Новата вълна на гравитационните вълни | пространство

аОколо 10 милиарда трилиона трилиона милисекунди В началото на сътворението в Големия взрив се смята, че Вселената е преживяла кратък, но абсурдно бърз скок на растежа. Това събитие, наречено инфлация, беше толкова катастрофално, че тъканта на пространството и времето се настрои на гравитационни вълни (GW). За сравнение, GW, които бяха открити за първи път преди шест години, направиха голям удар, които бяха малки дела от сблъскване на черни дупки. Но сега учените са в Европа пространство ESA е насочила вниманието си към по-големи цели – и се надява скоро да успее да открие слабото ехо от инфлационните мъки на раждането на Вселената, приблизително 14 милиарда години след събитието, използвайки най-големия инструмент, създаван някога. Стотици пъти по-голям от Земята, планираният от Esa гравитационен вълнов детектор ще се носи в космоса и ще търси колебания в пространството-време, причинени от всички видове масивни астрофизични конвулсии.

Първият GW е идентифициран през 2015 г. от Обсерваторията за гравитационна вълна на лазерния интерферометър (Ligo), международен проект, чийто успех спечели Нобелова награда за физика за 2017 г. на трима от основните си поддръжници. Ligo се състои от два огромни детектора в американските щати Вашингтон и Луизиана. Всеки от тях разполага по два тунела от 2,5 километра (4 километра), които се пресичат под прав ъгъл, в които лазерният лъч пътува по огледалото в далечния край и след това отскача назад. Връщащите се светлинни вълни си пречат помежду си, когато ръцете се пресичат. Когато GW премине, той се свива много леко или разтяга пространство-времето. Тъй като този ефект ще бъде различен във всяко рамо, той променя синхронизацията на светлинните вълни и по този начин променя интерференцията на двата лъча.

LEGO не е сам. Второ откритие на GW на Коледа 2015 г. по-късно беше потвърдено в сътрудничество с европейския детектор Virgo, базиран в Италия. Детектор в Япония, наречен Kagra, започна да работи в началото на миналата година, а други устройства се планират в Индия и Китай.

Повечето черни дупки, наблюдавани досега, изглежда са причинени от сблъсъка на две черни дупки. Тези звезди са изградени от звезди, многократно по-масивни от нашето слънце, които са изгорели и са се срутили под влиянието на собствената си гравитация. Според общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, която описва гравитацията като изкривяване на пространството-времето, причинено от масата, колапсът може да продължи, докато не остане нищо друго освен една много плътна „сингулярност“, която създава гравитационно поле, толкова силно, че дори светлината не може бягство. от него.

Ако две черни дупки се сблъскат поради гравитационното привличане на другия, те могат да се въртят около себе си и постепенно да се стеснят навътре, докато се обединят. Общата теория на относителността е предсказвала преди повече от век, че подобни събития ще изпратят GW вълни през Вселената, въпреки че няма пряко доказателство за тях до откриването на LIGO. Те могат да бъдат причинени и от други екстремни астрофизични явления, като сливане на неутронни звезди: пламтящи звезди, по-малко масивни от черните дупки, които са спрели колапса си в точката, в която се състоят от материя, толкова плътна, че напръстникът на човек тежи до 50 метра слон.

GW може да се произвежда и от много по-големи обекти. В центъра на нашата галактика, както и на много други галактики, е свръхмасивна черна дупка, няколко милиона пъти по-голяма от масата на нашето слънце, образувана от рушащи се звезди и облаци от газ и космически прах. Обектите, валещи в тези свръхмасивни черни дупки, генерират GW, които се колебаят при по-ниски честоти и по-дълги дължини на вълните от малките вълни от синтез на черни дупки, наблюдавани от Лиго и Дева.

Наземните детектори не могат да определят точно тези неща – все едно да се опитате да хванете кит в купа с омар. За да ги види, интерферометричният детектор ще се нуждае от много по-дълги ръце. Това е сложно, тъй като всяко рамо на канала трябва да е дълго, изправено и без никакви вибрации. Така че изследователите планират вместо това да направят нискочестотни гиоти в космоса. Най-напредналият от тези планове е устройството, което сега се изгражда за Esa: a: Космическа антена лазерен интерферометър (Лиза).

LISA ще изпрати лазери от космически кораб, за да отскочи от свободно плаващо огледало в друг космически кораб. Използвайки три космически кораба, можете да създадете L-образна структура с двойно рамо като Ligo. Но раменете не трябва да са под прав ъгъл: Вместо това Лиза ще позиционира трите си космически кораба на няколко милиона мили в ъглите на триъгълника, като всеки ъгъл ще стане един от трите детектора. Цялата група ще следва орбитата на Земята, проследявайки нашата планета с около 30 метра.

За да тества възможността за провеждане на лазерна интерферометрия в космоса, през 2015 г. Esa стартира пилотен проект, наречен Лиза Патфайндър – Космически кораб демонстрира технология в малък мащаб. мисията, Завършен през 2017 г., той ни „взриви“, казва Иса Пол Макнамара, който беше ученият по проекта, ръководещ мисията. „Той изпълни изискванията ни още в първия ден, без модификация или нищо.“ Той показа, че огледалото, плаващо в космически кораб, може да остане невероятно неподвижно, като се колебае с не повече от една хилядна от размера на един атом. За да запази стабилността си, космическият кораб използва малки тласкачи, за да реагира на силата от светлината, идваща от слънцето.

С други думи, Макнамара казва: „Нашият космически кораб беше по-стабилен от размера на коронавируса.“ И това е така, защото LISA ще трябва да открие промяна в дължината на рамото, която поради GW е една десета от ширината на атом над милион мили.

