Undele gravitaționale explicate

La un secol după ce Albert Einstein a rescris înțelegerea noastră despre spațiu și timp, fizicienii au confirmat una dintre cele mai evazive predicții ale teoriei sale generale a relativității. Într-o altă galaxie, la aproximativ un miliard de ani lumină distanță, două găuri negre s-au ciocnit, zguduind țesătura spațiu-timpului. Aici, pe Pământ, doi detectoare gigantice de pe părți opuse ale Statelor Unite au tremurat în timp ce undele gravitaționale au trecut peste ele. După decenii în care au încercat să detecteze direct undele, recent modernizat Observatorul cu unde gravitaționale cu interferometru laser, cunoscut acum sub numele de Advanced LIGO, pare să fi reușit, deschizând o nouă eră a astronomiei.

Ce sunt undele gravitaționale?

Coliziunile cosmice colosale și exploziile stelare pot zgudui spațiu-timpul însuși. Relativitatea generală prezice că ondulațiile din țesătura spațiu-timpului radiază energie departe de astfel de catastrofe. Ondulurile sunt subtile; când ajung pe Pământ, unii comprimă spațiu-timp cu o zece miimi din lățimea unui proton.

Cum sunt ele detectate?

Pentru a detecta un semnal, LIGO folosește o oglindă specială pentru a diviza un fascicul de lumină laser și trimite fasciculele în jos pe două brațe lungi de 4 kilometri, la un unghi de 90 de grade una față de alta. După ce a ricoșat înainte și înapoi de 400 de ori, transformând călătoria fiecărui fascicul într-o călătorie de 1.600 de kilometri dus-întors, lumina se recombină în apropierea sursei sale.

Fascicul cu laser

Raza laser LIGO este generată într-o carcasă gri (în partea stângă), apoi amplificată la 200 de wați și filtrată înainte de a trage în tuburile de vid perpendiculare printr-un periscop negru (turn în dreapta). Oglinzile suplimentare (neprezentate) măresc puterea laserului la 750 de kilowați. (Indicatoarele laser portabile, prin comparatie, sunt de obicei de doar 5 miliwati).

Divizor de fascicul luminos

Un divizor de fascicul (în imagine) împarte fasciculul laser în două, trimițând fasciculul divizat în tuburi cu vid lungi de 4 kilometri.

Camera de separare a fasciculului

Divizorul de fascicul atârnă într-o cameră (foto) unde cele două brațe ale detectorului se intersectează; un braț este în spatele splitterului, celălalt este la stânga.

Masa de testare

După ce a parcurs patru kilometri printr-un tub vid, laserul lovește o „masă de testare”, o oglindă de 40 de kilograme de silice topită (în imagine) care reflectă fasciculul laser înapoi într-o altă oglindă lângă separatorul de fascicul. Raza laser ricoșează între aceste oglinzi de 400 de ori, parcurgând un total de 1.600 de kilometri înainte de a se recombina cu fasciculul din celălalt braț.

Oglinzi

Oglinzile sunt suspendate de un aparat complex (în imagine) conceput pentru a minimiza vibrațiile rătăcite de la zgomotul seismic și termic.

Brațe detectoare

Unul dintre brațe, fiecare un tub cu vid de 4 kilometri lungime, se află în interiorul unei carcase de beton (în imagine) lângă Hanford, Wash.

Experimentul este conceput astfel încât, în condiții normale, undele luminoase se anulează reciproc atunci când se recombină, netrimițând niciun semnal luminos către detectorul din apropiere.

Dar o undă gravitațională întinde un tub în timp ce îl stoarce pe celălalt, modificând distanța pe care o parcurg cele două fascicule una față de alta. Din cauza acestei diferențe de distanță, undele de recombinare nu mai sunt aliniate perfect și, prin urmare, nu se anulează. Detectorul captează o strălucire slabă, semnalând un val care trece.

LIGO are un detector în Louisiana și altul în Washington pentru a se asigura că valul nu este un fenomen local și pentru a ajuta la localizarea sursei sale.

Care sunt alte surse de unde gravitaționale?

Studiind simulările computerizate ale fenomenelor astrofizice, oamenii de știință își pot da seama la ce tip de semnale să se aștepte de la diferite surse de unde gravitaționale.

Stele neutronice care se rotesc

O singură stea neutronă care se învârte, nucleul lăsat în urmă după ce o stea masivă explodează, poate genera spațiu-timp la frecvențe similare cu cele produse de ciocnirea găurilor negre.

