Tidigare kunde astronomer bara se himlen i synligt ljus och använda sina ögon som receptorer. Men tänk om du hade tyngdkraftsögon? Einstein förutspådde att de mest extrema föremål och händelser i universum skulle generera tyngdkraftsvågor och snedvrida rymden runt dem. Ett nytt experiment som kallas Laserinterferometer Gravitational Wave Observatory (eller LIGO) kan göra den första upptäckten av dessa gravitationsvågor.
Lyssna på intervjun: Seeing with Gravity Eyes (7,9 MB)
Eller prenumerera på Podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Okej, så vad är en gravitationsvåg?
Dr. Sam Waldman: Så en gravitationsvåg kan förklaras om du kommer ihåg att massan snedvrider rymdtiden. Så om du kommer ihåg analogien till ett ark som dras spänt med en bowlingboll som kastades in i mitten av arket, böjde arket; där bowlingbollen är en massa och arket representerar rymdtid. Om du flyttar den bowlingbollen fram och tillbaka mycket snabbt kommer du att göra krusningar i arket. Samma sak gäller för massor i vårt universum. Om du flyttar en stjärna mycket snabbt fram och tillbaka gör du krusningar i rymden. Och dessa krusningar i rymdtiden kan observeras. Vi kallar dem gravitationvågor.
Fraser: Om jag går runt i rummet, kommer det att orsaka gravitationvågor?
Dr. Waldman: Det kommer det. Så vitt vi vet fungerar gravitationen i alla skalor och för alla massor, men rymdtiden är mycket styv. Så något som mitt 200 pund själv som rör mig genom mitt kontor orsakar inte tyngdkraftsvågor. Det som krävs är extremt massiva föremål som rör sig mycket snabbt. Så när vi ser för att upptäcka tyngdkraftsvågor, letar vi efter föremål i solmassa. I synnerhet söker vi efter neutronstjärnor, som är mellan 1,5 och 3 solmassor. Vi letar efter svarta hål, upp till flera hundra solmassor. Och vi ser efter att dessa föremål rör sig mycket snabbt. Så när vi pratar om en neutronstjärna, pratar vi om en neutronstjärna som rör sig nästan med ljusets hastighet. I själva verket måste det vibrera med ljusets hastighet, det kan inte bara röra sig, det måste skaka fram och tillbaka mycket snabbt. Så de är väldigt unika, mycket massiva kataklysmiska system som vi söker efter.
Fraser: Gravityvågor är rent teoretiska, eller hur? De förutspåddes av Einstein, men har de inte sett ännu?
Dr. Waldman: De har inte observerats, de har uttalats. Det finns ett pulsarsystem vars frekvens snurrar ner i en takt som överensstämmer med utsläppet av tyngdvågor. Det är PSR 1913 + 16. Och att banans stjärna förändras. Det är en slutsats, men naturligtvis är det inte en observation direkt av tyngdkraftsvågor. Det är dock ganska tydligt att de måste existera. Om Einsteins lagar finns, om General Relativity fungerar, och det fungerar mycket bra på mycket många längdskalor, finns tyngdkraftsvågor också. De är bara väldigt svåra att se.
Fraser: Vad kommer det att kräva för att kunna upptäcka dem? Det låter som om det är väldigt katastrofala händelser. Stora stora svarta hål och neutronstjärnor som rör sig, varför är de så svåra att hitta?
Dr. Waldman: Det finns två komponenter till det. En sak är att svarta hål inte kolliderar hela tiden, och neutronstjärnor inte skakar på bara någon gammal plats. Så antalet händelser som kan orsaka observerbara gravitationvågor är faktiskt mycket litet. Nu pratar vi till exempel om Vintergalaxen med en händelse som inträffar var 30-50 år.
Men den andra delen av denna ekvation är att gravitationvågorna själva är mycket små. Så de introducerar det vi kallar en stam; det är en längdförändring per enhetslängd. Till exempel, om jag har en måttstång som är en meter lång, och en tyngdkraftsvåg kommer att klämma den målstocken när den kommer igenom. Men nivån på att den kommer att klämma in måttstocken är extremt liten. Om jag har en mått på 1 meter kommer det bara att förändra 10e-21 meter. Så det är en väldigt liten förändring. Naturligtvis är det att observera 10e-21 meter där den stora utmaningen är att observera en tyngdkraftsvåg.
