Gaudyti Einšteino bangas

Astronomai beveik 400 metų stebėjo dangų iš esmės vienodai. Nuo tada, kai Galilėjus 1609 m. pasuko savo teleskopus į Mėnulį, jie naudojo vis sudėtingesnes priemones, skirtas aptikti tolimų objektų skleidžiamą šviesą, surinkti ne tik matomą šviesą, bet ir radijo bangas, rentgeno spindulius ir kitas elektromagnetinės spinduliuotės formas. Tačiau kai kurie įdomiausi dalykai kosmose mums nesiunčia šviesos.

Absolventai Alma Steingart ir Brettas Shapiro, LIGO mokslininkas Richas Mittlemanas ir fizikos profesorius Nergis Mavalvala MIT LIGO laboratorijoje.

Galimybė stebėti visatą naudojant ką nors kita, o ne šviesą, gali pradėti naują astronomijos erą – erą, kurią, MIT fizikų nuomone, netrukus ateis. Jų viltys priklauso nuo gravitacinių bangų aptikimo – tam tikros esminės spinduliuotės, kurią Einšteinas numatė 1916 m., bet dar tiesiogiai nepastebėtas. Gravitacinių bangų analizė, jų nuomone, suteiks precedento neturintį būdą tirti spirale besisukančių neutroninių žvaigždžių, juodųjų skylių ir griūvančių žvaigždžių branduolių aktyvumą.

Einšteino reliatyvumo teorija numato ne tik gravitacines bangas, bet ir prognozes patvirtina netiesioginiai empiriniai įrodymai, pavyzdžiui, dvinarių neutroninių žvaigždžių orbitų pokyčiai, kuriuos mokslininkai stebėjo dešimtmečius. Kad astronomai galėtų analizuoti gravitacines bangas iš tolimų objektų, eksperimentiniai fizikai turi aptikti bangas tiesiogiai.

MIT ir Caltech mokslininkų komanda negali atsispirti iššūkiui. Jie kartu valdo lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatoriją (LIGO), kurią finansuoja Nacionalinis mokslo fondas Vašingtono valstijos ir Luizianos vietose. Pastatytas 1990-aisiais, LIGO yra pagrįstas dizainu, kurį aštuntajame dešimtmetyje sukūrė Rainer Weiss ‘55, PhD ‘62, kuris dabar yra MIT fizikos profesorius emeritas. Aptikdami atstumo pokyčius tarp tiksliai sukalibruotų veidrodžių, LIGO prietaisai matuoja nedidelius erdvės-laiko audinio iškraipymus. Su pirmosios kartos detektoriais, kurie kainavo 230 milijonų dolerių, tikimybė aptikti gravitacinę bangą buvo maža. Tačiau LIGO fizikai mano, kad dabar turi technologiją, leidžiančią pasukti kampą. Vykdydami atnaujinimus, jie tikisi dešimteriopai padidinti jautrumą – jų manymu, iki 2014 m. pakaks aptikti gravitacines bangas kelis kartus per mėnesį.

Šie fizikai mėgsta spręsti vieną iš sudėtingiausių tiksliosios inžinerijos problemų pasaulyje: matuoti atstumus, mažesnius už mažiausius atomų branduolius. Tai tikrai sunku. Ir tai labai traukia, sako Nergis Mavalvala, PhD ‘97, fizikos docentas, kuriantis atnaujintus LIGO instrumentus. Tačiau dar įdomiau nei iššūkis yra galimas atlygis. Gravitacijos bangų fizika pakeis mūsų požiūrį į visatą, sako fizikos docentas Erikas Katsavounidis, analizuojantis LIGO duomenis. Šioje klasėje yra nedaug dalykų.

Nuo Niutono iki Einšteino
Niutonas gravitaciją apibūdino kaip traukos jėgą tarp masių. Tačiau net Niutonas buvo nepatenkintas savo nesugebėjimu paaiškinti ko priežasčių gravitacija. Tai buvo palikta Einšteinui, kuris paaiškino, kaip atsiranda gravitacija, apibūdindamas pačią erdvę nauju būdu.

