Gambar Arial LIGO. Klik untuk membesarkan.
Pada masa lalu, para astronom hanya dapat melihat langit dalam cahaya yang dapat dilihat, menggunakan mata mereka sebagai reseptor. Tetapi bagaimana jika anda mempunyai mata graviti? Einstein meramalkan bahawa objek dan kejadian paling ekstrem di Alam Semesta harus menghasilkan gelombang graviti, dan memutarbelitkan ruang di sekitarnya. Satu eksperimen baru yang disebut Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (atau LIGO) dapat membuat pengesanan pertama gelombang graviti ini.
Dengarkan temu ramah: Melihat dengan Mata Graviti (7.9 MB)
Atau melanggan Podcast: universetoday.com/audio.xml
Apa itu Podcast?
Fraser Cain: Baiklah, jadi apakah gelombang graviti?
Dr. Sam Waldman: Oleh itu, gelombang graviti dapat dijelaskan jika anda ingat bahawa jisim mengganggu masa. Oleh itu, jika anda mengingat analogi lembaran yang ditarik dengan bola boling dilemparkan ke tengah lembaran, membongkok lembaran; di mana bola boling adalah jisim dan lembaran mewakili jarak masa. Sekiranya anda menggerakkan bola boling itu dengan cepat, anda akan membuat riak di dalam lembaran. Perkara yang sama berlaku untuk massa di Alam Semesta kita. Sekiranya anda menggerakkan bintang berulang-alik dengan cepat, anda akan membuat riak dalam jangka masa. Dan riak-riak itu pada masa-masa dapat dilihat. Kami memanggil mereka gelombang graviti.
Fraser: Sekarang jika saya berjalan di sekitar bilik, apakah itu akan menyebabkan gelombang graviti?
Waldman: Baiklah. Sejauh yang kita ketahui, graviti berfungsi pada semua skala dan untuk semua jisim, tetapi jarak masa sangat kaku. Jadi sesuatu seperti 200 paun saya yang bergerak di pejabat saya tidak akan menyebabkan gelombang graviti. Apa yang diperlukan adalah objek yang sangat besar bergerak dengan sangat pantas. Oleh itu, ketika kita mengesan gelombang graviti, kita mencari objek skala massa suria. Khususnya, kami mencari bintang neutron, yang berada di antara 1.5 dan 3 jisim suria. Kami mencari lubang hitam, hingga beberapa ratus jisim solar. Dan kami melihat objek ini bergerak dengan sangat pantas. Oleh itu, apabila kita bercakap mengenai bintang neutron, kita bercakap mengenai bintang neutron yang bergerak dengan hampir laju cahaya. Sebenarnya, ia harus bergetar pada kecepatan cahaya, ia tidak boleh bergerak, ia harus bergegas berulang-alik dengan cepat. Oleh itu, mereka adalah sistem bencana yang sangat unik dan sangat besar yang kami cari.
Fraser: Gelombang graviti adalah teori semata-mata, bukan? Mereka diramalkan oleh Einstein, tetapi mereka belum pernah dilihat?
Waldman: Mereka tidak diperhatikan, mereka disimpulkan. Terdapat sistem pulsar yang frekuensi berputar turun pada kadar yang konsisten dengan pelepasan gelombang graviti. Itulah PSR 1913 + 16. Dan bahawa orbit bintang ini berubah. Itu adalah kesimpulan, tetapi tentu saja, itu bukan pemerhatian langsung terhadap gelombang graviti. Namun, sangat jelas bahawa mereka mesti ada. Sekiranya undang-undang Einstein ada, jika Relativiti Umum berfungsi, dan ia berfungsi dengan baik pada skala panjang yang sangat banyak, maka gelombang graviti juga ada. Mereka sangat sukar dilihat.
Fraser: Apa yang diperlukan untuk mengesannya? Kedengarannya seperti peristiwa yang sangat dahsyat. Lubang hitam besar dan bintang neutron bergerak, mengapa begitu sukar ditemui?
Waldman: Ada dua komponen untuk itu. Satu perkara ialah lubang hitam tidak bertembung sepanjang masa, dan bintang neutron tidak bergoyang di mana-mana tempat lama. Jadi jumlah kejadian yang boleh menyebabkan gelombang graviti yang dapat dilihat sebenarnya sangat kecil. Sekarang kita bercakap, misalnya, galaksi Bima Sakti dengan satu peristiwa yang berlaku setiap 30-50 tahun.
Tetapi bahagian lain dari persamaan itu ialah gelombang graviti itu sendiri sangat kecil. Oleh itu, mereka memperkenalkan apa yang kita sebut sebagai ketegangan; itu adalah perubahan panjang per unit panjang. Contohnya, jika saya mempunyai tolok ukur sepanjang satu meter, dan gelombang graviti akan memukul tolok itu semasa ia melaluinya. Tetapi tahap yang akan menghancurkan tolok ukurnya sangat kecil. Sekiranya saya mempunyai ukuran meter 1 meter, ia hanya akan menyebabkan perubahan 10e-21 meter. Jadi ini adalah perubahan yang sangat kecil. Sudah tentu, memerhatikan jarak 10e-21 meter adalah cabaran besar dalam memerhatikan gelombang graviti.
