I februari 2016 gjorde forskare som arbetade för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historia när de tillkännagav den första upptäckten av gravitationsvågor någonsin. Sedan den tiden har flera upptäckter ägt rum och vetenskapliga samarbeten mellan observatorier - som Advanced LIGO och Advanced Virgo - möjliggör oöverträffade nivåer av känslighet och datadelning.
Inte bara var första gången detektering av gravitationvågor en historisk prestation, den inledde en ny era av astrofysik. Det är inte så konstigt varför de tre forskarna som var centrala för den första upptäckten har tilldelats Nobelpriset i fysik 2017. Priset delades ut gemensamt till Caltech-professorer emeritus Kip S. Barish, tillsammans med MIT-professor emeritus Rainer Weiss.
För att uttrycka det enkelt, är gravitationsvågor krusningar i rymden som bildas av stora astronomiska händelser - till exempel sammanslagningen av ett binärt svart hålpar. De förutsagdes först för mer än hundra år sedan av Einsteins teori om allmän relativitet, vilket indikerade att massiva störningar skulle förändra rymdtidens struktur. Det var dock först under de senaste åren som bevis för dessa vågor observerades för första gången.
Den första signalen upptäcktes av LIGO: s tvillingobservatorier - i Hanford, Washington, respektive Livingston, Louisiana - och spårades till en fusion av svart mullvad med 1,3 miljarder ljusår bort. Hittills har fyra detekteringar skett, som alla berodde på sammanslagningar av svarthålspar. Dessa ägde rum den 26 december 2015, 4 januari 2017 och 14 augusti 2017, varav den senaste upptäcktes av LIGO och den europeiska jungfrugravitationsvågsdetektorn.
För den roll de spelade i denna prestation delades hälften av priset tillsammans till Caltechs Barry C. Barish - Ronald och Maxine Linde professor i fysik, emeritus - och Kip S. Thorne, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysik , Emeritus. Den andra hälften tilldelades Rainer Weiss, professor i fysik, emeritus, vid Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Som Caltechs president Thomas F. Rosenbaum - Sonja och William Davidow presidentordförande och professor i fysik - sade i ett nyligen pressmeddelande från Caltech:
”Jag är glad och hedrad att gratulera Kip och Barry, liksom Rai Weiss från MIT, till utmärkelsen i morgon 2017 Nobel Prize in Physics. Den första direkta observationen av gravitationsvågor av LIGO är en extraordinär demonstration av vetenskaplig vision och uthållighet. Genom fyra decennier med utveckling av utsökt känslig instrumentering - som driver våra fantasier kapacitet - kan vi nu skymta kosmiska processer som tidigare inte kunde upptäckas. Det är verkligen början på en ny era inom astrofysik. ”
Denna prestation var desto mer imponerande med tanke på att Albert Einstein, som först förutspådde deras existens, trodde gravitationsvågor skulle vara för svaga för att studera. På 1960-talet ledde emellertid framstegen inom laserteknik och ny insikt i möjliga astrofysiska källor forskare att dra slutsatsen att dessa vågor faktiskt kan upptäckas.
De första gravitationsvågdetektorerna byggdes av Joseph Weber, en astrofysiker från University of Maryland. Hans detektorer, som byggdes på 1960-talet, bestod av stora aluminiumcylindrar som skulle drivas för att vibrera genom passerade gravitationsvågor. Andra försök följde men alla visade sig misslyckade; som föranleder en förskjutning mot en ny typ av detektor som involverar interferometri.
Ett sådant instrument utvecklades av Weiss på MIT, som förlitade sig på tekniken känd som laserinterferometri. I denna typ av instrument mäts gravitationsvågor med breda och separerade speglar som reflekterar lasrar över långa avstånd. När gravitationsvågorna får utrymme att sträcka ut och pressa sig i oändliga mängder, får det reflekterade ljuset inuti detektorn att förändras.
Samtidigt började Thorne - tillsammans med sina studenter och postdocer på Caltech - arbeta för att förbättra teorin om gravitationsvågor. Detta inkluderade nya uppskattningar på styrkan och frekvensen för vågor som produceras av föremål som svarta hål, neutronstjärnor och supernovaer. Detta kulminerade i ett papper från 1972 som Throne sampublicerade med sin student, Bill Press, som sammanfattade deras vision om hur gravitationsvågor kunde studeras.
