Astronomiya

Qravitasiya dalğaları və böyük partlayış

Qravitasiya dalğaları və böyük partlayış

Ligo veb saytında "Böyük Partlayışdan gələn qalıq cazibə dalğalarının aşkarlanması, Kainatın tarixinə əvvəllər olduğundan daha çox baxmağımızı təmin edəcək."

Bu başsındıran hesab edirəm. Detektorunu təşkil edən hissəciklər (yəni Böyük partlayışda) ilə eyni vaxtda və yerdə meydana gələn bir Qravitasiya Dalğası necə aşkar edilə bilər? Sadə bir bənzətmədən istifadə etmək üçün - bir elektron anbarında baş verən partlayış bir işığa və elektronik dişli parçalarının dağılmasına səbəb olur. Bu parçalar daha sonra partlayışı çəkə bilən bir kamera hazırlamaq üçün yığılır. Qarışıq qaldım!

Liseyin fizika dərsi üçün uyğun cavablar çox bəyənildi.


Birincisi, Big Bang uzaqda olduğumuz kosmos nöqtəsində baş vermədi. Big Bang məkanın yaradılması idi. Bu boşluq o vaxtdan bəri genişlənir, beləliklə hər şey arasındakı məsafələr artır, amma Big Bang tam olaraq olduğunuz yerdə, Andromeda qalaktikasının olduğu yerdə, GN-z11-in olduğu yerdə baş verdi və s.

Kainat o vaxtdan bəri inkişaf etmişdir. Big Bang’dən 13,8 milyard il sonra (Gyr) qalaktikaların necə göründüyünü bilmək istəyiriksə, qonşuluğumuzun ətrafına baxa bilərik. Çox uzağa baxsaq, 13.8 Gyr köhnə qalaktikaları görmürük, çünki işığın bizə çatması biraz vaxt apardı. Beləliklə, 12.8 Gyr köhnə qalaktikaları görmək istəyiriksə, sadəcə 1 milyard işıq ilinə baxırıq; 10 Gyr köhnə qalaktika görmək istəyiriksə (təxminən) 3.8 milyard işıq ili və s. $ ^ xəncər $ Bu şəkildə keçmişə baxırıq.

Kifayət qədər uzaqlara baxsaq, prinsipcə 13.8 Gyr-a geriyə baxa bilərik. Ancaq bir problemlə qarşılaşırıq ki, Kainat 380.000 yaşına qədər işıq üçün qeyri-şəffaf idi (niyə belədir başqa bir hekayə). Ancaq cazibə dalğalarına qeyri-şəffaf deyildi. Kainatın genişlənməsindən məsul olan və məkan yaradıldıqdan bir saniyənin bir hissəsində baş verən inflyasiya adlı çox GW-lərin meydana gəldiyini düşündüyümüz üçün GW-lərin baxmaq imkanını təklif etdiyini söyləyirik. Böyük Partlayışa geri qayıdır.


$ ^ xəncər $Böyük bir partlamadan sonra qalaktikalar dərhal yaradılmadığından və bütün qalaktikalar eyni vaxtda yaradılmadığı üçün bu bir qədər qeyri-dəqiqdir. Ancaq arqument xatirinə özlərini elə göstərək.


Cazibə dalğaları bizə kainat haqqında nə izah edəcək?

& # 8220THERE & # 8217S bir inqilab olacaq. & # 8221 MIT-dən Erik Katsavounidis, çoxdan bəri gözlənilən cazibə dalğalarının kəşfinin arxasında duran komandadan biridir.

11 Fevralda Lazer İnterferometr Qravitasiya-Dalğa rəsədxanası və ya LIGO, cazibə dalğalarını, kütləvi cisimlərin hərəkətinin səbəb olduğu yer-zamanın uzanmasını və sıxılmasını müşahidə etdiyini elan etdi.

LIGO Detection: Onilliyin kəşf pərdə arxasında

7 fevral 2017-ci il tarixində eksklüziv dünya premyerasına baxın

Bu açıqlama dünyanın hər yerindəki fiziklər və astronomlar arasında bir sensasiya yaratdı və indi kainatdakı bu yeni pəncərədən istifadə etməyə hazırlaşırlar. Cazibə dalğaları əsas fizikanı araşdırmağa, kainatdakı ən qəribə cisimləri araşdırmağa və hətta kainata geri dönməyə və hətta ilk anlara nəzər salmağa imkan verəcəkdir. Buffalodakı New York Dövlət Universitetindən Dejan Stojkovic deyir ki, böyük partlayışa qədər demək olar ki, hamısını görə bilərik.

Reklam

Siqnal, LIGO & # 8217s Hanford, Washington və Louisiana, Louisiana'daki iki rəsədxana tərəfindən 14 sentyabr 2015-ci il tarixində alındı. Hər biri günəş kütləsindən təxminən 30 dəfə çox olan iki qara dəliyin toqquşması ilə yaradıldı. Siqnalın təfərrüatları, nəhayət birinə qovuşana qədər bir-birlərini daha da yaxınlaşdırdıqlarını göstərir.

Bu, astronomlar üçün açıq bir sualı dərhal həll etdi. Siqnal gəlməmişdən əvvəl belə qara dəlik ikili sənədlərin mövcudluğu mübahisələndirildi. Qaranlıq olduqları üçün, bu kütlələrin qara deliklərini, parlaq bir şey - ulduz kimi - onların ətrafından keçməyincə tapmaq mümkün deyil.

"Qara dəlik birləşmələrindən gələn siqnallar qaranlıq enerjinin mahiyyətini anlamağımıza kömək edə bilər"

Növbəti hədəf iki neytron ulduzunun ölüm spiralından cazibə dalğalarını müşahidə etməkdir. Çökdükləri zaman da kütlələrini hadisə üfüqü arxasında gizlədən qara dəliklərdən fərqli olaraq, toqquşan neytron ulduzları kosmosda isti və parlaq maddə yayırdı ki, bu da bizə başqa sirləri araşdırmağa kömək edə bilər. Məsələn, bu partlayışların öyrənilməsi qısa qamma şüaları - sirli və inanılmaz parlaq elektromaqnit hadisələrini izah edə bilər. Kainatın və uran, toryum və qızıl kimi ağır elementlərin harada saxta olduğunu izah etməyə kömək edə bilərlər.

Önümüzdəki iki il ərzində LIGO, ən yaxın 300.000 qalaktikada baş verən hər hansı bir neytron ulduz birləşməsindən cazibə dalğalarını təyin edəcək qədər həssas olmalıdır. Yəni ayda təxminən bir siqnal görməliyik.

Ancaq bu tək hadisə təsbitləri yalnız başlanğıcdır. Harvard Universitetindən Avi Loeb deyir ki, bir neçəsini bir yerə yığın və bütövlükdə kainatın tarixi və tərkibi haqqında yeni fikirlər əldə edə bilməliyik. Məsələn, bir sıra qara dəlik birləşmələrindən gələn siqnallar, kainatın genişlənməsinin sürətlənməsinə səbəb olan qaranlıq enerjinin təbiətini anlamağa kömək etmək üçün birləşdirilə bilər.

Siqnalın & # 8220şəkili & # 8221 - dalğaların & # 8217 tezliyi və həcminin necə yüksəldiyini və düşdüyünü - əlaqəli qara dəliklərin ölçülərini ayırd edə və hadisənin mənbəyində nə qədər yüksək olduğunu təyin edə bilərik. Həqiqətən LIGO-nun aşkar olunan zəif vibrasiyalarla nə qədər güclü olduğunu müqayisə etmək bizə bunun nə qədər uzaqlaşdığını izah edir. Standart teleskopların müşahidələri ilə birlikdə, dalğaların bizə çatdığı müddətdə məkanın necə genişləndiyini və kosmosa bir qədər qaranlıq enerjinin təsirini təmin edə bilərik.

