Po trzyletniej przerwie naukowcy w USA właśnie włączyli detektory zdolne do pomiaru fal grawitacyjnych – maleńkich zmarszczek w samej przestrzeni, które przemieszczają się po wszechświecie.

W przeciwieństwie do fal świetlnych, falom grawitacyjnym prawie nie przeszkadzają galaktyki, gwiazdy, gaz i pył wypełniający wszechświat. Oznacza to, że mierząc fale grawitacyjne, astrofizycy tacy jak ja mogą zajrzeć bezpośrednio w serce niektórych z najbardziej spektakularnych zjawisk we wszechświecie.

Od 2020 r. Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych — powszechnie znane jako LIGO — pozostaje uśpione, podczas gdy przechodzi kilka ekscytujących ulepszeń. Te ulepszenia znacznie zwiększą czułość LIGO i powinny umożliwić obiektowi obserwację bardziej odległych obiektów, które wytwarzają mniejsze zmarszczki w czasoprzestrzeni.

Wykrywając więcej zdarzeń tworzących fale grawitacyjne, astronomowie będą mieli więcej okazji do obserwowania światła wytwarzanego przez te same zdarzenia. Obserwowanie zdarzenia za pośrednictwem wielu kanałów informacji, podejście zwane astronomią wieloprzesłankową, zapewnia astronomom rzadkie i pożądane możliwości poznania fizyki daleko wykraczającej poza sferę jakichkolwiek testów laboratoryjnych.

Fale w czasoprzestrzeni

Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina masa i energia zakrzywiają kształt przestrzeni i czasu. Zakrzywienie czasoprzestrzeni określa, w jaki sposób obiekty poruszają się względem siebie – co ludzie odczuwają jako grawitację.

Fale grawitacyjne powstają, gdy masywne obiekty, takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe, łączą się ze sobą, powodując nagłe, duże zmiany w przestrzeni. Proces wypaczania i wyginania przestrzeni powoduje falowanie we wszechświecie jak fala w nieruchomym stawie. Fale te przemieszczają się we wszystkich kierunkach z zakłócenia, minimalnie zakrzywiając przestrzeń i nieznacznie zmieniając odległość między obiektami na swojej drodze.

Chociaż zdarzenia astronomiczne, które wytwarzają fale grawitacyjne, obejmują niektóre z najbardziej masywnych obiektów we wszechświecie, rozciąganie i kurczenie się przestrzeni jest nieskończenie małe. Silna fala grawitacyjna przechodząca przez Drogę Mleczną może zmienić średnicę całej galaktyki tylko o trzy stopy (jeden metr).

Obserwacje pierwszej fali grawitacyjnej

Choć po raz pierwszy przewidział to Einstein w 1916 r., naukowcy tamtej epoki mieli niewielkie nadzieje na zmierzenie niewielkich zmian odległości postulowanych przez teorię fal grawitacyjnych.

Około roku 2000 naukowcy z Caltech, Massachusetts Institute of Technology i innych uniwersytetów na całym świecie zakończyli budowę najdokładniejszej linijki, jaką kiedykolwiek zbudowano — LIGO.

LIGO składa się z dwóch oddzielnych obserwatoriów, z których jedno znajduje się w Hanford w stanie Waszyngton, a drugie w Livingston w Luizjanie. Każde obserwatorium ma kształt gigantycznej litery L z dwoma ramionami o długości 2,5 mili (cztery kilometry) wystającymi ze środka obiektu pod kątem 90 stopni względem siebie.

Aby zmierzyć fale grawitacyjne, naukowcy świecą laserem od środka obiektu do podstawy litery L. Tam laser jest rozdzielany tak, że wiązka przemieszcza się w dół każdego ramienia, odbija się od lustra i wraca do podstawy. Jeśli fala grawitacyjna przejdzie przez ramiona, gdy świeci laser, dwie wiązki powrócą do środka w nieco innym czasie. Mierząc tę ​​​​różnicę, fizycy mogą stwierdzić, że przez obiekt przeszła fala grawitacyjna.

LIGO zaczęło działać na początku XXI wieku, ale nie było wystarczająco czułe, aby wykrywać fale grawitacyjne. Tak więc w 2010 roku zespół LIGO tymczasowo zamknął obiekt, aby przeprowadzić modernizację w celu zwiększenia czułości. Ulepszona wersja LIGO zaczęła zbierać dane w 2015 roku i niemal natychmiast wykryła fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur.