Samma år publicerade Weiss också en detaljerad analys av interferometrar och deras potential för astrofysisk forskning. I detta papper uttalade han att större operationer - som mäter flera km eller mer i storlek - kan ha en bild för att upptäcka gravitationsvågor. Han identifierade också de största utmaningarna för upptäckt (till exempel vibrationer från jorden) och föreslog möjliga lösningar för att motverka dem.
1975 bjöd Weiss Thorne till tal vid ett NASA-kommittémöte i Washington, D.C., och de två tillbringade en hel natt och pratade om gravitationsexperiment. Som ett resultat av deras konversation gick Thorne tillbaka till Calteh och föreslog att skapa en experimentell tyngdkraftsgrupp, som skulle arbeta med interferometrar parallellt med forskare vid MIT, University of Glasgow och University of Garching (där liknande experiment genomfördes).
Utvecklingen av den första interferometern inleddes kort därefter vid Caltech, vilket ledde till skapandet av en 40-meters (130 fot) prototyp för att testa Weiss 'teorier om gravitationsvågor. 1984 samlades allt arbete som bedrivs av dessa respektive institutioner. Caltech och MIT, med stöd av National Science Foundation (NSF), bildade LIGO-samarbetet och började arbeta med dess två interferometrar i Hanford och Livingston.
Konstruktionen av LIGO var en stor utmaning, både logistiskt och tekniskt. Men saker hjälptes oerhört när Barry Barish (då en Caltech-partikelfysiker) blev LIGOs huvudutredare (PI) 1994. Efter ett decennium av stoppade försök blev han också chef för LIGO och satte sin konstruktion tillbaka på rätt spår . Han utökade också forskarteamet och utvecklade en detaljerad arbetsplan för NSF.
Som Barish antydde var det arbete han gjorde med LIGO något av en dröm:
”Jag ville alltid vara en experimentell fysiker och lockades av idén att använda fortsatta framsteg inom teknik för att genomföra grundläggande vetenskapliga experiment som inte kunde göras på annat sätt. LIGO är ett bra exempel på vad som inte kunde göras förut. Även om det var ett mycket storskaligt projekt var utmaningarna mycket annorlunda från hur vi bygger en bro eller utför andra stora tekniska projekt. För LIGO var utmaningen hur man utvecklar och utformar avancerad instrumentering i stor skala, även när projektet utvecklas. ”
År 1999 hade konstruktionen samlats in på LIGO-observatorierna och 2002 började LIGO skaffa data. År 2008 började arbetet med att förbättra sina ursprungliga detektorer, känt som Advanced LIGO-projektet. Processen att konvertera 40-m-prototypen till LIGO: s nuvarande 4 km (2,5 mi) interferometrar var ett enormt åtagande och behövde därför delas upp i steg.
Det första steget skedde mellan 2002 och 2010, då teamet byggde och testade de första interferometrarna. Även om detta inte resulterade i några upptäckter, demonstrerade det observatoriets grundläggande begrepp och löste många av de tekniska hinder. Nästa fas - kallad Advanced LIGO, som ägde rum mellan 2010 och 2015 - gav detektorerna möjlighet att uppnå nya känslighetsnivåer.
Dessa uppgraderingar, som också skedde under Barishs ledning, möjliggjorde utvecklingen av flera nyckelteknologier som till slut möjliggjorde den första upptäckten. Som Barish förklarade:
”I den första fasen av LIGO, för att isolera detektorerna från jordens rörelse, använde vi ett upphängningssystem som bestod av testmassespeglar hängda av pianotråd och använde en flerstegs uppsättning passiva stötdämpare, liknande de i din bil. Vi visste att detta förmodligen inte skulle vara tillräckligt bra för att upptäcka gravitationsvågor, så vi, i LIGO-laboratoriet, utvecklade ett ambitiöst program för Advanced LIGO som införlivade ett nytt fjädringssystem för att stabilisera speglarna och ett aktivt seismiskt isoleringssystem för att känna och korrigera för markrörelser. ”
Med tanke på hur centrala Thorne, Weiss och Barish var för studien av gravitationella vågor, erkändes alla tre med rätta som årets mottagare av Nobelpriset i fysik. Både Thorne och Barish meddelades att de vann de tidiga morgontimmarna den 3 oktober 2017. Som svar på nyheten var båda forskarna säker på att erkänna de pågående insatserna från LIGO, de vetenskapsteam som har bidragit till det, och insatser från Caltech och MIT för att skapa och underhålla observatorierna.