Bu tədbir indiyə qədər istifadə etdiyimiz hər şeydən daha güclü və etibarlı olmalıdır. Loeb deyir ki, yalnız bir neçə qara dəlik birləşməsini təyin etmək hər şeyi dəyişdirəcəkdir. & # 8220Onlara sahibsən, kosmologiyada yeni bir qol olacaq. & # 8221

Digər tədqiqatçılar, Einstein & # 8217s ümumi nisbilik nəzəriyyəsini daha sərt testlərə qoymaq üçün cazibə dalğa siqnallarından istifadə etməyi ümid edirlər. Bunun bir yolu, ekvivalentlik prinsipi, cazibə qüvvəsinin bütün kütlələri eyni şəkildə təsir edəcəyi fərziyyəsidir. & # 8220 GPS və kosmik səyahət əsrində, güman edilən cazibə nəzəriyyəsindən bir neçə dəqiqəlik sapmaların da böyük nəticələrə səbəb ola biləcəyi çox böyük əhəmiyyətə sahibdir & # 8221, Çinin Nanjing şəhərindəki Purple Mountain Rəsədxanasından Xue-Feng Wu deyir.

Oxford Universitetinin astronomu olan Erminia Calabrese, cazibə dalğalarının cazibə qüvvəsinin nisbiliyin böyük məsafələrdə proqnozlaşdırdığı kimi davranıb-etməməsini yoxlamaq üçün bir yol olaraq görür. & # 8220Gücləri məsafədən təəccüblü bir şəkildə düşsə, bunu yaxınlaşan LIGO məlumatları ilə aşkar edə bilərik & # 8221 deyir.


Mündəricat

Adi cazibə dalğalarının frekansları çox aşağı və aşkarlanması daha çətindir, daha yüksək tezliklər isə daha dramatik hadisələrdə meydana gəlir və beləliklə müşahidə olunan ilk hala gəldi.

Qara dəliklərin birləşməsinə əlavə olaraq ikili neytron ulduz birləşməsi də aşkar edilmişdir: 2017-ci il 17 avqust 12:41:06 UTC-də fırlanan Fermi gamma-ray partlayış monitoru tərəfindən bir qamma şüası (GRB) aşkar edildi. dünya miqyasında avtomatik bir bildiriş. Altı dəqiqə sonra bir qravitasiya dalğası rəsədxanası olan Hanford LIGO-da bir detektor, qamma şüalarının partlamasından 2 saniyə əvvəl meydana gələn bir qravitasiya dalğası namizədini qeyd etdi. Bu müşahidələr toplusu ikili neytron ulduz birləşməsi ilə uyğundur [7], cazibə dalğası və elektromaqnit (qamma-şüalanma, optik və infraqırmızı) -spektrum nişanələri ilə siqnal verilən çox mesajlı keçici hadisə.

Yüksək tezlikli redaktə edin

2015-ci ildə LIGO layihəsi lazer interferometrləri istifadə edərək birbaşa cazibə dalğalarını müşahidə edən ilk layihə idi. [8] [9] LIGO dedektorları, ümumi nisbi proqnozlarla uyğun gələn iki ulduz kütləsindəki qara dəliklərin birləşməsindən qravitasiya dalğalarını müşahidə etdilər. [10] [11] [12] Bu müşahidələr ikili ulduz-kütləli qara dəlik sistemlərinin mövcudluğunu nümayiş etdirdi və cazibə dalğalarının ilk birbaşa aşkarlanması və ikili qara dəliyin birləşməsinin ilk müşahidəsi idi. [13] Bu qaranlıq, qaranlıq maddə və böyük partlayış axtarışlarında və araşdırmalarında irəliləmək üçün cazibə dalğa astronomiyasından istifadə etmə qabiliyyətimizin doğruluğuna görə elm üçün inqilabi xarakter daşıyırdı.

Cazibə dalğalarını müşahidə etmək üçün bir neçə cari elmi əməkdaşlıq mövcuddur. Dünya miqyasında yerüstü detektorlar şəbəkəsi mövcuddur, bunlar aşağıdakılardır: Lazer İnterferometri Qravitasiya-Dalğa Rəsədxanası (LIGO), MIT, Caltech və LIGO Elmi Əməkdaşlığı alimlərinin Livingston'dakı detektorlarla birgə layihəsi. , Louisiana və Hanford, Washington Virgo, Avropa Qravitasiya Rəsədxanasında, Cascina, İtaliyanın Sarstedt şəhərində GEO600 və Kamioka Rəsədxanasında Tokyo Universiteti tərəfindən idarə olunan Kamioka Qravitasiya Dalğa Dedektoru (KAGRA). LIGO və Qız hazırda inkişaf etmiş konfiqurasiyalarına yüksəldilir. Advanced LIGO, hələ dizayn həssaslığına çatmasa da, cazibə dalğalarını aşkar edərək 2015-ci ildə müşahidələrə başladı. Daha inkişaf etmiş KAGRA müşahidəyə 25 Fevral 2020-ci ildə başlamışdır. GEO600 hazırda fəaliyyət göstərir, lakin həssaslığı müşahidənin aparılmasının əsas məqsədinin sınaq texnologiyası olması ehtimalını azaldır.

Aşağı tezlikli redaktə edin

Alternativ bir müşahidə vasitəsi pulsar zamanlama massivlərindən (PTA) istifadə olunur. Üç konsorsium var: Avropa Pulsar Zamanlama Array (EPTA), Şimali Amerika Nanohertz Qravitasiya Dalğaları Rəsədxanası (NANOGrav) və Beynəlxalq Pulsar Zamanlama Array kimi əməkdaşlıq edən Parkes Pulsar Zamanlama Array (PPTA). Bunlar mövcud radio teleskoplarından istifadə edir, lakin nanohertz diapazonundakı tezliklərə həssas olduqları üçün bir siqnalın aşkarlanması üçün uzun illərin müşahidəsi lazımdır və detektor həssaslığı tədricən yaxşılaşır. Mövcud sərhədlər astrofiziki mənbələr üçün gözlənilənlərə yaxınlaşır. [14]

Aralıq tezlikləri Redaktə edin

Gələcəkdə kosmosdan gələn detektorlar ehtimalı var. Avropa Kosmik Agentliyi, L34 missiyası üçün bir cazibə dalğa missiyası seçdi, 2034-cü ildə işə salınması səbəbiylə, mövcud konsepsiya inkişaf etmiş Lazer İnterferometre Uzay Antenasıdır (eLISA). [15] Həm də Yaponiyanın Deci-Hertz İnterferometr Qravitasiya dalğası Rəsədxanası (DECIGO) inkişaf edir.

Astronomiya ənənəvi olaraq elektromaqnit şüalanmaya əsaslanır. Görünən zolaqdan yaranan texnologiya inkişaf etdikcə elektromaqnit spektrinin radiodan qamma şüalarına qədər digər hissələrini müşahidə etmək mümkün oldu. Hər yeni tezlik diapazonu Kainata yeni bir baxış bəxş etdi və yeni kəşflərdən xəbər verdi. [16] 20-ci əsrdə yüksək enerjili, kütləvi, hissəciklərin dolayı və sonradan birbaşa ölçülməsi kosmosa əlavə bir pəncərə yaratdı. 20-ci əsrin sonlarında günəş neytrinosunun aşkarlanması, günəşin daxili işlənməsi kimi əvvəllər əlçatmaz hadisələrə dair bir fikir verən neytrino astronomiya sahəsini qurdu. [17] [18] Cazibə dalğalarının müşahidəsi astrofiziki müşahidələrin aparılması üçün başqa bir vasitədir.

