Geçmişte, gökbilimciler gökyüzünü yalnızca gözlerini alıcı olarak kullanarak görünür ışıkta görebiliyorlardı. Ama yerçekimi gözleriniz olsaydı? Einstein, Evrendeki en uç nesnelerin ve olayların yerçekimi dalgaları üretmesi ve etraflarındaki alanı çarpıtması gerektiğini öngördü. Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalga Gözlemevi (veya LIGO) adı verilen yeni bir deney, bu yerçekimi dalgalarının ilk tespitini yapabilir.
Röportajı dinle: Gravity Eyes ile Görme (7,9 MB)
Veya Podcast'e abone olun: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Pekala, yerçekimi dalgası nedir?
Sam Waldman: Kütlenin uzayzamanı bozduğunu hatırlarsanız, bir yerçekimi dalgası açıklanabilir. Yani, bir tabakanın ortasına atılan bir bowling topu ile gerilmiş bir sayfanın benzetmesini hatırlarsanız, sayfayı bükün; burada bowling topu bir kütle ve tabaka uzay zamanını temsil eder. Bu bowling topunu çok hızlı bir şekilde ileri geri hareket ettirirseniz, sayfada dalgalanmalar meydana gelir. Aynı şey Evrenimizdeki kitleler için de geçerlidir. Bir yıldızı çok hızlı bir şekilde ileri geri hareket ettirirseniz, uzay zamanında dalgalanmalar yaparsınız. Ve uzay-zamandaki dalgalanmalar gözlemlenebilir. Biz onlara yerçekimi dalgaları diyoruz.
Fraser: Şimdi odanın etrafında yürürsem, yerçekimi dalgalarına neden olacak mı?
Dr. Waldman: İyi olacak. Bildiğimiz kadarıyla, yerçekimi tüm ölçeklerde ve tüm kitleler için çalışır, ancak uzay-zaman çok serttir. 200 poundluk kendim ofisimde hareket etmek gibi bir şey yerçekimi dalgalarına neden olmaz. Gerekli olan çok büyük nesneler çok hızlı hareket ediyor. Yerçekimi dalgalarını tespit etmeye çalıştığımızda, güneş kütle ölçeğinde nesneler arıyoruz. Özellikle, 1.5 ila 3 güneş kütlesi arasında olan nötron yıldızlarını arıyoruz. Birkaç yüz güneş kütlesine kadar kara delikler arıyoruz. Ve bu nesnelerin çok hızlı hareket etmesini bekliyoruz. Bir nötron yıldızı hakkında konuştuğumuzda, neredeyse ışık hızında hareket eden bir nötron yıldızı hakkında konuşuyoruz. Aslında, ışık hızında titreşiyor olmalı, sadece hareket edemez, çok hızlı bir şekilde ileri geri sallanmalı. Yani, aradığımız çok benzersiz, çok büyük felaket sistemleri.
Fraser: Yerçekimi dalgaları tamamen teorik, değil mi? Einstein tarafından öngörülüyorlardı, ama henüz görülmediler mi?
Dr. Waldman: Gözlenmediler, çıkartıldılar. Frekansı, yerçekimi dalgalarının emisyonu ile tutarlı bir oranda azalan bir pulsar sistemi vardır. Bu PSR 1913 + 16. Ve bu yıldızın yörüngesi değişiyor. Bu bir çıkarım, ama elbette, doğrudan yerçekimi dalgalarının bir gözlemi değil. Ancak, var olmaları gerektiği açıktır. Einstein’ın yasaları varsa, Genel Görelilik işe yarıyorsa ve çok fazla uzunluk ölçeğinde çok iyi çalışıyorsa, yerçekimi dalgaları da vardır. Görmek çok zor.
Fraser: Onları tespit edebilmek için ne gerekiyor? Çok felaket olayları gibi geliyor. Büyük büyük kara delikler ve nötron yıldızları hareket ediyor, neden bu kadar zorlar?
Dr. Waldman: Bunun iki bileşeni var. Bir şey, kara deliklerin her zaman çarpışmaması ve nötron yıldızlarının sadece eski bir yerde sallanmamasıdır. Dolayısıyla gözlemlenebilir yerçekimi dalgalarına neden olabilecek olayların sayısı aslında çok azdır. Şimdi, örneğin, her 30-50 yılda bir gerçekleşen Samanyolu galaksisinden bahsediyoruz.
Ancak bu denklemin diğer kısmı, yerçekimi dalgalarının kendilerinin çok küçük olmasıdır. Bu yüzden zorlanma dediğimiz şeyi tanıtırlar; bu birim uzunluk başına bir uzunluk değişikliğidir. Örneğin, bir metre uzunluğunda bir kıstasım varsa ve bir yerçekimi dalgası, o kıskanı gelirken ezecek. Ancak kıstasını ezeceği seviye son derece küçük. 1 metrelik bir kıstasım varsa, sadece 10e-21 metrelik bir değişiklik yaratacaktır. Bu çok küçük bir değişiklik. Tabii ki, 10e-21 metreyi gözlemlemek, büyük zorluğun bir yerçekimi dalgasını gözlemlemektir.
