Nu leven we in een universum gevuld met zwaartekrachtsgolven.
Voorafgaand aan de historische verklaring op donderdagochtend van de National Science Foundation (NSF) bijeenkomst in Washington, waren er alleen geruchten dat de Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) een belangrijk onderdeel van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein opende, maar nu weten we dat de realiteit dieper is dan we dachten.
Met verbazingwekkende helderheid kan LIGO het moment voordat het samenvoegen van de binaire systeem zwarte gaten (twee zwarte gaten die om elkaar roteren) "horen" in een enkel geheel, en zo een duidelijk zwaartekrachtgolfsignaal creëren in overeenstemming met een theoretisch model dat vereiste discussie. LIGO was getuige van de 'wedergeboorte' van een krachtig zwart gat dat ongeveer 1,3 miljard jaar geleden plaatsvond.
Zwaartekrachtsgolven zijn altijd geweest en zullen dat altijd blijven, door onze planeet (in feite door ons heen), maar pas nu weten we hoe we ze kunnen vinden. Nu hebben we onze ogen geopend voor verschillende kosmische signalen, trillingen veroorzaakt door bekende energiegebeurtenissen, en we zijn getuige van de geboorte van een volledig nieuw gebied van de astronomie.
Het geluid van twee samengevoegde zwarte gaten:
"Nu kunnen we het universum horen", zei Gabriela González, een fysicus en vertegenwoordiger van LIGO, tijdens de triomfantelijke vergadering op donderdag. "De ontdekking markeerde het begin van een nieuw tijdperk: het veld van de zwaartekracht-astronomie is nu realiteit."
Onze plek in het universum verandert veel en deze ontdekking kan van fundamenteel belang zijn, zoals de ontdekking van radiogolven en het besef dat het universum uitdijt.
De relativiteitstheorie wordt redelijker 7
Pogingen om uit te leggen wat zwaartekrachtsgolven zijn en waarom ze zo belangrijk zijn, zo complex als de vergelijkingen die ze beschrijven, maar hun ontdekking versterkt niet alleen de theorie van Einstein over de aard van ruimte-tijd, nu hebben we een hulpmiddel om een deel van het universum waar te nemen dat onzichtbaar was ons. Nu kunnen we kosmische golven bestuderen die zijn gecreëerd door de meest energieke gebeurtenissen in het heelal en mogelijk zwaartekrachtgolven gebruiken voor nieuwe fysieke ontdekkingen en nieuwe astronomische verschijnselen verkennen.
"Nu moeten we bewijzen dat we de technologie hebben om verder te gaan dan de ontdekking van zwaartekrachtgolven, omdat het veel kansen biedt", zei Lewis Lehner van het Institute of Theoretical Physics in Ontario, in een interview na de verklaring op donderdag.
Leners onderzoek richt zich op dichte objecten (zoals zwarte gaten) die krachtige zwaartekrachtgolven creëren. Hoewel hij niet wordt geassocieerd met de samenwerking van LIGO, realiseerde Lehner zich snel het belang van deze historische ontdekking. "Er zijn geen betere signalen", zei hij.
De ontdekking is gebaseerd op drie manieren, redeneert hij. Ten eerste weten we nu dat zwaartekrachtsgolven bestaan, en we weten hoe we ze moeten detecteren. Ten tweede is het signaal gedetecteerd door LIGO-stations op 14 september 2015 een sterke aanwijzing voor het bestaan van een binair systeem van zwarte gaten, en elk zwart gat weegt enkele tientallen zonsmassa's. Het signaal is precies wat we verwachtten te zien als resultaat van de harde samensmelting van twee zwarte gaten, de een weegt 29 keer de zon en de andere 36 keer. Ten derde, en misschien wel het belangrijkste, "is de mogelijkheid om in een zwart gat te komen" absoluut het beste bewijs van het bestaan van zwarte gaten.
Kosmische intuïtie
Dit evenement ging gepaard met geluk, zoals vele andere wetenschappelijke ontdekkingen. LIGO is het grootste project dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation, die aanvankelijk in 2002 werd gelanceerd. Het bleek dat LIGO na vele jaren van zoeken naar het ongrijpbare signaal van gravitatiegolven niet gevoelig genoeg was en in 2010 de observatoria bevroren, terwijl internationale samenwerking werkt om hun gevoeligheid te vergroten. Vijf jaar later, in september 2015, werd de "verbeterde LIGO" geboren.