Supernove

Exploziile puternice cunoscute sub numele de supernove, declanșate atunci când o stea masivă moare, pot agita spațiul și pot exploda cosmosul cu o explozie de unde gravitaționale de înaltă frecvență.

Perechi de găuri negre supermasive

Perechi de găuri negre uriașe, de peste un milion de ori mai masive decât soarele și mai mari decât cele detectate de Advanced LIGO, radiază unde lungi și ondulate. Deși Advanced LIGO nu poate detecta undele la această frecvență, oamenii de știință le-ar putea identifica căutând variații subtile ale bătăilor constante ale pulsarilor.

Marea explozie

Big Bang-ul ar fi putut declanșa unde gravitaționale de mărimea universului în urmă cu 13,8 miliarde de ani. Aceste unde ar fi lăsat o amprentă asupra primei lumini eliberate în cosmos 380.000 de ani mai târziu și ar fi putut fi văzute astăzi pe fundalul cosmic cu microunde.

Cum altfel căutăm unde gravitaționale?

LIGO nu este singurul joc din oraș când vine vorba de vânătoare de unde gravitaționale. Iată câteva alte proiecte în derulare și viitoare.

Interferometre la sol

Câteva alte detectoare similare cu LIGO sunt în Europa. Detectorul Virgo, de lângă Pisa, Italia, este în curs de modernizare și va face echipă cu LIGO la sfârșitul acestui an. GEO600, lângă Hanovra, Germania, a fost singurul interferometru care a funcționat în ultimii ani, în timp ce Virgo și LIGO au fost supuse unor renovări. Un al treilea detector LIGO, acesta din India, este programat să se alăture căutării în 2019.

Interferometre spațiale

În spațiu nimeni nu te poate auzi țipând. Nici nu trebuie să te confrunți cu fenomene neplăcute de pe Pământ, cum ar fi tremorurile seismice. Cercetătorii au făcut lobby către Agenția Spațială Europeană pentru a pune în spațiu un detector asemănător LIGO – Antena spațială cu interferometru laser evoluat – cândva în anii 2030. În așteptarea eLISA, ESA a lansat recent LISA Pathfinder, o misiune de testare a tehnologiilor necesare pentru detectorul complet de unde gravitaționale din spațiu.

Matrice de sincronizare pulsar

Pentru a percepe zumzetul de frecvență relativ joasă al găurilor negre supermasive care se ciocnesc, cercetătorii se îndreaptă către pulsari. Aceste stele neutronice care se rotesc rapid (nucleele rămase în urmă după explozia unei stele masive) trimit impulsuri constante de unde radio. Pe măsură ce o undă gravitațională stoarce și întinde spațiul dintre Pământ și un pulsar, ritmul pare să se accelereze și să se diminueze. Trei proiecte – Parkes Pulsar Timing Array din Australia, NANOGrav în America de Nord și European Pulsar Timing Array din Europa – monitorizează zeci de pulsari pentru schimbări de tempo care pot dezvălui nu numai coliziuni individuale, ci și cacofonia găurilor negre gigantesche care se sparg împreună în întreaga lume. univers.

Polarizarea fundalului cosmic cu microunde

Undele gravitaționale eliberate în urma Big Bang-ului ar fi lăsat o amprentă pe fundalul cosmic cu microunde, sau CMB. Această radiație umple universul și este o relicvă din momentul în care lumina ar putea călători pentru prima dată liber prin cosmos, la aproximativ 380.000 de ani de la naștere. CMB a păstrat modul în care spațiul s-a întins și s-a strâns în urma unei expansiuni fenomenale la o trilionime de trilionime de trilionime de secundă după Big Bang. Multe telescoape caută această semnătură căutând modele specifice în modul în care undele de lumină CMB se aliniază unele cu altele. Nu este ușor totuși; proiectul BICEP2 a confundat deja praful din Calea Lactee cu cariera sa cosmică.

Ce putem învăța din undele gravitaționale?

Succesul LIGO este asemănător cu Galileo îndreptându-și telescopul spre cer. Înainte de acel moment, știam puține despre stele și planete. Nu ne-am dat seama că există alte galaxii și nu aveam nicio idee despre imensitatea universului. Undele gravitaționale sunt un nou mod de a vedea cosmosul. Ele sunt o confirmare izbitoare a relativității generale și vor dezvălui explozii cataclismice și coliziuni în tot universul. Dar, ca și în cazul telescopului lui Galileo, o mare parte din ceea ce ne pot învăța undele gravitaționale este probabil încă de imaginat.