Russell Hulse və Joseph Taylor 1993-cü ildə Fizika üzrə Nobel Mükafatına layiq görülmüşlər ki, onlardan biri pulsar olan bir cüt neytron ulduzunun orbital çürüməsinin cazibə şüalanmasının ümumi nisbi nisbətinin proqnozlarına uyğundur. [19] Daha sonra, bir çox digər ikili pulsar (bir cüt pulsar sistemi daxil olmaqla) müşahidə edildi, bunların hamısı cazibə dalğası proqnozlarına uyğundur. [20] 2017-ci ildə Fizika üzrə Nobel mükafatı, cazibə dalğalarının ilk aşkarlanmasında rollarına görə Rainer Weiss, Kip Thorne və Barry Barish-ə verildi. [21] [22] [23]

Cazibə dalğaları digər vasitələrlə təmin edilən məlumatları tamamlayır. Fərqli vasitələrdən istifadə edilərək tək bir hadisənin müşahidələrini birləşdirərək mənbənin xüsusiyyətləri haqqında daha dolğun bir anlayış əldə etmək mümkündür. Bu, çox mesajlı astronomiya kimi tanınır. Cazibə dalğaları, görünməyən (və ya aşkarlanması demək olar ki, mümkün olmayan) sistemləri başqa bir üsulla ölçmək üçün müşahidə etmək üçün də istifadə edilə bilər. Məsələn, qara dəliklərin xüsusiyyətlərini ölçmək üçün özünəməxsus bir metod təqdim edirlər.

Qravitasiya dalğaları bir çox sistem tərəfindən yayıla bilər, ancaq aşkar edilə bilən siqnallar yaratmaq üçün mənbə işıq sürətinin əhəmiyyətli bir hissəsində hərəkət edən son dərəcə nəhəng cisimlərdən ibarət olmalıdır. Əsas mənbə iki kompakt obyektin ikili sənədidir. Nümunə sistemlərə aşağıdakılar daxildir:

  • Ağ cırtdanlar, neytron ulduzları və ya qara dəliklər kimi bir-birinə yaxın olan iki ulduz kütləsi cisimdən ibarət kompakt ikili fayllar. Daha aşağı orbital tezliklərə malik olan daha geniş ikili fayllar, LISA kimi detektorlar üçün bir mənbəyidir. [24] [25] Daha yaxın ikili fayllar, LIGO kimi yerüstü detektorlar üçün bir siqnal yaradır. [26] Yerüstü detektorlar potensial olaraq bir neçə yüz günəş kütləsindən ibarət bir ara kütləvi qara dəlik olan ikili sənədləri aşkar edə bilər. [27] [28] kütlələri 10 5 –10 9 günəş kütləsi olan iki qara dəlikdən ibarət ikili. Qalaktikaların mərkəzində çox böyük qara dəliklərə rast gəlinir. Gökadalar birləşdikdə, mərkəzi supermassive qara dəliklərin də birləşməsi gözlənilir. [29] Bunlar potensial olaraq ən yüksək səs qravitasiya dalğa siqnallarıdır. Ən kütləvi ikili sənədlər PTA üçün bir mənbəyidir. [30] Daha az kütləvi ikili fayllar (təqribən bir milyon günəş kütləsi) LISA kimi kosmosdan gələn detektorlar üçün bir mənbəyidir. [31] supermassive qara dəlik ətrafında dövr edən bir ulduz kütləsi kompakt obyektin sistemləri. [32] Bunlar LISA kimi dedektorlar üçün mənbələrdir. [31] Yüksək eksantrik yörüngələrə sahib olan sistemlər, ən yaxın nöqtədən keçdikdə cazibə şüalanması partlayışını meydana gətirirlər [33], ilhamın sonuna doğru gözlənilən dairəvi dairəvi orbitləri olan sistemlər, LISA-nın tezlik zolağında fasiləsiz olaraq yayılır. [34] Həddindən artıq kütlə nisbətindəki ilhamlar bir çox orbitdə müşahidə edilə bilər. Bu, onları ümumi nisbi nisbətin dəqiq testlərinə imkan verən arxa fəza həndəsəsinin əla sondalarına çevirir. [35]

İkiliklərə əlavə olaraq digər potensial mənbələr də var:

    LIGO və ya Qız ilə aşkar edilə bilən yüksək tezlikli cazibə dalğaları partlayışları yaradın. [36]
  • Fırlanan neytron ulduzları, eksenel asimmetriyaya sahib olduqları təqdirdə davamlı yüksək tezlikli dalğaların mənbəyidir. [37] [38]
  • İnflyasiya və ya faza keçid kimi erkən kainat prosesləri. [39] mövcud olduqları təqdirdə cazibə şüalanmasını da yaya bilər. [40] Bu cazibə dalğalarının kəşfi kosmik simlərin mövcudluğunu təsdiqləyəcəkdir.

Cazibə dalğaları maddə ilə yalnız zəif qarşılıqlı təsir göstərir. Onların aşkarlanmasını çətinləşdirən budur. Bu da Kainat boyunca sərbəst səyahət edə bildikləri və elektromaqnit şüalanma kimi udulmadıqları və dağılmış olduqları mənasını verir. Bu səbəbdən də supernovaların və ya Galaktik Mərkəzin nüvələri kimi sıx sistemlərin mərkəzini görmək mümkündür. Erkən kainat rekombinasiyadan əvvəl işığa qeyri-şəffaf, lakin cazibə dalğaları üçün şəffaf olduğundan, elektromaqnit şüalanmaya nisbətən vaxtı daha da görmək mümkündür. [41]

Cazibə dalğalarının maddənin içərisində sərbəst hərəkət etməsi, eyni zamanda cazibə dalğa detektorlarının, teleskoplardan fərqli olaraq, tək bir görüş sahəsini müşahidə etməsi üçün deyil, bütün səmanı müşahidə etməsi deməkdir. Dedektorlar bəzi istiqamətlərdə digərlərindən daha həssasdır, bu da detektorlar şəbəkəsinin olmasının faydalı olmasının bir səbəbidir. [42] Dedektorların azlığı səbəbindən istiqamətləndirmə də zəifdir.

Kosmik inflyasiyada

Kainatın Böyük Partlayışdan sonrakı ilk 10-36 saniyə ərzində sürətlə genişləndiyi fərziyyəli bir dövr olan kosmik inflyasiya, CMB radiasiyasının qütbləşməsində xarakterik bir iz buraxacaq cazibə dalğalarına səbəb olardı. [43] [44]

Mikrodalğalı radiasiyadakı naxışların ölçmələrindən ilkin cazibə dalğalarının xüsusiyyətlərini hesablamaq və bu hesablamalardan istifadə edərək erkən kainat haqqında məlumat əldə etmək mümkündür. [ Necə? ]

Gənc bir araşdırma sahəsi olaraq, cazibə dalğa astronomiyası hələ inkişaf mərhələsindədir, lakin astrofizika cəmiyyətində bu sahənin 21-ci əsrin çox mesajlı astronomiyasının qurulmuş bir komponenti halına keçərək inkişaf edəcəyinə dair bir fikir var. [45]

Cazibə-dalğa müşahidələri elektromaqnit spektrindəki müşahidələri tamamlayır. [46] [45] Bu dalğalar elektromaqnit dalğalarının aşkarlanması və təhlili yolu ilə mümkün olmayan yollarla məlumat verəcəyini vəd edirlər. Elektromaqnit dalğaları mənbə haqqında məlumatların çıxarılmasını çətinləşdirən yollarla udula və yenidən şüalana bilər. Bununla birlikdə, cazibə dalğaları yalnız maddə ilə zəif qarşılıqlı olur, yəni dağılmır və mənimsənilmir. Bu, astronomların bir supernovanın mərkəzinə, ulduz dumanlıqlarına və hətta toqquşan qalaktik nüvələrə yeni baxış keçirməsinə imkan verməlidir.