Op dat moment, Kip Thorn, mede-oprichter van LIGO en een zwaargewicht in de theoretische natuurkunde, was vol vertrouwen in het succes van LIGO, zeggend tegen de BBC: "We zijn hier. We hebben de pitch big game gespeeld. En het is vrij duidelijk dat we de sluier van geheimhouding zullen opheffen. "En hij had gelijk, een paar dagen na de wederopbouw golfde er een golf van zwaartekrachtgolven door onze planeet en LIGO was gevoelig genoeg om ze te detecteren.
Deze black hole-fusies worden niet als iets bijzonders beschouwd; volgens ruwe schattingen gebeuren dergelijke gebeurtenissen om de 15 minuten ergens in het universum. Maar juist deze fusie gebeurde op de juiste plaats (op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar) op het juiste moment (1,3 miljard jaar geleden) om te worden vastgelegd door de LIGO-observatoria. Het was een puur signaal uit het universum en Einstein voorspelde het, en de zwaartekrachtsgolven bleken echt te zijn, wat een kosmische gebeurtenis beschrijft, 50 keer krachtiger dan de kracht van alle sterren in het universum samen. Deze enorme explosie van zwaartekrachtgolven werd door LIGO geregistreerd als een hoogfrequent signaal met een lineaire frequentiemodulatie, terwijl zwarte gaten, bewegend in een spiraal, samengevoegd tot één. Om de verspreiding van gravitatiegolven te bevestigen, bestaat LIGO uit twee observatieposten, één in Louisiana, de andere in Washington. Om valse positieven te elimineren, moet het gravitatiegolfsignaal op beide stations worden gedetecteerd. Op 14 september werd het resultaat eerst verkregen in Louisiana en na 7 milliseconden in Washington. De signalen kwamen overeen en met behulp van triangulatie konden natuurkundigen erachter komen dat ze hun oorsprong vonden in de hemelse ruimte op het zuidelijk halfrond.
Zwaartekrachtsgolven: hoe kunnen ze nuttig zijn?
Dus we hebben bevestiging van het fusie-signaal van het zwarte gat, en wat dan? Dit is een historische ontdekking, die heel begrijpelijk is - 100 jaar geleden kon Einstein er niet eens van dromen deze golven te vinden, maar het gebeurde nog steeds.
De algemene relativiteitstheorie was een van de meest diepgaande wetenschappelijke en filosofische percepties van de 20e eeuw en vormt de basis van het meest intelligente onderzoek in de realiteit. In de astronomie zijn toepassingen van algemene relativiteit duidelijk: van een zwaartekrachtlens tot het meten van de uitzetting van het heelal. Maar de praktische toepassing van Einstein's theorieën is helemaal niet duidelijk, maar de meeste moderne technologieën gebruiken lessen uit de relativiteitstheorie in sommige dingen die als eenvoudig worden beschouwd. Neem bijvoorbeeld globale navigatiesatellieten, deze zijn niet nauwkeurig genoeg als u geen eenvoudige tijdsdilatatieaanpassing toepast (voorspeld door de relativiteitstheorie).
Het is duidelijk dat de algemene relativiteitstheorie toepassingen heeft in de echte wereld, maar toen Einstein zijn theorie introduceerde in 1916, was de toepassing ervan zeer twijfelachtig, wat voor de hand liggend leek. Hij verbond eenvoudig het universum, zoals hij het zag, en de algemene relativiteitstheorie werd geboren. En nu is een ander onderdeel van de relativiteitstheorie bewezen, maar hoe kunnen zwaartekrachtsgolven worden gebruikt? Astrofysici en kosmologen zijn zeker geïntrigeerd. "Nadat we gegevens verzamelden van paren zwarte gaten die de rol spelen van vuurtorens verspreid over het universum," zei theoretisch fysicus Neil Turok, directeur van het Instituut voor Theoretische Fysica op donderdag tijdens een videopresentatie. "We kunnen snelheid meten de uitzetting van het universum, of de hoeveelheid donkere energie met uiterste precisie, is veel nauwkeuriger dan we nu kunnen. "
"Einstein ontwikkelde zijn theorie met enkele aanwijzingen van de natuur, maar op basis van een logische volgorde. Na 100 jaar zie je zeer nauwkeurig bewijs van zijn voorspellingen. "
Bovendien heeft het evenement van 14 september enkele kenmerken van de natuurkunde die nog moeten worden onderzocht. Lehner merkte bijvoorbeeld op dat uit de analyse van een gravitatiegolfsignaal de "rotatie" of het impulsmoment van een zwart gat kan worden gemeten. "Als je al heel lang aan theorie werkt, moet je weten dat het zwarte gat een heel, heel speciale rotatie heeft," zei hij.