Fraser: Sekiranya anda mengukur panjang kayu ukur dengan tolok ukur yang lain, panjang kayu pengukur yang lain akan berubah. Saya dapat melihat bahawa sukar untuk dilakukan.
Waldman: Tepat, jadi anda mempunyai masalah. Cara kita menyelesaikan masalah tolok ukur adalah sebenarnya kita mempunyai 2 batang kayu, dan kita membentuknya menjadi L. Dan cara kita mengukurnya adalah dengan menggunakan laser. Dan cara kita mengatur tolok ukur kita sebenarnya adalah "L" sepanjang 4 km. Terdapat 2 lengan, masing-masing sepanjang 4 km. Dan di hujung setiap lengan terdapat jisim ujian kuarza 4 kg yang kami lancarkan laser. Dan ketika gelombang graviti melalui alat pengesan berbentuk "L" ini, ia meregangkan satu kaki sementara mengecilkan kaki yang lain. Dan ini dilakukan pada kadar 100 hertz, dalam frekuensi audio. Oleh itu, jika anda mendengar pergerakan massa ini, anda akan berdengung 100 hertz. Oleh itu, apa yang kami ukur dengan laser kami adalah perbezaan panjang lengan interferometer berbentuk "L" yang besar ini. Itulah sebabnya LIGO. Ia adalah Observatori Gelombang Laser Interferometer.
Fraser: Mari kita lihat jika saya memahami perkara ini dengan betul. Berbilion tahun yang lalu lubang hitam bertembung dengan yang lain dan menghasilkan gelombang gelombang graviti. Gelombang graviti ini melintasi Alam Semesta dan membasahi Bumi. Semasa mereka melintasi Bumi, mereka memanjangkan salah satu lengan ini dan mereka mengecilkan yang lain, dan anda dapat mengesan perubahan ini dengan laser yang memantul berulang-ulang.
Waldman: Betul. Tantangannya, tentu saja, bahawa perubahan panjang sangat kecil. Bagi interferometer 4km kami, perubahan panjang yang kami ukur sekarang adalah 10e-19 meter. Dan untuk meletakkan skala, diameter nukleus atom hanya 10e-15 meter. Jadi kepekaan kita adalah subatomik.
Fraser: Oleh itu, jenis peristiwa apa yang harus anda dapat mengesannya pada masa ini?
Waldman: Jadi itulah kawasan yang menarik. Analogi yang ingin kita gunakan adalah seperti melihat Alam Semesta dengan gelombang radio adalah melihat Alam Semesta dengan teleskop. Perkara yang anda lihat sama sekali berbeza. Anda sensitif terhadap rejim semesta yang sama sekali berbeza. Khususnya, LIGO peka terhadap peristiwa bencana ini. Kami mengelaskan acara kami kepada 4 kategori luas. Yang pertama yang kita panggil pecah, dan ia seperti lubang hitam yang terbentuk. Oleh itu, letupan supernova berlaku, dan begitu banyak jirim bergerak dengan begitu pantas sehingga membentuk lubang hitam, tetapi anda tidak tahu seperti apa gelombang graviti. Yang anda tahu ialah terdapat gelombang graviti. Jadi ini adalah perkara yang berlaku dengan sangat pantas. Mereka bertahan paling lama 100 milisaat, dan ia berlaku dari pembentukan lubang hitam.
Peristiwa lain yang kita perhatikan adalah ketika dua objek berada di orbit satu sama lain, katakan dua bintang neutron mengorbit satu sama lain. Akhirnya diameter orbit itu merosot. Bintang-bintang neutron akan bersatu, mereka akan saling jatuh dan membentuk lubang hitam. Dan untuk beberapa orbit terakhir, bintang-bintang neutron (ingatlah bahawa mereka adalah objek yang beratnya berukuran 1.5 hingga 3 jisim suria), bergerak pada pecahan cahaya yang besar; katakan 10%, 20% kelajuan cahaya. Dan gerakan itu adalah penjana gelombang graviti yang sangat cekap. Jadi itulah yang kami gunakan sebagai lilin standard kami. Itulah yang kami rasa ada; kita tahu mereka ada di luar sana, tetapi kita tidak pasti berapa banyak yang akan keluar pada satu-satu masa. Kami tidak pasti seperti apa bintang neutron dalam lingkaran seperti gelombang radio, atau sinar-x, dalam sinaran optik. Oleh itu, agak sukar untuk mengira dengan tepat seberapa kerap anda akan melihat satu pusingan atau supernova.
Fraser: Sekarang adakah anda dapat mengesan arah mereka?