Iki Einšteino buvo manoma, kad erdvė yra absoliuti, egzistuojanti už joje judančių masių įtakos. Einšteinas suprato, kad erdvė yra kalioji, ir pasiūlė, kad laikas ir erdvė yra keturių dimensijų sistemos dalis. Tokios masės kaip saulė iškreipia erdvės laiko audinį, sukeldamos tai, ką fizikai vadina erdvės ir laiko kreivumu. Šis kreivumas turi įtakos kitų masių judėjimui: kitaip tariant, tai yra tai, ką mes patiriame kaip gravitaciją.

Einšteinas pasiūlė, kad masės įsibėgėtų, jos sukelia erdvėlaikio bangavimą, kaip bangos, keliaujančios vandeniu, plaukdamos laivu. Šiuos erdvės ir laiko pabudimus jis vadino gravitacinėmis bangomis. Kaip ir šviesos ir garso bangos, jos apibūdinamos pagal dažnį ir bangos ilgį. Niutono lygtyse gravitacijos jėga veikia akimirksniu, o tai aproksimacija, kuri puikiai tinka daugeliui to, ką galime stebėti. Tačiau gravitacinės bangos erdvėlaikiu sklinda šviesos greičiu. Taigi bet kokiems tolimo objekto gravitacinio traukos pokyčiams reikia laiko, kad pasiektų Žemę, kaip ir jos šviesai. Visa tai užtrunka šiek tiek laiko, kol apsisuksite galvą, pripažįsta fizikos docentas Scottas Hughesas.

Gravitacinėms bangoms keliaujant jos išsitempia ir suspaudžia erdvėlaikį, sako Mavalvala. Jei vienas praeitų pro jus dabar, galėtumėte tapti šiek tiek aukštesnis, tada šiek tiek žemesnis; šiek tiek platesnis, tada šiek tiek plonesnis. Panašiai, jei gravitacinė banga praeina per du objektus, atstumas tarp jų skiriasi. LIGO sukurtas šiam poveikiui išmatuoti.

Taip atsitinka, kad dalykų, kuriuos LIGO sugebės gerai aptikti, pavyzdžiui, juodųjų skylių susidūrimą su neutroninėmis žvaigždėmis, nepavyks gerai pamatyti teleskopais. Tačiau nors tokie reiškiniai yra įdomūs, tikroji jų tyrimo vertė, sako Hughes, ta, kad jie leis mums išbandyti fizikos dėsnius tose visatos srityse, kurios labai skiriasi nuo mūsų pačių.

Niutono dėsniai gerai veikia mūsų saulės sistemoje, kur gravitacija yra silpna. Tačiau šalia juodųjų skylių, sako Raineris Weissas, erdvė taip stipriai traukia, kad ji nebėra plokščia; tai siaubingais būdais susirangiusi ant savęs. Jis sako, kad su LIGO matysime dalykus iš visatos regionų, kuriuose Einšteinas yra visa istorija. Niutoną galite pamiršti. Fizikai tikisi, kad LIGO atvers tai, ką Hughesas vadina ekstremalia laboratorija. Gravitacinių bangų matavimas leis mums suprasti giliausią erdvės ir laiko prigimtį, sako Edwardas Bertschingeris, MIT fizikos skyriaus vadovas. Kol mes jų nuodugniai neišstudijavome, nesupratome gravitacijos.

Tačiau prireikė daug laiko, kol fizikos įstaiga patikėjo, kad gravitacinėms bangoms matuoti sukurtas technologijas verta investuoti. Weissas, kuris visą savo karjerą praleido MIT, suvaidino svarbų vaidmenį keičiant potvynį.

