tanda Einsteinian di alam semesta.

Pada tahun 1978, para astronom radio Joseph H. Taylor Jr dan Russell A. Hulse, kemudian di University of Massachusetts Amherst, menemukan sepasang bintang neutron, sisa-sisa superdense bintang-bintang mati, mengorbit satu sama lain. Salah satunya adalah sebuah pulsar, memancarkan sinar radiasi elektromagnetik periodik. Dengan waktu yang pulsa, para astronom ditentukan bahwa bintang-bintang itu kehilangan energi dan jatuh lebih dekat bersama-sama dengan kecepatan yang tepat yang diharapkan, jika mereka yang memancarkan gelombang gravitasi.

Kelompok lain para astronom yang pergi dengan nama Bicep menjadi berita utama pada tahun 2014 Kapan mereka mengaku telah terdeteksi gelombang gravitasi dari awal Big Bang, menggunakan teleskop di Kutub Selatan. Mereka kemudian mengakui bahwa pengamatan mereka mungkin telah telah terkontaminasi oleh antarbintang stardust.

Sebuah proyek yang pemurah

Dr Thorne dari Caltech dan Dr Weiss dari M.I.T. pertama kali bertemu pada tahun 1975, Dr. Weiss mengatakan, ketika mereka harus berbagi kamar hotel selama pertemuan di Washington. Dr Thorne sudah teoretikus lubang hitam yang terkenal, tapi dia sedang mencari wilayah eksperimental baru untuk menaklukkan. Mereka terjaga sepanjang malam berbicara tentang bagaimana untuk menguji Relativitas Umum dan memperdebatkan cara terbaik untuk mencari gelombang gravitasi.

Dr Thorne kemudian merekrut Dr. Drever, experimentalist berbakat dari Universitas Glasgow, untuk memulai program gelombang gravitasi di Caltech. Dr. Drever ingin menggunakan cahaya-laser balok terpental antara justru ataupun cermin — untuk mendeteksi meremas dan peregangan gelombang lewat.

Dr Weiss mencoba untuk me-mount upaya serupa di M.I.T., juga menggunakan pendekatan laser, tetapi pada waktu itu, lubang hitam yang tidak dalam mode tidak. (Hal-hal lebih baik sekarang, katanya.)

Teknologi kemungkinan yang melawan upaya kedua. Para peneliti menghitung bahwa khas gelombang gravitasi dari keluar di ruang akan mengubah jarak antara sepasang cermin menurut satu jumlah yang hampir tak terlihat: salah satu bagian dalam triliun miliar. Dr Weiss ingat bahwa ketika ia menjelaskan percobaan pada nya calon pemberi dana di National Science Foundation, "semua orang berpikir kami berada di luar pikiran kita."

Pada tahun 1984, gangguan yang Dr Drever dan relief Dr Weiss, National Science Foundation memerintahkan dua tim untuk menggabungkan. Dr Thorne menemukan dirinya dalam peran ganda penginjil untuk bidang gelombang gravitasi dan broker untuk eksperimental perselisihan.

Kemajuan yang lambat sampai tiga fisikawan digantikan pada tahun 1987 oleh Direktur tunggal sebagai bagian dari harga maju.

Versi pertama percobaan, dikenal sebagai awal LIGO, dimulai pada tahun 2000 dan berlari selama 10 tahun, sebagian besar untuk menunjukkan bahwa ia bisa bekerja pada skala yang diperlukan. Ada dua detektor: satu di Hanford, Wash, yang lain di Livingston, La. pemburu sekali terangkat luar dari salah satu antena lengan di Louisiana, dan truk jatuh ke dalam salah satu lengan di Hanford. Keduanya adalah percobaan yang rusak.

Selama lima tahun terakhir, seluruh sistem dibangun untuk meningkatkan kepekaan terhadap titik mana tim bisa realistis berharap untuk mendengar sesuatu.

LIGO's antena berbentuk L, dengan tangan tegak lurus 2,5 mil panjang. Di dalam setiap lengan, kepompong berlapis-lapis baja dan beton, berjalan di dunia terbesar botol apa-apa, hampa beberapa kaki lebar yang mengandung 2,5 juta galon yang kosong. Pada akhir setiap lengan adalah cermin tergantung oleh benang kaca, terisolasi dari benjol dan jeritan lingkungan lebih baik daripada Rolls-Royce apapun yang pernah.

Iklan

Lanjutkan membaca cerita utama

Dengan demikian mengelus, laser dalam inkarnasi hadir, dikenal sebagai Advanced LIGO, dapat mendeteksi perubahan panjang salah satu tangan kecil seperti sepuluh-seperseribu satu diameter proton — partikel subatom terlalu kecil untuk dilihat dengan mikroskop yang bahkan yang paling kuat — seperti gelombang gravitasi menyapu.

Bahkan dengan kepekaan ekstrem seperti itu, hanya paling besar dan kekerasan peristiwa-peristiwa luar sana akan menjadi cukup keras untuk membuat cincin detektor. LIGO dirancang untuk menangkap tabrakan bintang neutron, yang dapat menghasilkan berkedip kekerasan yang dikenal sebagai ledakan sinar gamma.