De vorming van gravitatiegolven met de samensmelting van twee zwarte gaten:
Om de een of andere reden is de uiteindelijke rotatie van het zwarte gat langzamer dan verwacht, wat aangeeft dat de zwarte gaten met lage snelheid botsen, of dat ze in botsing waren die een gezamenlijk impulsmoment tegenover elkaar veroorzaakten. "Het is heel interessant, waarom deed de natuur het?", Zei Lehner.
Dit recente mysterie kan terugkeren naar een aantal fundamentele aspecten van de natuurkunde, die niet in aanmerking werden genomen, maar misschien intrigeert het een "nieuwe", ongebruikelijke fysica, die niet past in de algemene relativiteitstheorie. En dit onthult andere toepassingen van zwaartekrachtgolven: omdat ze zijn gemaakt door sterke zwaartekrachtverschijnselen, hebben we de mogelijkheid om dit medium van ver te onderzoeken, met mogelijke verrassingen onderweg. Bovendien kunnen we observaties van astrofysische verschijnselen combineren met elektromagnetische krachten om meer inzicht te krijgen in de structuur van het universum.
Toepassing?
Natuurlijk zijn veel mensen buiten de wetenschappelijke gemeenschap geïnteresseerd in de manier waarop ze invloed kunnen hebben, na de enorme aankondigingen van een complex van wetenschappelijke ontdekkingen. De diepte van ontdekking kan verloren gaan, wat natuurlijk geldt voor zwaartekrachtgolven. Maar overweeg een ander geval waarin Wilhelm Roentgen in 1895 röntgenstralen ontdekte, tijdens experimenten met kathodestraalbuizen, maar weinigen weten dat deze elektromagnetische golven slechts een paar jaar later een sleutelcomponent zullen worden in de dagelijkse geneeskunde van diagnose tot behandeling. Evenzo, de eerste experimentele creatie van radiogolven in 1887, bevestigde Heinrich Hertz de bekende elektromagnetische vergelijkingen van James Clerk Maxwell. Pas in de jaren 90 van de 20e eeuw heeft Guglielmo Marconi, die een radiozender en een radio-ontvanger heeft gemaakt, hun praktische toepassing bewezen. Ook worden de Schrödinger-vergelijkingen die de complexe wereld van de kwantumdynamiek beschrijven, nu gebruikt bij de ontwikkeling van ultrasnelle quantumcomputing.
LIGO Engineer evalueert interferometervervuiling
Alle wetenschappelijke ontdekkingen zijn nuttig en velen hebben uiteindelijk dagelijks gebruik, wat we als vanzelfsprekend beschouwen. Op dit moment is de praktische toepassing van gravitatiegolven beperkt tot astrofysica en kosmologie - nu hebben we een venster in het "donkere universum", dat niet zichtbaar is voor elektromagnetische straling. Ongetwijfeld zullen wetenschappers en ingenieurs een ander gebruik van deze kosmische pulsaties vinden, naast het waarnemen van het universum. Om deze golven te detecteren, moet er echter een goede vooruitgang zijn in de optische technologie in LIGO, waarin nieuwe technologieën in de loop van de tijd verschijnen. Natuurlijk, de detectie van gravitatiegolven - de triomf van de mensheid, die ons universum zal helpen verkennen voor toekomstige generaties. Dit is absoluut een gouden eeuw voor de wetenschap, waarin historische ontdekkingen gemeengoed zijn geworden. En we hebben het intellectuele potentieel om een model van het universum te maken en om onze zaak experimenteel te bewijzen.
Maar voor mij is het meest opwindende ding om de eerste zwaartekrachtkaarten van de kosmos te zien, waar periodiek neuriën van neutronensterren en impulsieve supernova-uitbarstingen worden toegepast, waardoor een nieuw universum vol kosmische golven wordt geopend.