Fraser: Bir kıstasın uzunluğunu başka bir kıstasla ölçüyorsanız, o diğer kıstasın uzunluğu değişecektir. Bunun zor olduğunu görebiliyorum.
Dr. Waldman: Kesinlikle, yani bir sorununuz var. Kıstas sorununu çözme şeklimiz, aslında 2 kıstasımız olması ve bunları bir L şeklinde oluşturmamızdır. Ve bunları ölçme şeklimiz bir lazer kullanmaktır. Kıstasımızı düzenleme şeklimiz aslında 4 km uzunluğunda bir “L” dir. Her biri 4 km uzunluğunda 2 kol var. Ve her bir kolun sonunda, lazerleri çıkardığımız 4 kg'lık bir kuvars test kütlesi var. Ve bu “L” şekilli dedektörden bir yerçekimi dalgası geldiğinde, diğer bacağını daraltırken bir bacağını uzatır. Ve bunu 100 hertz'de ses frekanslarında yapıyor. Eğer bu kitlelerin hareketlerini dinlerseniz, 100 hertz'de bir vızıltı duyarsınız. Ve böylece lazerlerimizle ölçtüğümüz şey, bu büyük, “L” şeklindeki interferometrenin diferansiyel kol uzunluğudur. Bu yüzden LIGO. Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi.
Fraser: Bakalım bunu doğru anladım. Milyarlarca yıl önce bir kara delik diğeriyle çarpışır ve bir sürü yerçekimi dalgası üretir. Bu yerçekimi dalgaları Evreni geçer ve Dünya'yı yıkar. Dünyayı geçtikçe, bu kollardan birini uzatıyorlar ve diğerini daraltıyorlar ve bu değişikliği ileri geri sıçrayan lazerle tespit edebilirsiniz.
Dr. Waldman: Doğru. Elbette zorluk, uzunluk değişikliğinin son derece küçük olmasıdır. 4 km'lik interferometrelerimizde şu anda ölçtüğümüz uzunluk değişikliği 10e-19 metredir. Ve buna bir ölçek koymak için, bir atom çekirdeğinin çapı sadece 10e-15 metredir. Duyarlılığımız atomaltıdır.
Fraser: Peki bu noktada ne tür olayları tespit edebilmelisiniz?
Dr. Waldman: Yani aslında büyüleyici bir bölge. Kullanmayı sevdiğimiz benzetme, evrene radyo dalgalarıyla bakmak gibi, evrene teleskoplarla bakmak gibiydi. Gördüğünüz şeyler tamamen farklı. Evrenin tamamen farklı bir rejimine karşı duyarlısınız. Özellikle, LIGO bu felaket olaylarına duyarlıdır. Etkinliklerimizi 4 geniş kategoriye ayırıyoruz. İlk olarak patlama diyoruz ve bu kara delik oluşumu gibi bir şey. Böylece bir süpernova patlaması meydana gelir ve çok fazla madde o kadar hızlı hareket eder ki kara delikler oluşturur, ancak yerçekimi dalgalarının neye benzediğini bilmiyorsunuz. Tek bildiğiniz, yerçekimi dalgaları var. Bunlar son derece hızlı olan şeyler. En fazla 100 milisaniye sürerler ve kara deliklerin oluşumundan kaynaklanırlar.
Baktığımız bir başka olay, iki nesnenin birbirinin etrafında yörüngede olması, yani birbirinin etrafında dönen iki nötron yıldızı olduğudur. Sonunda bu yörüngenin çapı bozulur. Nötron yıldızları birleşecek, birbirlerine düşecek ve bir kara delik oluşturacaklar. Ve son birkaç yörünge için, bu nötron yıldızları (1.5 ila 3 güneş kütlesine sahip nesneler olduklarını unutmayın), ışık hızının büyük bölümlerinde hareket ediyorlar; Işık hızının% 10'unu,% 20'sini söyleyin. Ve bu hareket, yerçekimi dalgaları için çok verimli bir jeneratördür. Standart mum olarak kullandığımız şey budur. Var olduğunu düşündüğümüz budur; dışarıda olduklarını biliyoruz, ancak aynı anda kaç tanesinin gittiğinden emin değiliz. Spiraldeki bir nötron yıldızının radyo dalgalarında veya röntgende optik radyasyonda nasıl göründüğünden emin değiliz. Dolayısıyla, bir sarmal ya da süpernova'yı ne sıklıkta göreceğinizi tam olarak hesaplamak biraz zor.
Fraser: Şimdi onların yönünü tespit edebilecek misin?
Dr. Waldman: İki interferometremiz var. Aslında iki sahamız ve üç interferometremiz var. Bir interferometre New Orleans'ın hemen kuzeyinde bulunan Livingston Louisiana'da. Ve diğer interferometremiz doğu Washington eyaletinde. İki interferometremiz olduğu için gökyüzünde üçgenleme yapabiliriz. Ancak tam olarak kaynağın olduğu yerde bir belirsizlik var. Dünyada Almanya, İtalya ve Japonya'da yakından çalıştığımız başka işbirlikleri de var ve bunların da dedektörleri var. Dolayısıyla, birden çok tesisteki birden fazla dedektör yerçekimi dalgası görürse, yerelleştirmede çok iyi bir iş yapabiliriz. Umut, yerçekimi dalgası görmemiz ve nereden geldiğini bilmemizdir. Daha sonra radyo gökbilimci meslektaşlarımıza ve x-ışını gökbilimci meslektaşlarımıza ve optik gökbilimci meslektaşlarımıza gökyüzünün bu bölümüne bakmalarını söyledik.
Fraser: Ufukta yeni büyük teleskoplar var; ezici bir şekilde büyük ve devasa bir şekilde büyük ve Macellan… büyük teleskoplar borudan aşağıya inmek için oldukça büyük bütçelerle geliyor. Diyelim ki, yerçekimi dalgalarını güvenilir bir şekilde bulabiliyorsunuz, neredeyse tespitimize yeni bir spektrum katıyor gibi. Bu yerçekimi dalga dedektörlerinden bazılarına büyük bütçeler konmuşsa, bunların ne için kullanılabileceğini düşünüyorsunuz?
Dr. Waldman: Daha önce de söylediğim gibi, radyo teleskopları ilk kez çevrimiçi olduğunda astronomi devrimi gibidir. Farklı bir fenomen sınıfına bakıyoruz. LIGO laboratuvarının oldukça büyük bir laboratuvar olduğunu söylemeliyim. 150'den fazla bilim adamıyız, bu yüzden büyük bir işbirliği. Ve ilerlerken tüm optik ve radyo gökbilimcileriyle işbirliği yapmayı umuyoruz. Ancak bilimin hangi yolu izleyeceğini tahmin etmek biraz zor. Çok sayıda genel görececiyle konuşursanız, yerçekimi dalgalarının en heyecan verici özelliği, Güçlü Alan Genel Görelilik adı verilen bir şey yapıyor olduğumuzdur. Yıldızlara ve galaksilere bakarak ölçebileceğiniz tüm Genel Görelilik çok zayıf. Çok fazla kütle yok, çok hızlı hareket etmiyor. Çok uzak mesafelerde. Oysa, bir karadeliğin ve bir nötron yıldızının çarpışmasından bahsederken, o son parça, nötron yıldızı kara deliğe düştüğünde, son derece şiddetlidir ve çok az olmayan bir genel görelilik alanı araştırır. normal teleskoplarla, radyo ile, röntgen ile erişilebilir. Bu yüzden umut, orada temelde yeni ve heyecan verici bazı fiziklerin olmasıdır. Bence öncelikle bizi motive eden şey, buna Genel Görelilik ile eğlence diyebilirsiniz.
Fraser: Peki ilk tespitinizi ne zaman yapmayı umuyorsunuz?
Dr. Waldman: Demek ki LIGO'nun çalıştığı LIGO interferometrelerinin - üç interferometrenin hepsi - tasarım hassasiyetlerinde çalışıyor ve şu anda S5 çalışmamızın ortasındayız; beşinci bilim koşumuz, ki bu bir sene sürüyor. Bir yıl boyunca yaptığımız tek şey, yerçekimi dalgalarını aramaya çalışmak. Astronomi alanındaki birçok şeyde olduğu gibi, çoğu beklemek ve görmek. Bir süpernova patlamazsa, elbette görmeyeceğiz. Bu yüzden olabildiğince uzun süre çevrimiçi olmalıyız. Bir süpernova olayı gibi bir olayı gözlemleme olasılığının, şu anki hassasiyetimizde - 10-20 yılda bir göreceğimiz düşünülmektedir. Geniş bir ürün yelpazesi var. Literatürde yılda birden fazla göreceğimizi iddia eden insanlar var ve daha sonra duyarlılığımızda hiç görmeyeceğimizi iddia eden insanlar var. Ve muhafazakar orta yol her 10 yılda bir. Diğer yandan, bu çalışma biter bitmez dedektörlerimizi yükseltiyoruz. Ve duyarlılığı 2 kat artırıyoruz, bu da algılama oranımızı 2 kat artar. Çünkü hassasiyet bir yarıçaptır ve uzayda bir hacim araştırıyoruz. Tespit oranındaki bu 8-10 faktörü ile yılda bir kez bir olay görüyor olmalıyız. Ve ondan sonra, duyarlılıkta 10 iyileştirme faktörü olan Gelişmiş LIGO olarak adlandırıyoruz. Bu durumda neredeyse kesinlikle günde bir kez yerçekimi dalgalarını göreceğiz; 2-3 günde bir. Bu alet çok gerçek bir araç olarak tasarlanmıştır. Yerçekimi astronomi yapmak istiyoruz; her birkaç günde bir olayları görmek için. Swift uydusunu fırlatmak gibi olacak. Swift yükseldiğinde, her zaman gama ışını patlamaları görmeye başladık ve Advanced LIGO benzer olacak.