”Priset tillhör med rätta de hundratals LIGO-forskare och ingenjörer som byggde och perfektionerade våra komplexa gravitationsvåginterferometrar, och de hundratals LIGO- och Virgo-forskare som hittade gravitationsvågsignalerna i LIGOs bullriga data och extraherade vågornas information, ”Sa Thorne. "Det är olyckligt att priset på Nobelstiftelsens stadgar måste gå till högst tre personer, när vår fantastiska upptäckt är mer än tusen verk."
"Jag är ödmjuk och hedrad att få detta pris", sa Barish. ”Upptäckten av gravitationsvågor är verkligen en triumf för modern storskalig experimentell fysik. Under flera decennier utvecklade våra team på Caltech och MIT LIGO till den otroligt känsliga enheten som gjorde upptäckten. När signalen nådde LIGO från en kollision av två stjärniga svarta hål som inträffade för 1,3 miljarder år sedan, kunde den 1 000-forskare-starka LIGO Scientific Collaboration både identifiera kandidathändelsen inom några minuter och utföra den detaljerade analysen som övertygande visade att gravitationsvågorna existera."
Framöver är det också ganska tydligt att Advanved LIGO, Advanced Virgo och andra gravitationsvågobservatorer runt om i världen just har kommit igång. Förutom att ha upptäckt fyra separata händelser har nyligen genomförda studier visat att gravitationsvågdetektering också kan öppna nya gränser för astronomisk och kosmologisk forskning.
Till exempel föreslog en nyligen genomförd studie av ett team av forskare från Monash Center for Astrophysics ett teoretiskt koncept som kallas ”föräldraläge”. Enligt deras forskning orsakar gravitationella vågor inte bara vågor i rymden, utan lämnar permanenta krusningar i sin struktur. Genom att studera "föräldralösa" från tidigare händelser kan gravitationsvågor studeras både när de når jorden och långt efter att de passerar.
Dessutom släpptes en studie i augusti av ett team av astronomer från Center of Cosmology vid University of California Irvine som indikerade att sammanslagningar av svarthål är mycket vanligare än vi trodde. Efter att ha genomfört en undersökning av kosmos avsedd att beräkna och kategorisera svarta hål, bestämde UCI-teamet att det kunde finnas så många som 100 miljoner svarta hål i galaxen.
En annan ny studie visade att Advanced LIGO, GEO 600 och Virgo gravitationsvågdetektornätet också kunde användas för att upptäcka gravitationella vågor som skapats av supernovaer. Genom att upptäcka de vågor som skapats av stjärnan som exploderar nära slutet av deras livslängd, kunde astronomer kunna se inuti hjärtan av kollapsande stjärnor för första gången och undersöka mekaniken i form av svarthål.
Nobelpriset i fysik är en av de högsta utmärkelser som kan tilldelas en forskare. Men ännu större än det är kunskapen om att stora saker resulterade från ens eget arbete. Tio år efter att Thorne, Weiss och Barish började föreslå gravitationsvågstudier och arbeta för att skapa detektorer, gör forskare från hela världen djupa upptäckter som revolutionerar vårt sätt att tänka på universum.
Och som dessa forskare säkert kommer att intyga är det vi hittills sett bara toppen av isberget. Man kan föreställa sig att någonstans strålar Einstein också av stolthet. Liksom med annan forskning som rör hans teori om allmän relativitet, visar studien av gravitationsvågor att även efter ett sekel var hans förutsägelser fortfarande pådrivna!
Och se till att kolla in den här videon från Caltechs presskonferens där Barish och Thorn hedrades för sina prestationer:
