Şubat 2016'da, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) için çalışan bilim adamları, yerçekimi dalgalarının ilk tespitini duyurduklarında tarih yazdılar. O zamandan beri, çoklu tespitler yapıldı ve Gözlemevleri arasında - Gelişmiş LIGO ve Gelişmiş Başak gibi - bilimsel işbirlikleri benzeri görülmemiş düzeyde hassasiyet ve veri paylaşımına izin veriyor.
Sadece yerçekimi dalgalarının ilk kez algılanması tarihi bir başarı değil, aynı zamanda yeni bir astrofizik çağını başlattı. İlk tespitin merkezinde bulunan üç araştırmacının neden 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü alması şaşırtıcı değil. Ödül, MIT profesörü emeritus Rainer Weiss ile birlikte Caltech profesörleri emeritus Kip S. Barish'e ortaklaşa verildi.
Basitçe ifade etmek gerekirse, yerçekimi dalgaları uzay-zaman içinde, ikili bir kara delik çiftinin birleşmesi gibi büyük astronomik olayların oluşturduğu dalgalanmalardır. İlk olarak Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi tarafından bir asır önce tahmin edildi, bu da büyük pertürbasyonların uzay-zaman yapısını değiştireceğini gösterdi. Ancak, son yıllara kadar bu dalgaların kanıtları ilk kez gözlemlenmemiştir.
İlk sinyal, sırasıyla Hanford, Washington ve Livingston, Louisiana'daki LIGO’nun ikiz gözlemevleri tarafından tespit edildi ve 1,3 milyar ışıkyılı uzaklıktaki bir siyah köstebek birleşmesiyle izlendi. Bugüne kadar, hepsi kara delik çiftlerinin birleşmesinden kaynaklanan dört tespit yapıldı. Bunlar 26 Aralık 2015, 4 Ocak 2017 ve 14 Ağustos 2017'de gerçekleşti, sonuncusu LIGO ve Avrupa Başak yerçekimi dalga detektörü tarafından tespit edildi.
Bu başarıda oynadıkları rol için ödülün yarısı, Caltech'in Barry C. Barish - Ronald ve Maxine Linde Fizik Profesörü, Emeritus - ve Richard P. Feynman Teorik Fizik Profesörü Kip S. Thorne ile birlikte verildi. , Emeritus. Diğer yarısı Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde (MIT) Emeritus Fizik Profesörü Rainer Weiss'e verildi.
Caltech başkanı Thomas F. Rosenbaum'un (Sonja ve William Davidow Başkanlık Başkanı ve Fizik Profesörü) yakın tarihli bir Caltech basın açıklamasında şunları söyledi:
“2017 Nobel Fizik Ödülü'nün bu sabahı ödülünü alan Kip ve Barry'nin yanı sıra MIT'den Rai Weiss'i tebrik etmekten mutluluk duyuyorum. Yerçekimi dalgalarının LIGO tarafından ilk doğrudan gözlemlenmesi, bilimsel vizyon ve sebatın olağanüstü bir gösterisidir. Yirmi yıl boyunca zarif bir şekilde hassas enstrümantasyon geliştirerek - hayal gücümüzün kapasitesini zorlayarak - daha önce tespit edilemeyen kozmik süreçleri anlayabiliriz. Gerçekten de astrofizikte yeni bir dönemin başlangıcı. ”
İlk olarak varlıklarını öngören Albert Einstein'ın yerçekimi dalgalarının incelenemeyecek kadar zayıf olduğuna inandığı düşünüldüğünde bu başarı daha da etkileyiciydi. Ancak 1960'lı yıllarda lazer teknolojisindeki ilerlemeler ve olası astrofizik kaynaklara ilişkin yeni görüşler, bilim insanlarının bu dalgaların gerçekten algılanabileceği sonucuna varmasına neden oldu.