Yerdəki detektorlar ilham fazası və iki ulduz kütləsi qara dəliklərin ikili sistemlərinin birləşməsi və iki neytron ulduzunun birləşməsi barədə yeni məlumatlar verdi. Nüvə çökmə supernovalarından və kiçik deformasiyalı pulsarlar kimi dövri mənbələrdən gələn siqnalları da aşkar edə bilirdilər. Çox erkən kainatdakı (10 - 25 saniyəlik kosmik zamanlarda) müəyyən faz keçidləri və ya uzun kosmik simlərdən bükülmə partlayışları barədə fərziyyələrin həqiqəti varsa, bunlar da aşkar edilə bilər. [47] LISA kimi kosmosa əsaslanan detektorlar iki ağ cırtdan və AM CVn ulduzlarından ibarət ikili sənədlər (ikili tərəfdaşından, az kütləli helium ulduzundan olan bir ağ cırtdan əmələ gətirən maddə) kimi obyektləri aşkar etməli və eyni zamanda birləşmələri müşahidə etməlidirlər. supermassive qara dəliklər və daha kiçik cisimlərin ilham mənbəyi (min ilə günəş kütləsi arasında) bu cür qara dəliklərə. LISA, eyni zamanda erkən kainatdakı mənbələri yerüstü detektorlar kimi, lakin daha aşağı tezliklərdə və çox yüksək həssaslıqla dinləyə bilməli idi. [48]

Yayılan qravitasiya dalğalarının aşkarlanması çətin bir işdir. Bura yerüstü detektor GEO600-da göstərildiyi kimi ən azı 2 · 10 −22 Hz −1/2 həssaslığı ilə kalibrlənmiş ultra sabit yüksək keyfiyyətli lazerlər və detektorlar daxildir. [49] Üstəlik, supernova partlamaları kimi böyük astronomik hadisələrdən belə, bu dalğaların atom diametri qədər kiçik titrəmələrə qədər azalma ehtimalı olduğu irəli sürülmüşdür. [50]


Kainatın ilk cazibə dalğalarını süzmək üçün bir üsul

MIT News ofisinin veb saytında yükləmək üçün şəkillər Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives lisenziyası əsasında qeyri-kommersiya qurumları, mətbuat və geniş ictimaiyyətə təqdim olunur. Təqdim olunan şəkilləri ölçüsünə görə kəsmək xaricində dəyişdirə bilməzsiniz. Şəkillər aşağıda göstərilmədiyi təqdirdə görüntülər çoxaldılarkən kredit xəttindən istifadə edilməli, şəkillər "MIT" -ə yazılmalıdır.

Əvvəlki şəkil Növbəti şəkil

Böyük partlayışı dərhal izləyən anlarda ilk cazibə dalğaları səsləndi. İlk maddənin yeni şorbasındakı kvant dalğalanmalarının məhsulu, yer-zaman toxumasından keçən ilk dalğalar, kainatı partlayışlı şəkildə genişləndirməyə sürükləyən inflyasiya prosesləri ilə sürətlə gücləndirildi.

Təxminən 13,8 milyard il əvvəl yaranan ilkin cazibə dalğaları bu gün də kainatda əks-səda verir. Fəqət, toqquşan qara dəliklər və neytron ulduzları kimi son hadisələrin yaratdığı cazibə dalğalarının cırıltısı onları boğur.

İndi bir MIT aspirantının rəhbərlik etdiyi bir qrup, cazibə dalğası məlumatlarından ibtidai dalğaların çox zəif siqnallarını sındırmaq üçün bir metod hazırladı. Onların nəticələri bu həftə nəşr olunur Fiziki Baxış Məktubları.

Qravitasiya dalğaları LIGO və digər cazibə dalğa detektorları tərəfindən demək olar ki, hər gün aşkarlanır, lakin ilkin cazibə siqnalları bu dedektorların qeyd edə biləcəyindən daha çox dərəcədə zəifləyir. Növbəti nəsil detektorların bu ilk dalğaları alacaq qədər həssas olacağı gözlənilir.

Növbəti on ildə daha həssas alətlər onlayn gəldikdə, kainatın ilk cazibə dalğalarının gizli siqnallarını qazmaq üçün yeni metod tətbiq oluna bilər. Bu ilkin dalğaların nümunəsi və xüsusiyyətləri daha sonra inflyasiyanı şərtləndirən şərtlər kimi ilk kainatla bağlı ipuçlarını ortaya qoya bilər.

“Əgər ilkin siqnalın gücü yeni nəsil dedektorların aşkar edə biləcəyi şeylər daxilindədirsə, bu ola bilər, bu şəkildə istifadə etdiyimiz metodu istifadə edərək az və ya çox dərəcədə krankı çevirmək məsələsi olardı. MIT-in Kavli Astrofizika və Kosmik Tədqiqatlar İnstitutunun aspirantı Sylvia Biscoveanu deyir. "Bu ilkin cazibə dalğaları daha sonra araşdırmaq mümkün olmayan ilkin kainatdakı proseslər haqqında bizə məlumat verə bilər."

Biscoveanunun həmmüəllifləri Caltechdən Colm Talbot və Monash Universitetindən Eric Thrane və Rory Smithdir.

Bir konsert zümzüməsi

İlkin cazibə dalğaları ovu, əsasən Big Bang-dən qalan radiasiya olduğu düşünülən kosmik mikrodalğalı fonda və ya CMB-də cəmləşdi. Bu gün bu radiasiya kainatı elektromaqnit spektrinin mikrodalğalı zolağında ən çox görünən enerji kimi yayır. Alimlər inanırlar ki, ilkin cazibə dalğaları dalğalandıqda QMİ-də incə qütbləşmə nümunəsinin bir növü olan B rejimi şəklində iz buraxdılar.

Fiziklər B rejimlərinin əlamətlərini axtardılar, ən məşhuru BICEP Array ilə, 2014-cü ildə elm adamlarının B-rejimlərini aşkarladıqlarına inanan BICEP2 daxil olmaqla bir sıra təcrübələr. Siqnalın qalaktik toz səbəbi olduğu ortaya çıxdı.

Alimlər QMİ-də ilkin cazibə dalğalarını axtarmağa davam edərkən, digərləri birbaşa cazibə dalğa məlumatlarında dalğaları ovlayırlar. Ümumi fikir “astrofizik ön plan” ı - qara dəliklər, neytron ulduzları və partlayan fövqəlnovyalar kimi astrofiziki mənbədən yaranan hər hansı bir cazibə dalğa siqnalını sınamaq və çıxarmaq idi. Yalnız bu astrofiziki ön planı çıxardıqdan sonra fiziklər ilkin dalğaları ehtiva edə biləcək daha sakit, qeyri-fiziki siqnalların qiymətləndirməsini əldə edə bilərlər.