Fraser: Om du mätte längden på en måttstång med en annan måttstock skulle den andra måttstockens längd förändras. Jag kan se att det är svårt att göra.
Dr. Waldman: Exakt, så du har ett problem. Hur vi löser måttstockproblemet är att vi faktiskt har två måttstockar, och vi bildar dem till en L. Och hur vi mäter dem är att använda en laser. Och hur vi har ordnat vår måttstock är faktiskt i en 4 km lång "L". Det finns två armar, var och en är 4 km lång. Och i slutet av varje arm finns det en 4-kg kvarts testmassa som vi studsar av laser. Och när en tyngdkraftsvåg kommer igenom denna "L" -formade detektor, sträcker den ett ben medan det krymper det andra benet. Och det gör detta med säga 100 Hertz, inom ljudfrekvenser. Så om du lyssnar på rörelsen hos dessa massor, hör du en surr på 100 hertz. Och så det vi mäter med våra lasrar är den differentiella armlängden på denna stora "L" -formade interferometer. Det är därför det är LIGO. Det är Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Fraser: Låt oss se om jag förstår detta korrekt. För miljarder år sedan kolliderar ett svart hål med ett annat och genererar ett gäng gravitationvågor. Dessa gravitationsvågor korsar universum och tvättar förbi jorden. När de går förbi jorden förlänger de en av dessa armar och de krymper den andra, och du kan upptäcka denna förändring genom att lasern studsar fram och tillbaka.
Dr. Waldman: Det stämmer. Utmaningen är naturligtvis att den längdförändringen är extremt liten. När det gäller våra 4 km interferometrar är längdförändringen som vi mäter just nu 10e-19 meter. Och för att sätta en skala på det är diametern för en atomkärna bara 10e-15 meter. Så vår känslighet är subatomisk.
Fraser: Och så vilka typer av händelser bör du kunna upptäcka vid denna tidpunkt?
Dr. Waldman: Så det är faktiskt ett fascinerande område. Analogin vi gillar att använda är som den tittar på universum med radiovågor var att titta på universumet med teleskop. De saker du ser är helt annorlunda. Du är känslig för en helt annan regim av universum. I synnerhet är LIGO känslig för dessa kataklysmiska händelser. Vi klassificerar våra evenemang i fyra breda kategorier. Den första vi kallar brister, och det är något som bildar ett svart hål. Så en supernovaexplosion inträffar, och så mycket materie rör sig så snabbt att det bildar svarta hål, men du vet inte hur gravitationvågorna ser ut. Allt du vet är att det finns gravitationvågor. Så det här är saker som händer extremt snabbt. De varar i högst 100 millisekunder och de kommer från bildandet av svarta hål.
En annan händelse vi tittar på är när två föremål är i omloppsbana med varandra, säger två neutronstjärnor som kretsar runt varandra. Så småningom sönder diametern på den bana. Neutronstjärnorna kommer att sammanfalla, de faller in i varandra och bildar ett svart hål. Och för de allra sista banorna rör sig dessa neutronstjärnor (kom ihåg att de är föremål som väger 1,5 till 3 solmassor) med stora bråkdelar av ljusets hastighet; säger 10%, 20% av ljusets hastighet. Och den rörelsen är en mycket effektiv generator av gravitationvågor. Så det är vad vi använder som vårt standardljus. Det är vad vi tror att vi vet att det finns; vi vet att de är ute, men vi är inte säkra på hur många av dem som går av på en gång. Vi är inte säkra på hur en neutronstjärna i spiral ser ut i radiovågor eller röntgenstrålar i optisk strålning. Så det är lite svårt att beräkna exakt hur ofta du ser antingen en in-spiral eller en supernova.
Fraser: Nu kommer du att kunna upptäcka deras riktning?
