Som en del av hans allmänna relativitetsteori förutspådde Einstein att massan skulle avge gravitationvågor. Den borde kunna upptäcka de mest kraftfulla gravitationsvågorna när de passerar genom jorden. Och ett rymdbaserat observatorium som planeras för lansering 2015 LISA borde vara starkare.
Forskare är nära att faktiskt se gravitationsvågor. Bildkredit: NASA
Tyngdkraften är en bekant kraft. Det är anledningen till rädsla för höjder. Det håller månen till jorden, jorden till solen. Det hindrar öl från att flyta ut ur våra glasögon.
Men hur? Skickar jorden hemliga meddelanden till månen?
Tja, ja - slags.
Eanna Flanagan, Cornell docent i fysik och astronomi, har ägnat sitt liv åt att förstå allvar sedan han var student vid University College Dublin i sitt hemland. Nu, nästan två decennier efter att ha lämnat Irland för att studera för sin doktorsexamen under den berömda relativisten Kip Thorne vid California Institute of Technology, fokuserar hans arbete på att förutsäga gravitationsvågens storlek och form - ett svårfångat fenomen som förutsågs av Einsteins 1916 Theory of General Relativity men som aldrig har direkt upptäckts.
1974 mätte Princeton University-astronomer Russell Hulse och Joseph H. Taylor Jr indirekt påverkan av gravitationvågor på co-kretsande neutronstjärnor, en upptäckt som gav dem 1993 Nobelpriset i fysik. Tack vare Flanagan och hans kollegas senaste arbete är forskare nu på väg att se de första tyngdkraftsvågorna direkt.
Ljud kan inte existera i ett vakuum. Det kräver ett medium, till exempel luft eller vatten, för att ge sitt budskap. På samma sätt kan tyngdkraften inte existera i intet. Den behöver också ett medium för att leverera sitt budskap. Einstein teoretiserade att det mediet är rum och tid, eller "rymdtidstyg."
Förändringar i tryck - en dum på en trumma, en vibrerande röstkabel - ger ljudvågor, krusningar i luften. Enligt Einsteins teori ger massförändringar - kollisionen mellan två stjärnor, damm som landar på en bokhylla tyngdkraftsvågor, krusningar i rymden.
Eftersom de flesta dagliga föremål har massa, bör tyngdkraftsvågor vara runt omkring oss. Så varför kan vi inte hitta något?
"De starkaste gravitationsvågorna kommer att orsaka mätbara störningar på jorden 1000 gånger mindre än en atomkärna," förklarade Flanagan. "Att upptäcka dem är en enorm teknisk utmaning."
Svaret på den utmaningen är LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ett kolossalt experiment som involverar ett samarbete med mer än 300 forskare.
LIGO består av två installationer med nästan 2 000 mil från varandra - en i Hanford, Wash., Och en i Livingston, La. Varje anläggning är formad som en jätte "L", med två 2,5 mil långa armar gjorda av 4 fot i diameter vakuumrör inneslutna i betong. Ultrastabila laserstrålar passerar rören och studsar mellan speglarna i slutet av varje arm. Forskare förväntar sig att en tyngdkraftsvåg sträcker den ena armen och pressar den andra, vilket får de två lasrarna att resa något olika avstånd.
Skillnaden kan sedan mätas genom att "störa" lasrarna där armarna korsar varandra. Det är jämförbart med två bilar som kör vinkelrätt mot en vägkorsning. Om de reser med samma hastighet och avstånd kraschar de alltid. Men om avståndet är olika kan de missa. Flanagan och hans kollegor hoppas på en miss.
Dessutom kommer exakt hur mycket lasrarna träffar eller missar att ge information om gravitationsvågens egenskaper och ursprung. Flanagans roll är att förutsäga dessa egenskaper så att hans kollegor på LIGO vet vad de ska leta efter.
På grund av tekniska begränsningar kan LIGO endast avkänna gravitationsvågor för vissa frekvenser från kraftfulla källor, inklusive supernovaexplosioner i Vintergatan och snabbt snurra eller samleda neutronstjärnor i antingen Vintergatan eller avlägsna galaxer.
För att utöka potentiella källor planerar NASA och Europeiska rymdorganisationen redan LIGOs efterföljare, LISA, Laserinterferometer Space Antenna. LISA liknar begreppet LIGO, förutom att lasrarna kommer att studsa mellan tre satelliter med 3 miljoner mil från varandra och släpa jorden i omloppsbana runt solen. Som ett resultat kommer LISA att kunna upptäcka vågor vid lägre frekvenser än LIGO, såsom de som produceras genom kollisionen av en neutronstjärna med ett svart hål eller kollisionen av två svarta hål. LISA planeras lanseras 2015.
Flanagan och kollaboratörer vid Massachusetts Institute of Technology dechiffrerade nyligen gravitationsvågsignaturen som resulterar när ett supermassivt svart hål sväljer en solstor neutronstjärna. Det är en signatur som är viktig för LISA att känna igen.
"När LISA flyger bör vi se hundratals av dessa saker", konstaterade Flanagan. ”Vi kommer att kunna mäta hur rymden och tiden vrids och hur rymden ska vridas runt av ett svart hål. Vi ser elektromagnetisk strålning, och vi tror att det förmodligen är ett svart hål - men det är ungefär så långt vi har nått. Det blir väldigt spännande att äntligen se att relativitet faktiskt fungerar. ”
Men, varnade han, ”Det kanske inte fungerar. Astronomer observerar att universumets expansion växer snabbare. En förklaring är att den allmänna relativiteten måste ändras: Einstein hade mestadels rätt, men i vissa regimer kunde saker fungera annorlunda. ”
Thomas Oberst är vetenskapsförfattare praktikant vid Cornell News Service.
Ursprungskälla: Cornell University