Saat mereka semakin dekat bersama-sama, bintang neutron ini akan ayunan di sekitar lebih cepat dan lebih cepat, ratusan kali kedua, bergetar geometri ruang-waktu dengan nada naik yang akan terdengar di LIGO's tabung vakum "sweet spot".

Lubang hitam, bahkan-lebih-extreme sisa mati bintang, dapat diharapkan untuk melakukan hal yang sama, tapi tidak ada yang tahu jika mereka ada dalam pasangan atau seberapa sering mereka mungkin berbenturan. Jika mereka melakukannya, namun, gelombang dari tumbukan akan menjadi jauh lebih keras dan lebih rendah bernada daripada dari bintang neutron.

Dr Thorne dan lain-lain pikir panjang ini akan gelombang pertama untuk didengar oleh LIGO. Tapi bahkan ia tidak mengharapkan hal itu akan terjadi begitu cepat.

'Itu melambaikan Hello'

Pada tanggal 14 September, sistem hampir selesai yang dikalibrasi dan dalam apa yang disebut teknik yang menjalankan pukul 4 ketika sinyal keras datang di situs Livingston. "Data streaming, dan kemudian 'bam," kenang David Reitze, seorang profesor Caltech yang adalah Direktur laboratorium LIGO, kelompok yang dibangun dan berjalan detektor.

Tujuh milidetik kemudian, sinyal memukul Hanford site. LIGO ilmuwan kemudian ditentukan bahwa kemungkinan sinyal tersebut mendarat secara bersamaan dengan kesempatan murni adalah makin kecil. Tidak ada yang terjaga di Amerika Serikat, tetapi komputer tagged acara, dan melihat rekan-rekan Eropa.

Dr Reitze adalah di pesawat ke Louisiana hari berikutnya. Dr Weiss, berlibur di Maine, menemukan ketika dia diperiksa oleh komputer pagi itu. "Itu melambaikan Halo," katanya. "Sungguh menakjubkan. Sinyal adalah begitu besar, aku tidak percaya itu."

Frekuensi berkicau adalah terlalu rendah untuk bintang neutron, fisikawan tahu. Analisis rinci dari bentuk menceritakan sebuah kisah Brobdingnagian kegiatan di sudut yang jauh dari alam semesta: waltz terakhir sepasang lubang hitam mengejutkan lebih besar dari astrophysicists telah mengharapkan.

Salah satunya adalah 36 kali sebagai besar sebagai matahari, 29 lainnya. Ketika mereka mendekati akhir, di setengah kecepatan cahaya, mereka berputar-putar saling 250 kali kedua.

Dan kemudian dering berhenti sebagai dua lubang menyatu menjadi satu lubang hitam, sebuah pintu jebakan di ruang dengan massa setara dengan 62 matahari. Semua dalam seperlima detik, bumi waktu.

Dr Weiss mengatakan Anda dapat mereproduksi berkicau dengan menjalankan kuku Anda di tombol piano dari ujung rendah hingga menengah C.

Hilang dalam transformasi adalah massa matahari tiga senilai energi, menguap ke kiamat gaib dan nyaris tidak merasa gravitasi. Sebagai cahaya tampak, energi akan setara dengan kecerahan triliun miliar matahari.

Iklan

Lanjutkan membaca cerita utama

Iklan

Lanjutkan membaca cerita utama

Dan belum pindah LIGO cermin satu-thousandths hanya empat diameter proton.

Sinyal sesuai tepat untuk prediksi relativitas umum untuk lubang hitam seperti yang dihitung dalam simulasi komputer, kata Dr Reitze.

Tak lama setelah acara September, LIGO direkam sinyal lain, lemah yang mungkin juga dari lubang hitam, tim mengatakan. Menurut Dr Weiss, ada setidaknya empat pendeteksian selama pertama LIGO mengamati menjalankan, yang berakhir pada bulan Januari. Menjalankan kedua akan mulai musim panas ini. Musim gugur, detektor lain, Advanced Virgo, dioperasikan oleh Observatorium gravitasi Eropa di Italia, akan mulai. Ada harapan untuk lebih di masa depan, di India dan Jepang.

Looking Forward

Para astronom sekarang tahu bahwa pasang lubang hitam ada di alam semesta, dan mereka bergegas untuk menjelaskan bagaimana mereka sampai begitu besar. Menurut Vicky Kalogera dari Northwestern University, ada dua pesaing sekarang: sebelumnya dalam alam semesta, bintang-bintang yang kurang unsur-unsur yang lebih berat daripada helium bisa tumbuh galumphing ukuran dan kemudian runtuh langsung ke lubang hitam tanpa kembang api ledakan supernova, metode yang bintang lainnya mengucapkan selamat tinggal. Atau bisa juga yang dalam pertemuan padat bintang-bintang yang dikenal sebagai gugus, lubang hitam tenggelam ke pusat dan penggabungan.

Michael S. Turner, pakar kosmologi di University of Chicago, mencatat bahwa para astronom telah sekali disebut pencarian gelombang gravitasi sebagai percobaan, tidak sebuah observatorium. "LIGO telah diterima 'O'," katanya." Ini akan menjadi sebuah observatorium, mendapatkan puluhan kejadian per tahun."

Tweet