LIGO ištakos
Net Einšteinas pripažino, kad gravitacines bangas būtų sunku, jei ne neįmanoma, išmatuoti. Nors jis tikėjo, kad jos tikrai egzistuoja, XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje fizikai pradėjo galvoti apie gravitacines bangas kaip apie matematinius įdomybes. Ir pats Einšteinas, negalėdamas patikrinti savo idėjų apie juos, atsisakė savo ankstesnių teiginių.

Tačiau 1960 m. vyras, kurį Weissas vadina drąsiu ir turinčiu vaizduotę, nusprendė pabandyti išmatuoti gravitacines bangas. Merilendo universiteto profesorius Josephas Weberis sukonstravo detektorių, kuris veikė kaip metalinis ksilofono strypas; bet užuot vibravęs plaktuku, jis vibruotų, kai atsitrenktų į gravitacines bangas. Weissas sako, kad Weberis matė įvairiausių nuostabių dalykų ir teigė aptikęs tai, ką numatė Einšteinas.

Problema ta, kad niekas negalėjo pakartoti jo rezultatų, nors Weberis, kuris mirė 2000 m., jų laikėsi. Weissas sako, kad atsargesnis fizikas būtų skeptiškesnis savo išvadoms; jis spėja, kad Weberio mašinos galėjo aptikti tokius dalykus kaip žaibo smūgis ar probleminės telefono linijos, tačiau Weberis netyrė kitų galimų jo duomenų paaiškinimų. Be nepriklausomo Weberio bangų patvirtinimo, laukas pateko į siaubingą būklę, sako Weissas.

Weissas, ne mažiau vaizdingas nei Weberis, taip pat domėjosi gravitacija eksperimentiniu požiūriu. Šeštajame dešimtmetyje jis iškrito iš MIT, tačiau legendinis fizikos profesorius Jerroldas Zachariasas gavo dar vieną šansą, kuris pasamdė jį dirbti savo laboratorijoje. Gavęs daktaro laipsnį MIT, Weissas praleido Prinstono universitete Roberto Dicke'o, pagrindinio gravitacijos eksperto, laboratorijoje.

Netrukus po to, kai jis grįžo į MIT kaip profesorius, Weissas buvo paskirtas dėstyti reliatyvumo mokslą. Buvo 1966 m. pavasaris, o Weberio detektorius pradėjo veikti. Weissas prisimena, kad nesupratau, ką Weberis darė, todėl jis nusprendė paaiškinti savo mokiniams apie gravitacines bangas, sugalvodamas paprasčiausią paaiškinimą, kaip galima aptikti tokias bangas, kokią tik galėčiau įsivaizduoti. Jo idėja buvo naudoti interferometrą, L formos vienodai išdėstytų veidrodžių konfigūraciją, kuri naudoja lazerio šviesą tiksliai išmatuoti atstumą. Gravitacinėms bangoms eidamos pro objektus, jos ištempia ir suspaudžia erdvėlaikį taip, kad atstumai tarp tų objektų pasikeičia. Kuo didesnis pradinis atstumas tarp dviejų objektų, tuo didesnis pokytis. Kuo didesnis pokytis, tuo lengviau jį išmatuoti.

Per kelerius ateinančius metus Weissas sukūrė prototipus tam, kas taps LIGO. Caltech mokslininkai, taip pat Nacionalinio mokslo fondo finansuotojai atsisakė už jo planų anksčiau nei MIT administracija; institutas nenorėjo skirti pinigų tam, kas atrodė rizikinga. Tačiau kai Weiss bendradarbiavo su Kipu Thorne'u ir Ronaldu Dreveriu iš Caltech ir buvo užtikrintas finansavimas, MIT įsitraukė.

Šiandieninis LIGO yra didžiulių interferometrų rinkinys, du iš jų su keturių kilometrų ilgio svirtimis, o trečias su dviejų kilometrų svirtimis. Labiau panašus į ausį nei į akį, LIGO sugaus bet kokias bangas, kurias girdi, nesvarbu, iš kurios pusės jos kiltų. Tačiau Weissas tikisi, kad ši technologija taps naujos rūšies teleskopu.