Od 2015 roku LIGO zrealizowało trzy loty obserwacyjne. Pierwszy, bieg O1, trwał około czterech miesięcy; drugi, O2, około dziewięciu miesięcy; a trzeci, O3, działał przez 11 miesięcy, zanim pandemia COVID-19 wymusiła zamknięcie obiektów. Począwszy od uruchomienia O2, LIGO prowadzi wspólne obserwacje z włoskim obserwatorium Virgo.

Pomiędzy każdym przebiegiem naukowcy ulepszali fizyczne komponenty detektorów i metody analizy danych. Do końca cyklu O3 w marcu 2020 r. naukowcy we współpracy LIGO i Virgo wykryli około 90 fal grawitacyjnych pochodzących z połączenia czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Obserwatoria nadal nie osiągnęły jeszcze maksymalnej czułości projektowej. Tak więc w 2020 roku oba obserwatoria ponownie zostały zamknięte z powodu modernizacji.

Dokonywanie niektórych aktualizacji

Naukowcy pracowali nad wieloma ulepszeniami technologicznymi.

Jedno szczególnie obiecujące ulepszenie polegało na dodaniu wnęki optycznej o długości 1000 stóp (300 metrów) w celu ulepszenia techniki zwanej ściskaniem. Ściskanie pozwala naukowcom zredukować szum detektora przy użyciu kwantowych właściwości światła. Dzięki tej aktualizacji zespół LIGO powinien być w stanie wykryć znacznie słabsze fale grawitacyjne niż wcześniej.

Ja i moi koledzy z zespołu jesteśmy analitykami danych we współpracy LIGO i pracowaliśmy nad wieloma różnymi aktualizacjami oprogramowania używanego do przetwarzania danych LIGO oraz algorytmów, które rozpoznają oznaki fal grawitacyjnych w tych danych. Algorytmy te działają poprzez wyszukiwanie wzorców pasujących do teoretycznych modeli milionów możliwych zdarzeń łączenia się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Ulepszony algorytm powinien być w stanie łatwiej wykryć słabe oznaki fal grawitacyjnych z szumu tła w danych niż poprzednie wersje algorytmów.

Hi-Def era astronomii

Na początku maja 2023 r. LIGO rozpoczęło krótki test — zwany przebiegiem inżynieryjnym — aby upewnić się, że wszystko działa. 18 maja LIGO wykryło fale grawitacyjne, które prawdopodobnie powstały z połączenia gwiazdy neutronowej z czarną dziurą.

20-miesięczny cykl obserwacyjny LIGO 04 oficjalnie rozpoczął się 24 maja, a później dołączy do niego Virgo i nowe japońskie obserwatorium — Detektor Fal Grawitacyjnych Kamioka, w skrócie KAGRA.

Chociaż ten bieg ma wiele celów naukowych, szczególny nacisk kładzie się na wykrywanie i lokalizowanie fal grawitacyjnych w czasie rzeczywistym. Jeśli zespołowi uda się zidentyfikować zdarzenie związane z falą grawitacyjną, dowiedzieć się, skąd pochodzą fale i szybko zaalarmować innych astronomów o tych odkryciach, umożliwiłoby to astronomom skierowanie innych teleskopów zbierających światło widzialne, fale radiowe lub inne rodzaje danych u źródła. fali grawitacyjnej. Zbieranie wielu kanałów informacji o pojedynczym zdarzeniu — astrofizyce z wieloma posłańcami — przypomina dodanie koloru i dźwięku do czarno-białego niemego filmu i może zapewnić znacznie głębsze zrozumienie zjawisk astrofizycznych.

Astronomowie do tej pory zaobserwowali tylko jedno zdarzenie zarówno w zakresie fal grawitacyjnych, jak i światła widzialnego – połączenie dwóch gwiazd neutronowych zaobserwowane w 2017 r. Jednak dzięki temu pojedynczemu zdarzeniu fizycy byli w stanie zbadać rozszerzanie się Wszechświata i potwierdzić pochodzenie niektórych najbardziej energetyczne zdarzenia we wszechświecie, znane jako rozbłyski gamma.

Dzięki uruchomieniu O4 astronomowie będą mieli dostęp do najbardziej czułych obserwatoriów fal grawitacyjnych w historii i miejmy nadzieję, że zgromadzą więcej danych niż kiedykolwiek wcześniej. Moi koledzy i ja mamy nadzieję, że nadchodzące miesiące zaowocują jedną – a może wieloma – obserwacjami z wieloma posłańcami, które przesuną granice współczesnej astrofizyki.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Źródło zdjęcia: Goddard Space Flight Center NASA/Scott Noble; dane symulacyjne, d’Ascoli i in. 2018