Nowa fala fal grawitacyjnych | przestrzeń

zaOkoło 10 miliardów bilionów bilionów milisekund Uważa się, że na początku tworzenia w Wielkim Wybuchu wszechświat doświadczył krótkiego, ale absurdalnie szybkiego zrywu wzrostu. To wydarzenie, zwane inflacją, było tak katastrofalne, że tkanka przestrzeni i czasu dostroiła się do fal grawitacyjnych (GW). Dla porównania, GW, które po raz pierwszy odkryto sześć lat temu, robiły wielki plusk, który był maleńkimi sprawami ze zderzeń czarnych dziur. Ale teraz naukowcy są w Europie przestrzeń ESA stawia sobie za cel większe cele – i ma nadzieję, że wkrótce będzie w stanie wykryć słabe echa inflacyjnych bólów porodowych wszechświata, mniej więcej 14 miliardów lat po zdarzeniu, przy użyciu największego instrumentu, jaki kiedykolwiek powstał. Setki razy większy od Ziemi, planowany przez Esę detektor fal grawitacyjnych będzie unosił się w kosmosie i szukał oscylacji w czasoprzestrzeni spowodowanych wszelkiego rodzaju masywnymi konwulsjami astrofizycznymi.

Pierwszy GW został zidentyfikowany w 2015 r. przez Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), międzynarodowy projekt, którego sukces zdobył w 2017 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki trzem jego głównym orędownikom. Ligo składa się z dwóch ogromnych detektorów w amerykańskich stanach Waszyngton i Luizjana. Każdy z nich wdraża dwa 4 kilometrowe tunele, które przecinają się pod kątem prostym, w których wiązka laserowa przemieszcza się wzdłuż zwierciadła na drugim końcu, a następnie odbija się z powrotem. Powracające fale świetlne kolidują ze sobą, gdy ramiona się przecinają. Kiedy GW przechodzi, bardzo nieznacznie się kurczy lub rozciąga czasoprzestrzeń. Ponieważ efekt ten będzie inny w każdym ramieniu, zmienia on synchronizację fal świetlnych, a tym samym zmienia interferencję dwóch wiązek.

LEGO nie jest sam. Drugie odkrycie GW w Boże Narodzenie 2015 zostało później potwierdzone we współpracy z europejskim detektorem Virgo z Włoch. Wykrywacz w Japonii o nazwie Kagra zaczął działać na początku zeszłego roku, a kolejne urządzenia są planowane w Indiach i Chinach.

Większość zaobserwowanych do tej pory czarnych dziur wydaje się być spowodowana zderzeniem dwóch czarnych dziur. Gwiazdy te składają się z gwiazd wielokrotnie masywniejszych niż nasze Słońce, które spłonęło i zapadło się pod wpływem własnej grawitacji. Zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina, która opisuje grawitację jako zniekształcenie czasoprzestrzeni spowodowane przez masę, zapadanie się może trwać, dopóki nie pozostanie nic poza bardzo gęstą „osobliwością”, która wytwarza pole grawitacyjne tak intensywne, że nawet światło nie może ucieczka. od niego.

Jeśli dwie czarne dziury zderzają się z powodu wzajemnego przyciągania grawitacyjnego, mogą krążyć wokół siebie i stopniowo zwężać się do wewnątrz, aż się połączą. Ogólna teoria względności przewidywała ponad sto lat temu, że takie zdarzenia będą wysyłać fale GW przez wszechświat, chociaż nie było na to bezpośrednich dowodów aż do odkrycia LIGO. Mogą być również spowodowane innymi ekstremalnymi zjawiskami astrofizycznymi, takimi jak łączenie się gwiazd neutronowych: płonące gwiazdy mniej masywne niż czarne dziury, które zatrzymały swój kolaps w punkcie, w którym składają się z materii tak gęstej, że naparstek człowieka waży nawet 50 m słoń.

GW mogą być również produkowane przez znacznie większe obiekty. W centrum naszej galaktyki i wielu innych galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura o masie kilku milionów mas naszego Słońca, uformowana z zapadających się gwiazd oraz obłoków gazu i kosmicznego pyłu. Obiekty kłębiące się w tych supermasywnych czarnych dziurach generują GW, które oscylują przy niższych częstotliwościach i dłuższych długościach fal niż małe fale łączenia czarnych dziur widziane przez Ligo i Pannę.

Detektory naziemne nie są w stanie zlokalizować tych rzeczy – to byłoby jak próba złapania wieloryba w misce homara. Aby je zobaczyć, detektor interferometryczny potrzebowałby znacznie dłuższych ramion. Jest to trudne, ponieważ każde ramię kanału powinno być długie, proste i wolne od wibracji. Dlatego naukowcy planują zamiast tego stworzyć w kosmosie gyotów o niskiej częstotliwości. Najbardziej zaawansowanym z tych planów jest urządzenie budowane obecnie dla firmy Esa: Interferometr laserowy anteny kosmicznej (Lisa).

LISA wyśle ​​lasery ze statku kosmicznego, aby odbijały się od swobodnie unoszącego się lustra wewnątrz innego statku kosmicznego. Używając trzech statków kosmicznych, możesz stworzyć dwuramienną strukturę w kształcie litery L, taką jak Ligo. Ale ramiona nie muszą być ustawione pod kątem prostym: zamiast tego Lisa umieści swoje trzy statki kosmiczne kilka milionów mil dalej w rogach trójkąta, a każdy róg stanie się jednym z trzech detektorów. Cała grupa będzie podążać po orbicie Ziemi, podążając za naszą planetą o około 30 metrów.

Aby przetestować wykonalność przeprowadzania interferometrii laserowej w kosmosie, w 2015 roku Esa uruchomiła projekt pilotażowy o nazwie Lisa Pionierka – Statek kosmiczny zademonstrował technologię na małą skalę. misja, Ukończony w 2017 roku „zwalił nas z nóg”, mówi Issa Paul McNamara, który był naukowcem projektu prowadzącym misję. „Spełnił nasze wymagania pierwszego dnia, bez żadnych modyfikacji ani niczego”. Wykazał, że lustro unoszące się wewnątrz statku kosmicznego może pozostać niewiarygodnie nieruchome, oscylując o nie więcej niż jedną tysięczną wielkości pojedynczego atomu. Aby utrzymać stabilność, statek kosmiczny wykorzystuje małe silniki odrzutowe, które reagują na siłę światła pochodzącego od Słońca.

Innymi słowy, McNamara mówi: „Nasz statek kosmiczny był bardziej stabilny niż rozmiar koronawirusa”. Dzieje się tak również dlatego, że LISA musiałaby wykryć zmianę długości ramienia, która dzięki GW stanowi jedną dziesiątą szerokości atomu na przestrzeni miliona mil.

Jednak uwolnienie Lisy nie nastąpi przez co najmniej dekadę. „Mamy do zbudowania trzy satelity, a każdy z nich składa się z wielu części” — mówi McNamara. „To po prostu wymaga czasu – i to jeden z niefortunnych faktów bardzo złożonego zadania”. Kolejnym kamieniem milowym jest „oficjalne przyjęcie misji” spodziewane w 2024 roku. „W tym momencie poznamy szczegóły misji oraz jakie kraje członkowskie ESA i Stany Zjednoczone wnoszą co i ile to kosztuje, – mówi astrofizyk Emmanuel Berti z Jones University. Hopkins w Baltimore.

Japonia i Chiny są również na wczesnym etapie planowania detektorów kosmicznych GW. McNamara postrzega to nie jako konkurencję, ale jako dobrą rzecz – bo przy więcej niż jednym detektorze możliwe byłoby zastosowanie triangulacji do określenia źródła fal.

„Lisa zmieni astronomię GW w taki sam sposób, w jaki wykracza poza światło widzialne [to radio waves, X-rays etc] To był przełom w zwykłej astronomii”, mówi Bertie. „Będzie przyglądał się różnym klasom źródeł GW”. Badając supermasywne łączenie się czarnych dziur, mówi, „mamy nadzieję, że zrozumiemy wiele na temat formowania się struktur w wszechświata i samej grawitacji”. Lisa widziała już „prymitywne” GW z inflacji na początku Wielkiego Wybuchu, więc może to przetestować teorie na temat tego, jak to wszystko się zaczęło.

TOto może być inny sposób na zobaczenie GW o niskiej częstotliwości, który w ogóle nie wymaga specjalnie skonstruowanego detektora. Współpraca pod nazwą North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) wykorzystuje obserwacje wykonane przez globalną sieć radioteleskopów do poszukiwania wpływu GW na czas „zegarów kosmicznych” zwanych pulsarami.

Pulsary szybko krążą wokół gwiazd neutronowych, które wysyłają intensywne wiązki fal radiowych ze swoich biegunów, omiatając niebo niczym promienie latarni morskiej. Sygnały pulsarowe są bardzo regularne i przewidywalne. „Jeśli GW przechodzi między pulsarem a Ziemią, zniekształca nakładającą się czasoprzestrzeń”, mówi członek zespołu NanoGrav Stephen Taylor z Vanderbilt University w Tennessee, powodując, że impuls dotrze wcześniej lub później niż oczekiwano.

W rzeczywistości pulsary stają się detektorami. Jak mówi członkini zespołu NanoGrav, Julie Comerford z University of Colorado w Boulder, daje to ramiona „detektora” tak długie, jak odległość między Ziemią a pulsarami: być może tysiące lat świetlnych. Ze względu na ten sam rozmiar sygnały, które można wykryć za pomocą NanoGrav, mają bardzo długie fale i bardzo niskie częstotliwości, nawet poza zasięgiem LISA i są wytwarzane przez supermasywne czarne dziury miliardy razy większe od Słońca, które łączą się, gdy zderzają się całe galaktyki . Taylor mówi, że żaden inny detektor nie może tego wykryć. Choć niewyobrażalnie katastrofalne, integracje te są w rzeczywistości dość powszechne, a NanoGrav wywoła taki szum, jaki wiele z nich robi. „W całym wszechświecie znajdują się pary supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie i wytwarzających gigawaty” – mówi Commerford. „Te fale wytwarzają morze GW, którymi się kołyszemy”.

W styczniu zespół NanoGrav był kierowany przez badacza podoktoranckiego Comerforda Josepha Simona w Kolorado Zgłoś pierwsze możliwe odkrycie tego tła GW. Chociaż potrzeba więcej pracy, aby zweryfikować, czy sygnał jest rzeczywiście spowodowany przez GW, Commerford nazywa wynik „najbardziej ekscytującym wynikiem astrofizyki, jaki widziałem w ciągu ostatnich kilku lat”.

Jeśli NanoGrav faktycznie używa detektora GW, który ma rozmiary lat świetlnych, fizyk Sougato Bose z University College London uważa, że ​​możemy wykonać taki detektor na tyle mały, by zmieścił się w szafce. Jego pomysł opiera się na jednym z bardziej niezwykłych efektów teorii kwantowej, która ogólnie opisuje bardzo małe obiekty, takie jak atomy. Obiekty kwantowe można umieścić w tak zwanej superpozycji, co oznacza, że ​​ich właściwości nie są jednoznacznie określone, dopóki nie zostaną zmierzone: możliwy jest więcej niż jeden wynik.

Naukowcy kwantowi mogą rutynowo umieszczać atomy w superpozycji kwantowej — ale takie dziwne zachowanie zanika w przypadku dużych obiektów, takich jak piłki do piłki nożnej, które są albo tu, albo tam, niezależnie od tego, czy patrzymy, czy nie. O ile wiemy, to nie jest tak, że superpozycja jest niemożliwa dla czegoś tak dużego – niemożliwe jest utrzymanie jej wystarczająco długo, aby została wykryta, ponieważ superpozycja jest łatwo zniszczona przez jakąkolwiek interakcję z otoczeniem obiektu.

Sugerują Bose i współpracownicy że gdybyśmy mogli stworzyć kwantową superpozycję obiektu średniej wielkości między atomem a piłką nożną — małego kryształu o średnicy około stu nanometrów, wielkości dużej cząsteczki wirusa — superpozycja byłaby tak ryzykowna, że ​​byłaby wrażliwe na przejściowe GW. W rzeczywistości dwa potencjalne stany superpozycji kwantowej można sprawić, by nakładały się na siebie jak dwie fale świetlne – a zniekształcenia czasoprzestrzeni wywołane przez GW pojawią się jako zmiana w tej interferencji.

Bose uważa, że ​​nanokryształy diamentu, które są trzymane w pustej pustce bardziej niż w przestrzeni kosmicznej i chłodzone we włóknie zera absolutnego, mogą być utrzymywane w superpozycji wystarczająco długo, aby załatwić sprawę. Nie będzie to łatwe, ale mówi, że wszystkie wyzwania techniczne są już przedstawiane indywidualnie – to kwestia połączenia ich wszystkich. „Nie widzę przeszkód, aby robić to przez następne 10 lat, jeśli będzie wystarczające finansowanie”, mówi.

Jeśli te i inne wydarzenia doprowadzą do boomu w astronomii GW, co zobaczymy? „Kiedy otwierasz nowe okno na wszechświat, zwykle widzisz rzeczy, których się nie spodziewasz” – mówi McNamara. Oprócz tego, że widzimy więcej rodzajów zdarzeń, o których już wiemy, że powodują GW, możemy otrzymać sygnały, których nie możemy łatwo wyjaśnić. „Właśnie wtedy zaczyna się zabawa” – mówi McNamara.