Kiekvienos L kampe yra veidrodis, kuris padalija lazerio šviesos spindulį į dvi dalis ir siunčia po vieną spindulį kiekviena ranka per vakuuminį nerūdijančio plieno vamzdelį į veidrodį, esantį gale. Veidrodžiai atspindi spindulius atgal į kampą, kur jie vėl sujungiami ir sukuria ryškių ir tamsių dėmių interferencinį modelį. Šis modelis išlieka toks pat tol, kol niekas nejuda. Bet jei gravitacinė banga praeina pro interferometrą, ji subtiliai išspaudžia ir ištempia erdvę, stumdydama veidrodžius taip, kad modelis pasikeistų.

Tai skamba pakankamai paprastai. Tačiau pašalinti triukšmą iš sistemos yra neįtikėtinai sudėtinga. Visa kita planetoje gali pajudinti veidrodžius labiau nei gravitacinės bangos, sako Mavalvala, labai mažai perdėdamas. Ji pažymi trumpą reiškinių, galinčių sutrikdyti LIGO, sąrašą: tektoninių plokščių judesiai, vandenyno bangos, kelių eismas, metro, net tik aplinkui judančių žmonių veikla. Net gaminant mikroprocesorius su labai mažomis funkcijomis, dalykų nereikia laikyti beveik taip pat ramiai, kaip LIGO detektoriuose. Tik vizionierius gali pažvelgti į techninius LIGO reikalavimus ir nesibaiminti, sako Bertschinger.

LIGO mokslininkai analizuoja duomenis iš pirmojo pilno masto detektorių paleidimo nuo 2005 m. lapkričio mėn. iki 2007 m. spalio mėn. Didelis duomenų kiekis – detektoriai sukuria apie gigabaitą per dieną – yra didžiulis skaičiavimo iššūkis. Dar sunkiau nuspręsti, kaip nustatyti, kada buvo aptikta gravitacinė banga be jokių pagrįstų abejonių. Atsižvelgdami į Weberio palikimą, Erikas Katsavounidis sako, kad norime būti visiškai tikri.

Tyrėjai mano, kad dabartinė LIGO technologija turėtų sugebėti aptikti žiaurius kosminius įvykius, tokius kaip supernovos, jei tik jie nėra per toli. Mūsų galaktikos jautrumas geras, sako Katsavounidis. Tačiau supernovos yra retos; Manoma, kad jų LIGO diapazone atsiranda maždaug kartą per 30 metų. Kol LIGO nematys toliau, jis sako, kad geriausi potencialūs aptinkamų gravitacinių bangų šaltiniai gali būti objektai, apie kuriuos astrofizikai dar net nežino.

Naujoji karta
Naudodamas didžiausią ultraaukšto vakuumo sistemą Žemėje, LIGO gali aptikti net 10–18 metrų veidrodžio poslinkius – tūkstantąją mažiausio atomo branduolio dydžio. Šis jautrumas padvigubės maždaug per metus, nes patobulinimai, kuriuos Mavalvala lygina su turbininio variklio įdėjimu į automobilį. O LIGO komanda planuoja iš viso pakeisti pradinius detektorius. Sukurtas projektui, pavadintam Advanced LIGO, naujasis detektorių rinkinys bus 10 kartų jautresnis, todėl stebimos erdvės tūris padidės tūkstantį kartų.

Ryškiai apšviestoje LIGO komandos angarų proporcijų laboratorijoje, esančioje vakarinėje MIT universiteto miestelio pusėje, Mavalvala pakišo savo beisbolo kepuraitės galvą po vienu iš dviejų 15 metrų nerūdijančio plieno vamzdžių. Vamzdžiai jungiasi L forma, kad sudarytų mažesnio masto Luizianos ir Vašingtono interferometrų kopiją. Netoliese aparatas, kuris, atrodo, buvo pagamintas iš milžiniško „Erector“ rinkinio, yra ant pakeltos plieninės platformos, aptrauktos plastiko lakštu. Mavalvala paaiškina, kaip Advanced LIGO užtikrins, kad platformos, ant kurių pakabinami veidrodėliai, išliktų labai, labai nejudančios.

Aparatui veikiant, platformose esantys akselerometrai nustato judesį, o varikliai jį koreguoja judėdami platformą priešinga kryptimi. Kiekvienas veidrodis kabės nuo savo platformos ant vielos, laikančios metalinius ir stiklinius svarmenis. Gautos švytuoklės natūralusis dažnis yra mažesnis nei gravitacinių bangų. Kai platformą greitai purto seisminis triukšmas, švytuoklės slopins veidrodžių judėjimą, užtikrindamos, kad smulkūs judesiai dėl gravitacinių bangų nebus užmaskuoti.

Šie patobulinimai pagerins LIGO jautrumą žemo dažnio gravitacinėms bangoms. Tačiau matuodami poslinkius, daug mažesnius už atomą, tyrėjai taip pat turi kovoti su skirtingais triukšmo šaltiniais, kurie riboja jautrumą kituose diapazonuose. Vidutiniame diapazone LIGO riboja šiluminis judėjimas: atomai, kurių temperatūra aukštesnė už absoliutų nulį, stumiasi aplinkui. Taigi metalo atomai laiduose, pakabinančiuose LIGO veidrodžius, įneša į sistemą triukšmą. Pažangiajame LIGO bus naudojami specialiai pagaminti pliko stiklo pluoštai, mažiau nuostolingos medžiagos: atomai mažiau juda, o veidrodžiui perduodama mažiau judesio.

Esant aukštesniems dažniams, problema yra šviesos kvantinės savybės. Mavalvala sako, kad kai atliekate matavimą su šviesa, turite susidoroti su pačios šviesos triukšmo savybėmis. Didesnė lazerio galia reiškia geresnį signalo ir triukšmo santykį: pažangus LIGO lazeris turės 20 kartų didesnę galią nei dabartinis.

Dėl šių patobulinimų turėtume ką nors pamatyti kartą per savaitę, sako David Shoemaker, SM ‘80, MIT vyresnysis mokslo darbuotojas, vadovaujantis pažangiajai LIGO. Jei nieko nematome, kažkas negerai su bendruoju reliatyvumu.

Kai pirmą kartą aptinkama gravitacinė banga, visi surengs audringą vakarėlį, sako Scottas Hughesas. Tada, kai pagirios pasibaigs, sakysime: „Gerai, ką dabar daryti?“

Kurdamas kompiuterinius objektų, tokių kaip juodosios skylės, modelius, Hughesas bando išsiaiškinti, kaip panaudoti gravitacines bangas astronomijai atlikti. Kadangi šviesa iš juodųjų skylių nepasklinda, fizikai jas matė tik netiesiogiai – tarkime, aptikdami rentgeno spindulius, kuriuos skleidžia žvaigždės, kai jas įtraukia. Tačiau kai juodosios skylės ką nors suėda, sako Weissas, jos išleidžia labai patenkintą burbuliavimą – gravitacinę bangą. Kaip tiksliai galiu išmatuoti juodosios skylės masę ir sukimąsi, atsižvelgiant į tai, kaip bendroji reliatyvumo teorija apibūdina dalykus, atsižvelgiant į detektorius, tokius, kokius juos sukūrėme, sako Hughesas?

Tokius klausimus užduodami fizikai žengia į nežinomybę ir negali nuspėti visko, ką gali išmokti. Tačiau, sako Bertschinger, noriu, kad MIT būtų tos eros dalis – dalyvautų būsimoje mokslo šventėje.

paslėpti