Waldman: Kami mempunyai dua interferometer. Sebenarnya kita mempunyai dua laman web dan tiga interferometer. Satu interferometer berada di Livingston Louisiana, yang terletak di utara New Orleans. Dan interferometer kami yang lain berada di timur Washington. Kerana kita mempunyai dua interferometer, kita dapat melakukan triangulasi di langit. Tetapi masih ada beberapa ketidakpastian di mana sebenarnya sumbernya. Terdapat kolaborasi lain di dunia yang kami bekerjasama dengan erat di Jerman, Itali, dan Jepun, dan mereka juga mempunyai alat pengesan. Oleh itu, jika beberapa pengesan di beberapa laman web melihat gelombang graviti, maka kita dapat melakukan pekerjaan yang sangat baik dalam penyetempatan. Harapannya ialah kita melihat gelombang graviti dan kita tahu dari mana asalnya. Kami kemudian memberitahu rakan-rakan astronomi radio kami dan rakan astronomi sinar-x kami, dan rakan-rakan astronomi optik kami untuk melihat bahagian langit itu.
Fraser: Terdapat beberapa teleskop besar baru di kaki langit; sangat besar dan sangat besar, dan Magellan… teleskop besar turun dari paip dengan anggaran yang cukup besar untuk dibelanjakan. Katakan bahawa anda dapat mencari gelombang graviti dengan pasti, ia seperti menambah spektrum baru untuk pengesanan kami. Sekiranya anggaran besar dimasukkan ke dalam beberapa alat pengesan gelombang graviti ini, apa yang anda fikir dapat digunakan?
Waldman: Baiklah, seperti yang saya katakan sebelumnya, seperti revolusi dalam astronomi ketika teleskop radio pertama kali online. Kami melihat kelas fenomena yang berbeza secara asasnya. Saya harus mengatakan bahawa makmal LIGO adalah makmal yang cukup besar. Kami mempunyai lebih daripada 150 saintis yang bekerja, jadi ini adalah kerjasama yang besar. Dan kami berharap dapat bekerjasama dengan semua ahli astronomi optik dan radio semasa kami terus maju. Tetapi agak sukar untuk meramalkan jalan yang akan diambil oleh sains. Saya rasa jika anda bercakap dengan banyak relativis umum, ciri gelombang graviti yang paling menarik ialah kita melakukan sesuatu yang disebut Relativiti Umum Medan Kuat. Itu semua Relativiti Umum yang dapat anda ukur melihat bintang dan galaksi sangat lemah. Tidak banyak massa yang terlibat, ia tidak bergerak dengan sangat pantas. Ia berada pada jarak yang sangat jauh. Sedangkan, ketika kita berbicara mengenai perlanggaran lubang hitam dan bintang neutron, bit terakhir, ketika bintang neutron jatuh ke dalam lubang hitam, sangat ganas dan menyelidiki alam relativiti umum yang tidak begitu boleh diakses dengan teleskop biasa, dengan radio, dengan sinar-x. Oleh itu, harapannya adalah bahawa terdapat beberapa asas fizik baru dan menarik di sana. Saya rasa itulah yang memotivasi kami, anda boleh menyebutnya, menyeronokkan dengan Relativiti Umum.
Fraser: Dan bilakah anda berharap dapat melakukan pengesanan pertama anda.
Dr. Waldman: Jadi interferometer LIGO - ketiga interferometer - yang dikendalikan oleh LIGO semuanya berjalan pada tahap kepekaan reka bentuk, dan kami kini berada di tengah-tengah jangka masa S5 kami; larian sains kelima kami, yang dijalankan selama setahun. Yang kita lakukan selama setahun adalah mencari gelombang graviti. Seperti banyak perkara dalam astronomi, kebanyakannya adalah menunggu dan melihat. Sekiranya supernova tidak meletup, tentu kita tidak akan melihatnya Oleh itu, kita mesti berada dalam talian selama mungkin. Kebarangkalian untuk menyaksikan suatu peristiwa, seperti peristiwa supernova, dianggap berada di kawasan - berdasarkan kepekaan kita saat ini - dianggap bahawa kita akan melihatnya setiap 10-20 tahun. Terdapat pelbagai. Dalam kesusasteraan, ada orang yang menyatakan bahawa kita akan melihat banyak setiap tahun, dan kemudian ada orang yang menyatakan bahawa kita tidak akan melihat kepekaan kita. Dan jalan tengah konservatif 10 tahun sekali. Sebaliknya, kami meningkatkan alat pengesan sebaik sahaja jangka masa ini tamat. Dan kami meningkatkan kepekaan dengan faktor 2, yang akan meningkatkan kadar pengesanan kami dengan faktor 2 potong dadu. Kerana kepekaan adalah radius, dan kami mengesan kelantangan di ruang. Dengan faktor 8-10 dalam kadar pengesanan, kita semestinya akan melihat peristiwa sekali setiap tahun atau lebih. Dan selepas itu, kami meningkatkan kepada apa yang disebut Advanced LIGO, yang merupakan faktor peningkatan 10 kepekaan. Dalam kes ini, kita pasti akan melihat gelombang graviti setiap hari atau lebih; setiap 2-3 hari. Alat itu dirancang untuk menjadi alat yang sangat nyata. Kami mahu melakukan astronomi graviti; untuk melihat acara setiap beberapa hari. Seperti melancarkan satelit Swift. Sebaik sahaja Swift naik, kami mula melihat sinar gamma meletup sepanjang masa, dan Advanced LIGO akan serupa.