Biscoveanu, bu metodların probleminin astrofizik ön planda, məsələn uzaqlaşma birləşmələrindən daha zəif siqnalları ehtiva etdiyini, onları ayırd etmək üçün son dərəcə zəif və son çıxarma zamanı qiymətləndirmək çətin olduğunu söyləyir.

"Bənzətmək istədiyim bənzətmə, əgər bir rok konsertindəsən, ilkin fon səhnədəki işıqların zümzüməsinə bənzəyir və astrofiziki ön plan ətrafdakı insanların bütün danışıqlarına bənzəyir" Biscoveanu izah edir. . “Fərdi danışıqları müəyyən bir məsafəyə qədər çıxara bilərsiniz, ancaq həqiqətən uzaqda və ya zəif olanlar hələ də davam edir, ancaq onları ayırd edə bilməzsiniz. Səhnə fənərlərinin nə qədər yüksək səslə zümzümə etdiyini ölçməyə gedəndə bu çirklənməni bu əlavə söhbətlərdən alacaqsınız, çünki onları əslinə sataşdıra bilməzsiniz. ”

İlkin bir inyeksiya

Tədqiqatçılar yeni yanaşmaları üçün astrofiziki ön planın daha açıq “söhbətlərini” təsvir etmək üçün bir modelə istinad etdilər. Model, müxtəlif kütlələr və spinlərin astrofiziki cisimlərinin birləşməsi nəticəsində yaranacaq cazibə dalğa siqnallarının modelini proqnozlaşdırır. Komanda bu modeldən cazibə dalğa nümunələrinin, həm də qara deşiklərin birləşməsi kimi həm güclü, həm də zəif astrofiziki mənbələrin süni məlumatlarını yaratmaq üçün istifadə etdi.

Komanda daha sonra bu simulyasiya edilmiş məlumatlarda gizlənən hər bir astrofizik siqnalı xarakterizə etməyə çalışdı, məsələn, ikili qara dəliklərin kütlələrini və fırlanmalarını təyin etdi. Olduğu kimi, bu parametrləri daha yüksək siqnallar üçün müəyyənləşdirmək daha asandır və ən yumşaq siqnallar üçün yalnız zəif məhduddur. Əvvəlki metodlar məlumatları çıxarmaq üçün hər bir siqnalın parametrləri üçün yalnız “ən yaxşı təxmin” istifadə edərkən, yeni metod hər bir model xarakteristikasındakı qeyri-müəyyənliyi hesablayır və beləliklə ən zəif siqnalların mövcudluğunu ayırd edə bilər. , yaxşı xarakterizə olunmasa da. Biscoveanu, qeyri-müəyyənliyi ölçmək qabiliyyətinin tədqiqatçılara ilkin fonları ölçməkdə hər hansı bir qərəzdən qaçınmalarına kömək etdiyini söyləyir.

Qravitasiya dalğası məlumatlarında bu cür fərqli, təsadüfi olmayan nümunələri müəyyən etdikdən sonra, hər bir detektora xas olan daha təsadüfi ilkin cazibə dalğa siqnalları və instrumental səs-küy qaldı.

İlkin cazibə dalğalarının, kainatı diffuz, davamlı bir zümzümə kimi nüfuz etdiyinə inanılır və tədqiqatçıların hər iki detektorda eyni görünməsi və bununla əlaqəli olması lazım olduğunu fərziyyə etmişdir.

Əksinə, bir detektorda alınan təsadüfi səs-küyün qalan hissəsi bu dedektora xas olmalıdır və digər dedektorlarla əlaqəsiz olmalıdır. Məsələn, yaxınlıqdakı trafikdən yaranan səs-küy müəyyən bir detektorun yerləşməsindən asılı olaraq fərqli olmalıdır. Modeldən asılı astrofiziki mənbələri uçota aldıqdan sonra iki detektordakı məlumatları müqayisə edərək, ilkin fonun parametrləri ələ salına bilər.

Tədqiqatçılar yeni metodu ilk olaraq 400 saniyəlik cazibə dalğa məlumatlarını simulyasiya edərək, qara dəliklərin birləşməsi kimi astrofiziki mənbələri təmsil edən dalğa nümunələri ilə səpələdilər. Məlumatlar boyunca ilkin bir cazibə dalğasının davamlı zümzüməsinə bənzər bir siqnal da vurdular.

Daha sonra bu məlumatları dörd saniyəlik hissələrə böldülər və hər bir qara deşik birləşməsini və enjekte etdikləri dalğanın naxışlarını dəqiq bir şəkildə müəyyən edə biləcəklərini yoxlamaq üçün metodlarını hər seqmentə tətbiq etdilər. Verilənlərin hər seqmentini bir çox simulyasiya zəminində təhlil etdikdən və müxtəlif ilkin şərtlər altında, basdırılmış, ilkin fonu çıxarmaqda müvəffəq oldular.

Biscoveanu, "Həm ön plana, həm də arxa plana uyğunlaşmağı bacardıq, beləliklə aldığımız arxa plan siqnalının qalıq ön plandan çirklənmədiyini" söyləyir.

Ümid edir ki, yeni nəsil detektorlar daha həssas, yeni işə düşdükdə, yeni metod iki fərqli detektordan alınan məlumatları qarşılıqlı əlaqələndirmək və təhlil etmək, ilkin siqnalı süzmək üçün istifadə edilə bilər. Sonra elm adamları, ilk kainatın şərtlərinə nəzər yetirə biləcək faydalı bir mövzuya sahib ola bilərlər.


İlk Qara Deliklər və Kainatın Mənşəyi

SciTech Daily xəbər verir ki, eksperimental cihaz birləşmə prosesində buraxdıqları cazibə dalğaları arasındakı kiçik qara dəlikləri aşkar edə və tuta bilər.

Kiçik miqyaslı qara delikləri aşkar edən cazibə dalğa antenası xarici maqnit sahəsi ilə birləşdirilmiş metal boşluğundan ibarətdir. Qravitasiya dalğası maqnit sahəsindən keçəndə cihaz boşluğunda elektromaqnit dalğaları əmələ gətirdi. Bütün bu proses, cazibə dalğasının boşluğu itələməsinə və bir səs səsi ilə müqayisə edilə bilən səs dalğası əvəzinə əks-səda doğuran mikrodalğalar yaymasına imkan verir.

Cihaz bir neçə metrə qədər tərəzi çəkir, lakin ilkin qara dəliklərin birləşdirilməsini təmin etmək üçün kifayətdir. Dünyadan milyonlarla işıq ili məsafədə yerləşən qara dəliyin daha kiçik versiyalarının aşkarlanması KAGRA, LIGO və Qız bürcü də daxil olmaqla, mövcud olan dedektorlardan fərqli olaraq daha böyük ölçüdə daha təsirli və yığcamdır.

Cihaz üçün patentləşdirilmiş fikir indi inkişaf etmiş nəzəri modelləşdirmə mərhələsindədir. EurekAlert xəbər verir ki, hələ tamamlanmasa da, cihazın lazımlı avadanlıqları prototip istehsalından keçdikcə daha konkret bir mərhələ üçün lazım olan əlavə tədqiqatlarla birlikdə hazırdır.

Cihaz tamamlandıqdan sonra, Böyük Partlayış əsnasında ilkin qara dəliklərin buraxdığı cazibə dalğalarının aşkarlanması yolu ilə kainatımızın mənşəyinə dair əsaslı araşdırmalara bir qapı olacaqdır.