Dr. Waldman: Vi har två interferometrar. Vi har faktiskt två platser och tre interferometrar. En interferometer finns i Livingston Louisiana, som ligger strax norr om New Orleans. Och vår andra interferometer är i östra Washington-staten. Eftersom vi har två interferometrar, kan vi göra triangulering på himlen. Men det finns viss osäkerhet kvar där exakt källan är. Det finns andra samarbeten i världen som vi arbetar med ganska nära i Tyskland, Italien och Japan, och de har också detektorer. Så om flera detektorer på flera platser ser en gravitationsvåg, kan vi göra ett mycket bra jobb med att lokalisera. Förhoppningen är att vi ser en tyngdkraftsvåg och att vi vet var den kommer ifrån. Sedan ber vi våra radioastronomkollegor och våra röntgen astronomkollegor och våra optiska astronomkollegor att titta på den del av himlen.
Fraser: Det finns några nya stora teleskop i horisonten; överväldigande stora och gigantiskt stora, och Magellan ... de stora teleskop som kommer ner i röret med ganska stora budgetar att spendera. Låt oss säga att du kan hitta tyngdkraftsvågor pålitligt, det är nästan som om det lägger till ett nytt spektrum till vår upptäckt. Om stora budgetar placerades i några av dessa tyngdkraftsdetektorer, vad tror du att de skulle kunna användas för?
Dr. Waldman: Tja, som jag sa tidigare, det är som revolutionen inom astronomi när radioteleskop först kom online. Vi tittar på en helt annan klass fenomen. Jag skulle säga att LIGO-laboratoriet är ett ganska stort laboratorium. Vi arbetar över 150 forskare, så det är ett stort samarbete. Och vi hoppas kunna samarbeta med alla optiska astronomer och radioastronomer när vi går framåt. Men det är lite svårt att förutsäga vilken väg den vetenskapen kommer att ta. Jag tror att om du pratar med en hel del generella relativister, är det mest spännande inslaget i gravitationvågor att vi gör något som kallas Strong Field General Relativity. Det är all den allmänna relativiteten du kan mäta när du tittar på stjärnor och galaxer är mycket svag. Det är inte mycket massor involverat, det rör sig inte så snabbt. Det är på mycket stora avstånd. Medan vi pratar om kollisionen mellan ett svart hål och en neutronstjärna, är den sista biten, när neutronstjärnan faller in i det svarta hålet, extremt våldsam och undersöker en rike av allmän relativitet som bara inte är väldigt tillgängligt med vanliga teleskop, med radio, med röntgen. Så hoppet är att det finns några grundläggande nya och spännande fysiker där. Jag tror att det som främst motiverar oss är att du kan kalla det, kul med allmän relativitet.
Fraser: Och när hoppas du få din första upptäckt.
Dr. Waldman: Så LIGO-interferometrarna - alla tre interferometrarna - som LIGO fungerar fungerar alla med designkänslighet, och vi är för närvarande mitt i vår S5-körning; vår femte vetenskapsrunda, som är en årslängd. Allt vi gör under ett år är att försöka leta efter tyngdkraftsvågor. Som med många saker inom astronomi är det mesta vänta och se. Om en supernova inte exploderar kommer vi naturligtvis inte att se den. Och så måste vi vara online så länge som möjligt. Sannolikheten för att observera en händelse, som en supernovahändelse, tros ligga i regionen - vid vår nuvarande känslighet - det är tänkt att vi kommer att se en var 10-20 år. Det finns ett stort utbud. I litteraturen finns det folk som hävdar att vi kommer att se flera per år, och sedan finns det folk som hävdar att vi inte kommer att se någonsin på vår känslighet. Och den konservativa mellanplanen är en gång vart tionde år. Å andra sidan uppgraderar vi våra detektorer så snart denna körning är slut. Och vi förbättrar känsligheten med en faktor 2, vilket skulle öka vår detekteringsgrad med en faktor på 2 kubik. Eftersom känslighet är en radie och vi testar en volym i rymden. Med den faktorn på 8-10 i upptäcktsfrekvensen bör vi se en händelse en gång varje år eller så. Och därefter uppgraderar vi till det som kallas Advanced LIGO, vilket är en faktor på 10 förbättring av känsligheten. I vilket fall kommer vi nästan definitivt att se gravitationsvågor en gång varje dag; var 2-3 dag. Det instrumentet är utformat för att vara ett väldigt verkligt verktyg. Vi vill göra gravitationsastronomi; att se händelser med några dagar. Det blir som att starta Swift-satelliten. Så snart Swift gick upp började vi se gammastrålningsbrast hela tiden, och Advanced LIGO kommer att bli liknande.