İlk yerçekimi dalga dedektörleri Maryland Üniversitesi'nden bir astrofizik olan Joseph Weber tarafından inşa edildi. 1960'larda inşa edilen dedektörleri, yerçekimi dalgaları geçerek titreşmek için hareket ettirilecek büyük alüminyum silindirlerden oluşuyordu. Diğer girişimler izledi, ancak hepsi başarısız oldu; interferometri içeren yeni bir dedektör tipine doğru kaymaya yol açmak.
Böyle bir enstrüman, MIT'de Weiss tarafından lazer interferometri olarak bilinen tekniğe dayanan bir cihaz geliştirildi. Bu tür bir cihazda, yerçekimi dalgaları, uzun mesafelerdeki lazerleri yansıtan geniş aralıklı ve ayrılmış aynalar kullanılarak ölçülür. Yerçekimi dalgaları uzayın sonsuz miktarda gerilmesine ve sıkmasına neden olduğunda, dedektörün içindeki yansıyan ışığın minik olarak değişmesine neden olur.
Aynı zamanda, Thorne - Caltech'teki öğrencileri ve postdoc'ları ile birlikte - yerçekimi dalgaları teorisini geliştirmek için çalışmaya başladı. Bu, karadelikler, nötron yıldızları ve süpernovalar gibi nesnelerin ürettiği dalgaların gücü ve frekansı hakkında yeni tahminler içeriyordu. Bu, 1972'de Throne'nun öğrencisi Bill Press ile birlikte yayınladığı ve yerçekimi dalgalarının nasıl incelenebileceğine dair görüşlerini özetleyen bir makaleyle sonuçlandı.
Aynı yıl Weiss, ayrıca interferometrelerin ve astrofiziksel araştırma potansiyellerinin detaylı bir analizini yayınladı. Bu makalede, birkaç km veya daha fazla boyutta olan daha büyük ölçekli operasyonların yerçekimi dalgalarını tespit etme şansına sahip olabileceğini belirtti. Ayrıca tespit için en büyük zorlukları (Dünya'dan titreşimler gibi) belirledi ve bunlara karşı koymak için olası çözümler önerdi.
1975'te Weiss Thorne'ı Washington, D.C.'deki NASA komite toplantısında konuşmaya davet etti ve ikisi bütün gece yerçekimi deneyleri hakkında konuşarak geçirdi. Konuşmalarının bir sonucu olarak Thorne, Calteh'e geri döndü ve MIT, Glasgow Üniversitesi ve Garching Üniversitesi'ndeki (benzer deneylerin yapıldığı) araştırmacılarla paralel olarak interferometreler üzerinde çalışacak deneysel bir yerçekimi grubu oluşturmayı önerdi.
İlk interferometredeki geliştirme kısa bir süre sonra Caltech'te başladı ve bu da Weiss'in yerçekimi dalgaları hakkındaki teorilerini test etmek için 40 metrelik (130 fit) bir prototip oluşturulmasına yol açtı. 1984 yılında bu kurumlar tarafından yürütülen tüm çalışmalar bir araya geldi. Caltech ve MIT, Ulusal Bilim Vakfı'nın (NSF) desteğiyle LIGO işbirliğini oluşturdu ve Hanford ve Livingston'daki iki interferometresi üzerinde çalışmaya başladı.
LIGO'nun inşası hem lojistik hem de teknik açıdan büyük bir zorluktu. Bununla birlikte, 1994 yılında LIGO'nun Baş Araştırmacısı olan Barry Barish (daha sonra bir Caltech parçacık fizikçisi) olduğunda, işler son derece yardımcı oldu. On yıl süren durma girişimlerinden sonra LIGO'nun direktörlüğünü yaptı ve inşaatını tekrar yoluna koydu. . Ayrıca araştırma ekibini genişletti ve NSF için ayrıntılı bir çalışma planı geliştirdi.