Science Times-da Space haqqında daha çox xəbərə və məlumata baxın.


Big Bang üçün böyük bir təkan

T ime, sonsuz kiçik bir nöqtənin şəklini sadə bir başlıq ilə təsvir etmək olardı: & # 8220Kainat, həqiqi ölçüsü. & Bu artıq birmənalı deyil; və yekdilliklə nəyin qəbul edildiyini qəbul etdi. dəyişdirilən hər şey, 13,8 milyard il əvvəl meydana gələn Big Bang olaraq bilinən ilkin bir partlayış idi. İndi tək bir müşahidədə kainatın necə başladığı barədə qalan bir neçə elmi nəzəriyyəni ortadan qaldıraraq Böyük Partlayışı məğlub etdi. Bazarlıqda, nəhayət, cazibə dalğaları və inflyasiya kainatı kimi tanınanların varlığını təsdiqlədi.

Qravitasiya dalğaları ilk dəfə 99 il əvvəl bütün kosmik vaxtı əyri və trambolinin düşmüş boulinq topu ilə tərpənə biləcəyini bilən bir növ kosmik parça kimi təsəvvür edən Albert Einstein tərəfindən təsvir edilmişdir. Zərif bir nəzəriyyə idi, amma keçmiş əsrdə heç kim bunu sübut edə bilmədi. İnflyasiya kainatı 1980-ci illərdə Böyük Partlayışdan sonra saniyənin dördüncü milyardıncı trilyondan birinin ilk milyardda bir hissəsində kainatın bu qədər sürətlə genişləndiyini, işığın sürətini aşdığını hesablayan fiziklər tərəfindən nəzəriyyə edilmişdir.

Doğru kıkırdama növü görülə bilsəydi, həm cazibə dalğalarını, həm də inflyasiya kainatını sübut edər və bu müddətdə Böyük Partlayışa dəstək olardı. Bu, Harvard-Smithsonian Astrofizika Mərkəzindən astrofizik John Kovacın rəhbərlik etdiyi tədqiqatçılar qrupu tərəfindən aparılan müşahidənin dəqiqliyi.

& # 8220Çağrını aldığımda bunun həqiqi olub olmadığını soruşmalı idim, & # 8221, Kovac qrupuna daxil olmayan Johns Hopkins Universitetinin nəzəriyyəçisi Marc Kamionkowski deyir. Harvard astronomiya kafedrasının sədri və tədqiqata cəlb olunmayan Avi Loeb, kəşfin davam edəcəyi təqdirdə bir Nobelə dəyər verəcəyinə inanır. & # 8221

Kovac və həmkarları kükrəməni görmədilər. Bunun əvəzinə, Kosmik Qeyri-Qalaktik Qütbləşmə 2-nin və ya Cənubi Qütbdəki BICEP2 aləti fonunda gördükləri şey, kosmosu bürümüş mikrodalğalı şüalanmada bir təhrif idi. Bu zərərsiz görünür, amma bir gölməçədə dalğalar görmək kimi bir şey var; və bu xüsusi dalğalar, Böyük Partlayış tərəfindən hərəkətə gətirilən cazibə dalğaları (çek) meydana gətirən inflyasiya kainatından (çek) gəldikləri qədər güclü idi. (yoxlayın).

Əsər hələ də digər tədqiqatçılar tərəfindən təkrarlanmalıdır, bu da hər zaman elmlə və xüsusən də bu böyüklükdə olan elmlə əlaqəlidir. Ancaq bu doğrulama tez gəlməlidir. Princeton, Berkeley, Minnesota Universiteti və digər yerlərdəki kosmoloqlar onsuz da bənzər işlər görürdülər və indi də kəşfi təkbaşına aparmağın əksinə olaraq Harvard-Smithsonian tapıntılarını təsdiqləməyə çalışaraq orada qalmağı planlaşdırırlar.

Whether it’s correct or incorrect “will be known very quickly,” says Kamionkowski. When it is known–and when the findings are likely confirmed–the world will not change in the same way it did when smallpox was eradicated or the airplane was invented. But the universe–the entire 13.8 billion-year-old universe–will all at once become a more rational and fathomable place. Not a bad haul for a single observation.


A telescope at the south pole, called Bicep (Background Imaging of cosmic Extragalactic Polarisation), has been searching for evidence of gravitational waves by detecting a subtle property of the cosmic microwave background radiation. This radiation was produced in the big bang. It was originally discovered by American scientists in 1964 using a radio telescope and has been called the "echo" of the big bang. Bicep has measured the large-scale polarisation of this microwave radiation. Only primordial gravitational waves can imprint such a pattern, and only then if they have been amplified by inflation.

The big bang was originally hypothesised by Belgian priest and physicist Georges Lemaître. He called it "the day without yesterday" because it was the moment when time and space began.

But the big bang does not fit all astronomers' observations. The distribution of matter across space is too uniform to have come from the big bang as originally conceived. So in the 1970s, cosmologists postulated a sudden enlargement of the universe, called inflation, that occurred in the first minuscule fraction of a second after the big bang. But confirming the idea has proved difficult. Only inflation can amplify the primordial gravitational wave signal enough to make it detectable. If primordial gravitational waves have been seen, it means that inflation must have taken place.


New technique could uncover gravitational echoes of the Big Bang

Researchers can now sift through the astrophysical noise to see the conditions of the early Universe.

Published: 10th December, 2020 at 15:52

First detected in 2015, gravitational waves have helped scientists understand the development of our Universe from the Big Bang onwards. Gravitational waves are oscillations in spacetime which move like a ripple in water when you skim a stone – if you could skim a stone at the speed of light.

Now researchers at MIT have created a technique which could help detect the fainter signals thought to represent the Universe’s earliest gravitational waves, created only moments after the Big Bang.

While the ripples from more recent history are detected daily, the primordial waves are too faint for current detectors to pick up. Interpreting these early ripples will help us piece together the beginning of the Universe, improving our understanding of the Big Bang.

“These primordial gravitational waves can then tell us about processes in the early Universe that are otherwise impossible to probe,” said Sylvia Biscoveanu, the graduate student who led this development.

Currently, these faint signals are hidden beneath the noise of the “astrophysical foreground” which includes noisy events like colliding black holes and neutron stars from later in the Universe’s history. To uncover the hidden hum of these signals, previous methods have attempted to subtract the drowning noise of more recent signals, but Biscoveanu recognised they were limited by crude estimations of the foreground noise.

Read more about gravitational waves:

“The analogy I like to make is, if you’re at a rock concert, the primordial background is like the hum of the lights on stage, and the astrophysical foreground is like all the conversations of all the people around you,” Biscoveanu said.

“You can subtract out the individual conversations up to a certain distance, but then the ones that are really far away or really faint are still happening, but you can’t distinguish them. When you go to measure how loud the stagelights are humming, you’ll get this contamination from these extra conversations that you can’t get rid of because you can’t actually tease them out.”

Biscoveanu’s team at MIT created models which simulate these ‘conversations’ and predict their weaker gravitational wave signals. They quantified the uncertainty in their measurements and included this in the characterisation of each pattern. When testing their simulation, they were able to distinguish between the foreground and the softer echo of early gravitational waves.

Improvements made on current detectors will increase their sensitivity to hopefully detect these further-off waves. Biscoveanu says she hopes these will be used alongside this new technique to tease out the details of early gravitational waves and colour our understanding of the Universe’s early stages.

Reader Q&A: What would happen if a very strong gravitational wave passed through us?