Пускането на Лиза обаче няма да се случи поне десетилетие. „Имаме три сателита за изграждане и всеки от тях има много части“, казва Макнамара. „Просто отнема време – и това е един от жалките факти за много сложна задача.“ Следващият крайъгълен камък е „официалното приемане на мисията“, очаквано през 2024 г. „На този етап ще знаем подробностите за мисията и кои страни членки на ЕКА и САЩ какво допринасят и колко струва, „казва астрофизикът Емануел Берти от университета“ Джоунс „. Хопкинс в Балтимор.

Япония и Китай също са на ранен етап от планирането на космическите детектори GW. Макнамара вижда това не като състезание, а като нещо добро – защото с повече от един детектор би било възможно да се използва триангулация за определяне на източника на вълните.

„Лиза ще промени астрономията на GW по същия начин, който надхвърля видимата светлина [to radio waves, X-rays etc] Това беше промяна на играта в обикновената астрономия – казва Берти. – Той ще разглежда различни класове източници на GW. „Изследвайки свръхмасивни сливания на черни дупки, той казва,“ ние се надяваме да разберем много за формирането на структурата в Вселената, както и за самата гравитация. “Лиза вече беше виждала„ примитивни “GW от инфлацията в началото на Големия взрив, така че това може да изпита теории за това как всичко е започнало.

TТук може да има друг начин да видите нискочестотни GW, който изобщо не изисква специално създаден детектор. Сътрудничеството, наречено Северноамериканска обсерватория за гравитационни вълни Nanohertz (NanoGrav), използва наблюдения, направени от глобална мрежа от радиотелескопи, за да търси ефекта на GW върху времето на „космическите часовници“, наречени пулсари.

Пулсарите обикалят бързо около неутронни звезди, които изпращат интензивни лъчи радиовълни от полюсите си, обхванали небето като фарови лъчи. Сигналите на Pulsar са много редовни и предсказуеми. „Ако GW премине между пулсара и Земята, това изкривява припокриващото се пространство-време“, казва член на екипа на NanoGrav Стивън Тейлър от университета „Вандербилт“ в Тенеси, което кара пулса да пристигне рано или късно от очакваното.

Всъщност пулсарите се превръщат в детектори. Както казва членът на екипа на NanoGrav Джули Комерфорд от Университета на Колорадо в Боулдър, това дава ръцете на „детектора“ толкова дълго, колкото разстоянието между Земята и пулсарите: може би хиляди светлинни години. Поради този голям размер, сигналите, които могат да бъдат открити от NanoGrav, имат много дълги вълни и много ниски честоти, дори извън обсега на LISA и произведени от свръхмасивни черни дупки милиарди пъти по-големи от Слънцето, които се сливат, докато цели галактики се сблъскват . Тейлър казва, че никой друг детектор не може да го усети. Макар и невъобразимо катастрофални, тези интеграции всъщност са доста често срещани и NanoGrav ще има такъв шум, който много от тях са направили. „В цялата Вселена има двойки свръхмасивни черни дупки, които се въртят около себе си и произвеждат гигавати“, казва Комерфорд. „Тези вълнички произвеждат море от GWs, в което се поклащаме.“

През януари екипът на NanoGrav беше ръководен от докторския изследовател на Комерфорд Джоузеф Саймън в Колорадо Отчетете първото възможно откриване на този фон на GW. Въпреки че е необходима още работа, за да се провери дали сигналът наистина е причинен от GW, Commerford нарича резултата „най-вълнуващият резултат от астрофизиката, който съм виждал през последните няколко години.“

Ако всъщност NanoGrav използва GW детектор с размери на светлинни години, физикът Сугато Боуз от Университетския колеж в Лондон смята, че можем да направим един достатъчно малък, за да се побере в шкафа. Неговата идея се основава на един от най-необичайните ефекти на квантовата теория, който обикновено описва много малки обекти като атоми. Квантовите обекти могат да бъдат поставени в това, което се нарича суперпозиция, което означава, че техните свойства не се определят еднозначно, докато не бъдат измерени: възможни са повече от един резултат.

Квантовите учени могат рутинно да поставят атоми в квантова суперпозиция – но такова странно поведение изчезва за големи обекти като футболни топки, които са или тук, или там, независимо дали гледаме или не. Доколкото знаем, не е така, че суперпозицията е невъзможна за нещо толкова голямо – невъзможно е да се поддържа достатъчно дълго, за да бъде открита, защото суперпозицията лесно се унищожава при всяко взаимодействие с околната среда на обекта.

Босе и колегите предполагат че ако можем да създадем квантова суперпозиция на средно голям обект между атом и футбол – малък кристал с диаметър около сто нанометра, с размерите на голяма вирусна частица – суперпозицията би била толкова рискована, че би била чувствителни към преходни GW. Всъщност, двете потенциални състояния на квантовата суперпозиция могат да се припокриват като две светлинни вълни – и индуцираните от GW изкривявания на пространство-времето биха се появили като промяна в тази интерференция.

Боуз смята, че диамантените нанокристали, които се държат в празна празнота повече от космическото пространство и се охлаждат в нишка на абсолютна нула, могат да се държат в суперпозиция достатъчно дълго, за да свършат работа. Няма да е лесно, но той казва, че всички технически предизвикателства вече са представени поотделно – въпрос е да ги обединим. „Не виждам пречка да го направя през следващите 10 години, ако има достатъчно финансиране,“ казва той.

Ако тези и други събития доведат до бум в астрономията на GW, какво ще видим? „Когато отворите нов прозорец във Вселената, обикновено виждате неща, които не бихте очаквали“, казва Макнамара. Освен че виждаме повече видове събития, които вече знаем, причиняват GW, може да получим сигнали, които не можем лесно да обясним. „Тогава започва забавлението“, казва Макнамара.