Barish'in belirttiği gibi, LIGO ile yaptığı çalışma bir hayalin gerçekleştiği bir şeydi:
“Her zaman deneysel bir fizikçi olmak istedim ve aksi halde yapılamayan temel bilim deneylerini gerçekleştirmek için teknolojide sürekli ilerlemeler kullanma fikrinden etkilendim. LIGO, daha önce yapılamayanların en iyi örneğidir. Çok büyük ölçekli bir proje olmasına rağmen, zorluklar bir köprü inşa etme ya da diğer büyük mühendislik projelerini yürütme biçimimizden çok farklıydı. LIGO için asıl zorluk, proje geliştikçe bile gelişmiş enstrümantasyonun büyük ölçekte nasıl geliştirileceği ve tasarlanacağıydı. ”
1999 yılına gelindiğinde, inşaat LIGO gözlemevlerine sarılmıştı ve 2002 yılına kadar LIGO veri toplamaya başladı. 2008 yılında, Gelişmiş LIGO Projesi olarak bilinen orijinal dedektörlerini geliştirmek için çalışmalar başladı. 40 metrelik prototipi LIGO’nun mevcut 4 km (2,5 mi) interferometrelerine dönüştürme süreci büyük bir girişimdi ve bu nedenle adımlara ayrılması gerekiyordu.
İlk adım, ekibin ilk interferometreleri oluşturduğu ve test ettiği 2002-2010 yılları arasında gerçekleştirildi. Bu herhangi bir tespitle sonuçlanmasa da, gözlemevinin temel kavramlarını ortaya koydu ve birçok teknik engeli çözdü. 2010-2015 yılları arasında gerçekleşen Gelişmiş LIGO adı verilen bir sonraki aşama, dedektörlerin yeni hassasiyet seviyelerine ulaşmalarını sağladı.
Barish’in önderliğinde de gerçekleşen bu yükseltmeler, nihayetinde ilk tespiti mümkün kılan çeşitli kilit teknolojilerin geliştirilmesine izin verdi. Barish'in açıkladığı gibi:
“LIGO'nun ilk aşamasında, dedektörleri dünyanın hareketinden izole etmek için, piyano teli ile asılı test kütlesi aynalarından oluşan bir süspansiyon sistemi kullandık ve buna benzer çok aşamalı bir pasif amortisör seti kullandık arabanızda. Bunun muhtemelen yerçekimi dalgalarını tespit etmek için yeterince iyi olmayacağını biliyorduk, bu yüzden LIGO Laboratuvarı'nda Gelişmiş LIGO için aynaları sabitlemek için yeni bir süspansiyon sistemi ve algılamak ve düzeltmek için aktif bir sismik izolasyon sistemi içeren iddialı bir program geliştirdik. yer hareketleri. ”
Thorne, Weiss ve Barish'in çekimsel dalgaların incelenmesinde ne kadar merkezi olduğu düşünüldüğünde, üçü de haklı olarak bu yıl Nobel Fizik Ödülü alan kişiler olarak tanındı. Hem Thorne hem de Barish, 3 Ekim 2017'de sabahın erken saatlerinde kazandıkları bildirildi. Habere yanıt olarak, her iki bilim insanı da LIGO'nun, ona katkıda bulunan bilim ekiplerinin devam eden çabalarını ve Caltech ve MIT'in gözlemevlerini oluşturma ve sürdürme çabaları.
“Ödül haklı olarak karmaşık yerçekimi dalgası interferometrelerimizi inşa eden ve mükemmelleştiren yüzlerce LIGO bilim adamına ve mühendisine ve LIGO'nun gürültülü verilerinde yerçekimi dalga sinyallerini bulan ve dalgaların bilgilerini çıkaran yüzlerce LIGO ve Başak bilim adamına aittir. Dedi Thorne. “Nobel Vakfı'nın tüzükleri nedeniyle, muhteşem keşifimiz binin üzerinde çalışma olduğunda ödülün üçten fazla kişiye gitmemesi talihsiz bir durum.”