Asked by: Thomas S Marcotte, USA

Gravitational waves spread out from any violent event involving matter – such as, say, the collision of two black holes. Like gravity, however, they’re incredibly weak, so you’d have to be extremely close to their source in order to feel their effects.

It would definitely feel weird, as they’d create a rhythmic stretching and squashing sensation on the body. But you’d have to be so close to the cataclysm itself that you’d never live to describe it.


The Search for Gravitational Waves

Think of it as a low hum,  a rumble too deep to notice without special equipment. It permeates everything—from the emptiest spot in space to the densest cores of planets. Unlike sound, which requires air or some other material to carry it, this hum travels on the structure of space-time itself. It is the tremble caused by gravitational radiation, left over from the first moments after the Big Bang.

Gravitational waves were predicted in Albert Einstein’s 1916 theory of general relativity. Einstein postulated that the gravity of massive objects would bend or warp space-time and that their movements would send ripples through it, just as a ship moving through water creates a wake. Later observations supported his conception.

The imprint of this type of radiation on the oldest light in the universe—the cosmic microwave background (CMB)—is one prediction of inflation theory, which was first proposed in 1979. That theory states that the universe, originally chaotic quantum noise made of unstable particles and space-time turbulence, expanded at an unimaginable rate, creating these gravitational waves, smoothing out the chaos, and leaving the orderly cosmos we see today.

“Gravitational waves allow us to see all the way back to the start to the universe,” says Katherine Dooley, a postdoctoral researcher at the California Institute of Technology in Pasadena. “The early universe was too dense such that standard electromagnetic waves”—light—“would get scattered off of all the material, and could not travel to us today.” Observing these gravitational waves might confirm what we know about general relativity, or they might give us new insight into the nature of the universe, like whether the Big Bang was the beginning of all time, or if another universe preceded ours. The story of the universe’s origin is best told through this primordial rumble…if we can figure out how to detect it. A few gravitational wave observatories have been built—none has yet detected a wave—and more are planned over the next few decades. It’s an exciting time for astronomers, who may soon have real evidence on which to ground this new branch of one of the oldest scientific disciplines.

A team in Germany stands in front of LISA Pathfinder, a test mission scheduled to launch this year. (ESA) When gravitational waves pass through a tunnel-like observatory, they should change the distance between mirrors at the tunnel’s opposite ends. (Enrico Sacchetti) A ski-equipped LC-130 passes observatories in Antarctica, such as BICEP2 (center), looking at the first light from the universe. (Steffen Richter/Harvard) The Einstein Telescope (artist rendering) is a proposal for a gravitational wave observatory that will be 10 times more sensitive than the current U.S. observatories. (CERN) A 2.5-mile arm stretches out from the gravitational-wave observatory in Washington state. (LIGO Hanford Observatory) How gravitational waves might emanate from a white dwarf binary. (Sterl Phinney/CalTech) At LIGO’s second facility, in Louisiana, engineers inspect the tunnels. (LIGO Livingston Observatory)

Practically every action makes gravitational waves—you can create them by waving your arms—but it takes serious astronomical doings to generate anything powerful enough to be detected. Earth orbiting the sun produces them, but they are low energy (which is good for the long-term stability of our solar system) two pulsars, the ultra-compact remnants of massive stars, locked in binary orbit produce far more substantial waves. As those bodies sweep around each other, they compress and expand the structure of space-time itself, creating a disturbance that travels out at the speed of light.

Gravitational waves from binaries like this are regular, like a pure note from a single string of an instrument. In principle we could trace such a signal back to its source, though, as with sound, triangulation is less precise than for light. Primordial radiation, on the other hand, comes from every place at once, since it was produced everywhere, when the universe was much smaller, and traveled in all directions from where it was created. The ultimate sources were tiny fluctuations in the quantum chaos that was the cosmos right after the Big Bang the gravitational ripples created by the fluctuations stretched out when the universe expanded rapidly into large, solar system-spanning waves.

In the pipe organ that is the gravitational-wave universe, inflation would be the longest, largest pipes, producing sounds so low-pitched they are felt rather than heard. Binary pulsars would lie toward the middle register, and violent catastrophes like supernovas or cosmic collisions would be the short, piccolo pipes. “Hearing” each type of wave requires equipment tuned to the appropriate register.

The principle of detection is simple: As gravitational waves pass by, they massage matter, squeezing and stretching it along the waves’ crests and troughs. The effect of the wave is recorded as its “strain” on the detector, though that strain is tiny by everyday standards. So far, nobody has detected gravitational waves directly, though indirect detections abound. The most famous is the Hulse-Taylor binary pulsar, named for the two researchers who discovered it 40 years ago. Russell Hulse and Joseph Taylor earned a Nobel Prize in physics for their observation that the two pulsars were orbiting closer and closer together, and the energy leaving the system as the orbit decayed was the same as what the general theory of relativity predicted would be lost due to gravitational waves.  Since then, other astronomers identified even stronger gravitational wave sources, including a pair of white dwarfs—the last life stage of stars less massive than the sun—which take just 12 minutes to orbit each other.

But this indirect detection isn’t satisfying: Astronomers want to detect the waves themselves. “As with all new windows you open on the universe, there’s going to be things we’re going to find [with gravitational waves] and we have no idea what the hell they are,” says Matt Benacquista of the University of Texas at Brownsville. Historically, every new type of astronomical observation, from radio waves to gamma rays, has led to unexpected discoveries, and gravitational waves are likely to be no different. “That in many ways is the most exciting part about doing this,” says Benacquista.

Yet for a number of reasons, the problem of direct detection is vexing. Like sound, gravitational waves are comparable in size to whatever produces them. Large systems, like big black holes orbiting each other at the centers of galaxies, will make very-long-wavelength, low-frequency waves, which require suitably huge detectors. Even relatively small sources, such as a pair of pulsars very close to collision, require detectors measuring more than a mile across. If they exist, primordial gravitational waves from inflation would exist at a wide range of wavelengths, but only extremely long ones—those with a wavelength comparable in size to Earth’s orbit around the sun—would provide a large enough signal for astronomers to detect.

Technically we are bathed in the “sound” of gravitational radiation all the time, but the sound is faint and usually too low-pitched. Gravity is by far the weakest of the four fundamental forces of nature, and its influence grows smaller with distance, so when a gravitational wave—even a relatively powerful one—passes by, very little energy gets transferred. To make matters more difficult, since the effect on matter is to push it around, detectors on the ground must deal with interference by anything that could make them vibrate, from earthquakes to big trucks rumbling by.

So observatories must be large, sensitive to faint signals, and isolated as completely as possible from any stray vibrations. That’s a tall order, solved best by building multiple observatories or launching detectors into space. Scientists, being resourceful creatures, are doing both.

Katherine Dooley got hooked  on gravitational radiation research during a summer undergraduate fellowship at Caltech, which, with the Massachusetts Institute of Technology, operates the two Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories (LIGO) in the United States: one in Richland, Washington, and the other in Livingston, Louisiana. For her doctoral dissertation, she spent four years designing the apparatus in Livingston to be more sensitive through the use of more laser power. She moved to Hannover, Germany, to do her postdoc research at GEO600, a gravitational wave observatory that began operation in 2002. She’s now back working with LIGO, just in time for the inauguration of the upgrades she helped institute. 

With her experience in detector design, Dooley understands the challenge of gravitational wave observation better than most people. Ground-based observatories like LIGO and GEO600 are similar: powerful laser beams travel down two “arms,” at the ends of which the light strikes a mirror, which reflects it back to its source. When a gravitational wave passes by, the mirror should move, changing the distance the light travels ever so slightly. By running its two observatories simultaneously, LIGO can better eliminate local disturbances—when a gravitational wave passes through Earth, both observatories should feel it. The size of gravitational wave sources necessitates long arms: At the LIGO facilities the arms are four kilometers (two and a half miles) long GEO600’s are 600 meters (hence the name).

Benacquista is the kind of gravitational wave astrophysicist who prefers to take notes with a fountain pen. Like Dooley, he has worked with two observatory projects, one of which was LIGO, from 2006 to 2013, albeit from the theoretical side: He characterizes the sources of gravitational waves that detectors might see. In 1995, a summer research program at NASA’s Jet Propulsion Laboratory connected him with an exciting project just getting started, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). As the name suggests, LISA will be a space-based observatory designed to orbit the sun, made of three small spacecraft in a V-formation, each separated by a million kilometers. The basic operation is similar to LIGO: By measuring the distance between each spacecraft using laser light, researchers can detect a gravitational wave as it compresses or expands the space-time between the spacecraft.

Conceived as a joint project between NASA and the European Space Agency, LISA was originally projected to launch between 2012 and 2016. However, NASA withdrew participation in 2011, leaving the very expensive project entirely up to ESA. By cutting back on the ambition a bit, the project survived as European LISA, or eLISA, but now the launch date is 2034, which is far enough in the future to make any forecasts doubtful. 

“I’m still kind of pessimistic about LISA,” Benacquista says. He’s hopeful that when LIGO detects the signal from colliding neutron stars in the next five years or so, the LISA launch might get pushed up by a few years, but that still doesn’t place it in the next decade. “Hopefully I’ll still be alive!” he laughs ruefully.

On track, however, is the LISA demonstration mission slated to launch later this year. Called LISA Pathfinder, it will test the instrumentation and physical concepts the observatory will use: lasers and masses, which are, like the mirrors on LIGO, designed to move independently of the spacecraft. Additionally, the GRACE Follow-On (Gravitational Recovery And Climate Experiment) mission, targeted to launch in 2017, will observe tiny fluctuations in Earth’s gravitational field by measuring the distance between two independently flying spacecraft, just as LISA will do. The mission is a follow-up to the previous GRACE and GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory) probes, which performed the same duty for the moon in 2012. To gravitational wave researchers, the successes of these missions, coupled with the delays on LISA, are a simultaneous joy and frustration.

“Bicep2 is an experiment that aims  to do just one thing and do it well,” says Walt Ogburn, a cosmologist at Stanford University who spent the summer of 2009-2010 at the South Pole installing the telescope. That one thing BICEP2 was designed to do: measure the polarization of the cosmic microwave background. The CMB comes from a time when the universe cooled enough to become transparent, about 380,000 years after the Big Bang. Similar to the way polarizing sunglasses reduce glare by filtering light, various cosmological objects—big galaxies, cosmic dust molecules, and gravitational waves—filter the cosmic background radiation in interesting ways.

“Since these fluctuations [waves] are in space-time, they stretch or compress space—and particles—as they pass,” says Renée Hložek, a postdoc at Princeton University involved with the Atacama Cosmology Telescope polarization project, or ACTPol, in Chile, another experiment to measure the polarization of the CMB. The particles Hložek refers to include photons, the particles of light. Because gravitational waves squeeze space-time in one direction and stretch it in the other (something known as tensor modes), Hložek says, “the pattern of polarization induced from these gravitational waves is very specific.” Experiments like BICEP2 and ACTPol are trying to confirm inflation theory by discovering the primordial gravitational waves such rapid expansion would have created they are observing the light—the CMB—the waves should have polarized.

But while these observatories are very good at measuring polarization, they can’t tell us exactly what is causing it. In March 2014, researchers with BICEP2 announced they detected the polarization—evidence of gravitational waves—and thus confirmed inflation theory. Stanford University even released a moving video showing professor and BICEP2 researcher Chao-Lin Kuo bringing news of the experiment’s results to Andrei Linde, one of the most influential authors of inflation theory. Chao-Lin surprised Linde at his home with champagne to toast the “smoking gun” that proved Linde’s life’s work to be true. The excitement turned out to be premature. More ordinary phenomena—such as dust particles in the Milky Way—can polarize light in a similar way, and after follow-up study by the European Space Agency’s Planck spacecraft, the BICEP2 team revised its initial findings to say that it’s possible the entire signal was caused by cosmic dust.

A successor experiment, BICEP3, installed in Antarctica early this year, along with ACTPol and other studies, will help by adding more data, but gravitational wave signals might still hide from such detection. That brings us back to the question of direct detection. As Walt Ogburn points out, the Big Bang Observer would be able to settle the issue of inflation for good. A possible follow-up to LISA, the project as initially proposed would consist of 12 satellites in three groupings that would orbit around the sun. The vast scale would provide the ability to measure gravitational radiation with wavelengths comparable to the size of the solar system—what we would expect from inflation.

Not only could the Observer confirm results from polarization observatories, it also could discover things about the fundamental structure of the cosmos. As Ogburn points out, these early waves “also represent new physics at energies a trillion times higher than what we can reach at the [Large Hadron Collider].” They could even help settle one of the looming conundrums in modern physics: understanding the quantum mechanical properties of gravity.

Even though LIGO and GEO600 are remarkably sensitive instruments, they are simply too small to observe primordial gravitational waves. Their mission is elsewhere: detecting waves caused by colliding black holes, neutron stars, and other relatively compact objects that pack a lot of energy. And as large as LISA will be, its million-kilometer arms will still be too short for the largest gravitational waves. The Big Bang Observer is currently the best hope we have, and it is far in the future.

Like other gravitational wave researchers, Katherine Dooley and Matt Benacquista are philosophical about the lack of direct detections so far. Gravitational wave research is difficult, and the waves that would be easiest to detect because they’re the most common—those from binary pulsars and black holes—could be detected only by bigger detectors than we can build on Earth’s surface. 

For that reason, nobody in the field was really surprised when the first iterations of LIGO didn’t see anything. Each phase of LIGO was always intended to be a learning process, much as engineers build and test many rocket prototypes before settling on a design to launch valuable payloads aboard. The deepest concern now is “noise hunting,” says Dooley, identifying all the environmental and technical disturbances that could get in the way of being able to see a clear signal from a gravitational wave when one comes along. 

Advanced LIGO, the version with Dooley’s upgrades that began operation last February, has ten times the sensitivity of the original experiment. In practical terms, that means it can “hear” ten times as far, which represents a volume of the universe that is a thousand times greater. In that pocket of space, says Dooley, signals from colliding neutron stars “could be as infrequent as once a year or once every other year, or even as frequent as almost every day.” If Advanced LIGO detected one gravitational wave signal per month, that would be enough to keep researchers busy and happy for some time.

When astronomers finally detect gravitational waves, what doors to our understanding of the universe will open? Benacquista doesn’t mind not knowing in advance: “That’s one of the things I really like about astrophysics. It’s like a game where you’ve been told the conclusion to a story, and now you have to invent the story that got you to that point.” With every new field in astronomy, scientists discovered something unexpected: radio astronomy led to pulsars, X-ray astronomers found black holes, microwave antennas detected the cosmic microwave background. If this first generation of gravitational researchers at last hears the rumble of the first moments of the universe, they may find themselves, thrillingly, at the beginning again. 


Videoya baxın: Faciadan 30 yıl sonra Çernobil sokakları (Sentyabr 2021).