Barish, “Bu ödülü almaktan onur duydum ve onur duyuyorum” dedi. “Yerçekimi dalgalarının tespiti gerçekten modern büyük ölçekli deneysel fiziğin zaferi. On yıllar boyunca Caltech ve MIT'teki ekiplerimiz, keşfi yapan inanılmaz derecede hassas cihaza LIGO'yu geliştirdi. Sinyal 1.3 milyar yıl önce meydana gelen iki yıldız kara deliğinin çarpışmasından LIGO'ya ulaştığında, 1000 bilim adamı güçlü LIGO Bilimsel İşbirliği hem aday olayı dakikalar içinde tanımlayabildi hem de kütleçekimsel dalgaların inandırıcı bir şekilde gösterdiği ayrıntılı analizi gerçekleştirebildi. var olmak."
İleriye baktığımızda, Advanved LIGO, Advanced Başak ve dünyadaki diğer yerçekimi dalga gözlemevlerinin yeni başladığı da açıktır. Dört ayrı olay tespit etmenin yanı sıra, son çalışmalar kütleçekimsel dalga tespitinin astronomik ve kozmolojik araştırmalar için yeni sınırlar açabileceğini göstermiştir.
Örneğin, Monash Astrofizik Merkezi'nden bir araştırma ekibi tarafından yakın zamanda yapılan bir araştırma, 'yetim bellek' olarak bilinen teorik bir kavram önerdi. Araştırmalarına göre, yerçekimi dalgaları sadece uzay-zamanda dalgalara neden olmakla kalmaz, aynı zamanda yapısında kalıcı dalgalanmalar bırakır. Geçmiş olayların “yetimlerini” inceleyerek, yerçekimi dalgaları hem Dünya'ya ulaştıklarında hem de geçtikten çok sonra incelenebilir.
Buna ek olarak, Ağustos ayında California Irvine Üniversitesi Kozmoloji Merkezi'nden bir gökbilimciler ekibi tarafından kara delik birleşmelerinin düşündüğümüzden çok daha yaygın olduğunu belirten bir çalışma yayınlandı. Kara delikleri hesaplamak ve kategorize etmek amacıyla kozmos araştırması yaptıktan sonra, UCI ekibi galakside 100 milyon kara delik olabileceğini belirledi.
Yakın zamanda yapılan bir başka çalışma Gelişmiş LIGO, GEO 600 ve Başak kütleçekimsel dalga detektör ağının süpernova tarafından oluşturulan kütleçekim dalgalarını tespit etmek için kullanılabileceğini gösterdi. Gökbilimciler, ömürlerinin sonuna doğru patlayan yıldızın yarattığı dalgaları tespit ederek, ilk kez çöken yıldızların kalplerini görebilir ve kara delik oluşumunun mekaniğini araştırabilirlerdi.
Nobel Fizik Ödülü bir bilim adamına verilebilecek en yüksek onurlardan biridir. Ama bundan daha da fazlası, büyük şeylerin kendi işinden kaynaklandığı bilgisidir. Thorne, Weiss ve Barish, yerçekimi dalga çalışmaları önermeye ve dedektörlerin yaratılmasına yönelik çalışmaya başladıktan on yıllar sonra, dünyanın her yerinden bilim adamları, Evreni düşünme biçimimizde devrim niteliğinde derin keşifler yapıyorlar.
Ve bu bilim adamları kesinlikle kanıtlayacağından, şimdiye kadar gördüğümüz şey buzdağının sadece görünen kısmı. Bir yerde Einstein'ın da gururla yayıldığını düşünebilirsiniz. Genel Görelilik teorisiyle ilgili diğer araştırmalarda olduğu gibi, yerçekimi dalgaları üzerinde yapılan çalışma, bir yüzyıldan sonra bile, tahminlerinin hala patladığını gösteriyor!
Barish ve Thorn'un başarılarından dolayı onurlandırıldığı Caltech Basın Konferansı'nın bu videosuna baktığınızdan emin olun:
