Luchtfoto van LIGO. Klik om te vergroten.
Vroeger konden astronomen de lucht alleen zien bij zichtbaar licht, met hun ogen als receptoren. Maar wat als je zwaartekrachtogen had? Einstein voorspelde dat de meest extreme objecten en gebeurtenissen in het heelal zwaartekrachtgolven zouden moeten genereren en de ruimte eromheen zouden vervormen. Een nieuw experiment genaamd Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (of LIGO) zou de eerste detectie van deze zwaartekrachtgolven kunnen doen.
Luister naar het interview: Zien met zwaartekrachtogen (7,9 MB)
Of abonneer u op de podcast: universetoday.com/audio.xml
Wat is een podcast?
Fraser Cain: Oké, dus wat is een zwaartekrachtgolf?
Dr.Sam Waldman: Dus een zwaartekrachtgolf kan worden verklaard als je je herinnert dat massa de ruimtetijd vervormt. Dus als je je de analogie herinnert van een laken dat strak is getrokken met een bowlingbal die in het midden van het laken wordt gegooid en het laken buigt; waar de bowlingbal een massa is en het blad de ruimtetijd vertegenwoordigt. Als je die bowlingbal heel snel heen en weer beweegt, maak je rimpelingen in het laken. Hetzelfde geldt voor massa's in ons universum. Als je een ster heel snel heen en weer beweegt, maak je rimpelingen in de ruimtetijd. En die rimpelingen in de ruimtetijd zijn waarneembaar. We noemen ze zwaartekrachtgolven.
Fraser: Als ik nu door de kamer loop, veroorzaakt dat dan zwaartekrachtgolven?
Dr. Waldman: Nou, dat zal zo zijn. Voor zover we weten, werkt de zwaartekracht op alle schalen en voor alle massa's, maar de ruimtetijd is erg stijf. Dus zoiets als mijn zelf van 200 pond die door mijn kantoor beweegt, veroorzaakt geen zwaartekrachtgolven. Wat nodig is, zijn extreem grote objecten die zeer snel bewegen. Dus als we zwaartekrachtsgolven willen detecteren, zoeken we naar objecten op basis van zonneschaalmassa. We zoeken in het bijzonder naar neutronensterren, die tussen 1,5 en 3 zonsmassa's liggen. We zoeken naar zwarte gaten, tot enkele honderden zonsmassa's. En we kijken of deze objecten erg snel bewegen. Dus als we het hebben over een neutronenster, hebben we het over een neutronenster die met bijna de lichtsnelheid beweegt. Het moet zelfs met de snelheid van het licht trillen, het kan niet alleen bewegen, het moet heel snel heen en weer schudden. Het zijn dus zeer unieke, zeer enorme catastrofale systemen waarnaar we op zoek zijn.
Fraser: Zwaartekrachtgolven zijn puur theoretisch, toch? Ze werden voorspeld door Einstein, maar ze zijn nog niet gezien?
Dr. Waldman: Ze zijn niet waargenomen, ze zijn afgeleid. Er is een pulsar-systeem waarvan de frequentie afneemt met een snelheid die consistent is met de emissie van zwaartekrachtgolven. Dat is PSR 1913 + 16. En dat de baan van deze ster verandert. Dat is een gevolgtrekking, maar dat is natuurlijk geen directe waarneming van zwaartekrachtgolven. Het is echter vrij duidelijk dat ze moeten bestaan. Als de wetten van Einstein bestaan, als algemene relativiteitstheorie werkt en het werkt heel goed op heel veel lengteschalen, dan bestaan er ook zwaartekrachtgolven. Ze zijn gewoon heel moeilijk te zien.
Fraser: Wat is er nodig om ze te kunnen detecteren? Het klinkt alsof het zeer catastrofale gebeurtenissen zijn. Grote grote zwarte gaten en rondlopende neutronensterren, waarom zijn ze zo moeilijk te vinden?
Dr. Waldman: Daar zijn twee componenten voor. Een ding is dat zwarte gaten niet de hele tijd botsen, en neutronensterren trillen niet zomaar op elke oude plaats. Het aantal gebeurtenissen dat waarneembare zwaartekrachtsgolven kan veroorzaken, is dus eigenlijk erg klein. Nu hebben we het bijvoorbeeld over de Melkweg met één gebeurtenis die elke 30-50 jaar plaatsvindt.
Maar het andere deel van die vergelijking is dat de zwaartekrachtgolven zelf erg klein zijn. Dus introduceren ze wat we een soort noemen; dat is een lengteverandering per lengte-eenheid. Als ik bijvoorbeeld een maatstaf van een meter lang heb, en een zwaartekrachtgolf die maatstaf zal platdrukken als hij doorkomt. Maar het niveau dat het de maatstaf zal drukken is extreem klein. Als ik een meetlat van 1 meter heb, zal deze slechts een verandering van 10e-21 meter veroorzaken. Het is dus een hele kleine verandering. Natuurlijk is het waarnemen van 10e-21 meter de grote uitdaging bij het waarnemen van een zwaartekrachtgolf.
Fraser: Als je de lengte van een meetlat met een andere meetlat zou meten, zou de lengte van die andere meetlat veranderen. Ik kan zien dat het moeilijk is om te doen.
Dr. Waldman: Precies, dus je hebt een probleem. De manier waarop we het maatstafprobleem oplossen, is dat we eigenlijk twee maatstaven hebben, en we vormen ze tot een L. En de manier waarop we ze meten, is door een laser te gebruiken. En de manier waarop we onze maatstaf hebben gerangschikt is eigenlijk in een 4 km lange “L”. Er zijn 2 armen van elk 4 km lang. En aan het einde van elke arm bevindt zich een kwartstestmassa van 4 kg waar we lasers vanaf laten stuiteren. En wanneer een zwaartekrachtgolf door deze "L" -vormige detector komt, strekt deze het ene been uit terwijl het het andere been krimpt. En het doet dit op bijvoorbeeld 100 Hertz, binnen audiofrequenties. Dus als je naar de beweging van deze massa's luistert, hoor je een zoemend geluid van 100 Hertz. Dus wat we meten met onze lasers is de differentiële armlengte van deze grote, "L" -vormige interferometer. Daarom is het LIGO. Het is de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Fraser: Laten we eens kijken of ik dit goed begrijp. Miljarden jaren geleden botst een zwart gat met een ander en genereert het een aantal zwaartekrachtgolven. Deze zwaartekrachtgolven steken het heelal over en spoelen langs de aarde. Als ze voorbij de aarde gaan, verlengen ze een van deze armen en verkleinen ze de andere, en je kunt deze verandering detecteren door die laser die heen en weer stuitert.
Dr. Waldman: Dat klopt. De uitdaging is natuurlijk dat die lengteverandering extreem klein is. In het geval van onze 4km interferometers is de lengteverandering die we nu meten 10e-19 meter. En om daar een schaal op te zetten, de diameter van een atoomkern is slechts 10e-15 meter. Onze gevoeligheid is dus subatomair.
Fraser: En wat voor soort gebeurtenissen zou je op dit moment moeten kunnen detecteren?
Dr. Waldman: Dus dat is eigenlijk een fascinerend gebied. De analogie die we graag gebruiken, is alsof we naar het heelal kijken met radiogolven, naar het heelal kijken met telescopen. De dingen die je ziet zijn totaal anders. Je bent gevoelig voor een totaal ander regime van het universum. In het bijzonder is LIGO gevoelig voor deze catastrofale gebeurtenissen. We classificeren onze evenementen in 4 brede categorieën. De eerste die we barsten noemen, is zoiets als een zwart gat. Er vindt dus een supernova-explosie plaats en zoveel materie beweegt zo snel dat het zwarte gaten vormt, maar je weet niet hoe de zwaartekrachtgolven eruit zien. Alles wat je weet is dat er zwaartekrachtgolven zijn. Dit zijn dus dingen die extreem snel gebeuren. Ze duren maximaal 100 milliseconden en komen tot stand door de vorming van zwarte gaten.
Een andere gebeurtenis waar we naar kijken, is wanneer twee objecten met elkaar in een baan om de aarde draaien, bijvoorbeeld twee neutronensterren die om elkaar heen draaien. Uiteindelijk vervalt de diameter van die baan. De neutronensterren zullen samensmelten, in elkaar vallen en een zwart gat vormen. En voor de laatste paar banen bewegen die neutronensterren (onthoud dat het objecten zijn die 1,5 tot 3 zonsmassa's wegen) met grote fracties van de lichtsnelheid; zeg 10%, 20% van de lichtsnelheid. En die beweging is een zeer efficiënte generator van zwaartekrachtgolven. Dus dat is wat we gebruiken als onze standaardkaars. Dat is waarvan we denken dat we weten dat het bestaat; we weten dat ze daar zijn, maar we weten niet zeker hoeveel van hen er tegelijkertijd afgaan. We weten niet zeker hoe een neutronenster in spiraal eruit ziet in radiogolven of röntgenstralen in optische straling. Het is dus een beetje moeilijk om precies uit te rekenen hoe vaak je een in-spiraal of een supernova ziet.
Fraser: Kun je nu hun richting detecteren?
Dr. Waldman: We hebben twee interferometers. In feite hebben we twee locaties en drie interferometers. Een interferometer bevindt zich in Livingston Louisiana, net ten noorden van New Orleans. En onze andere interferometer bevindt zich in de staat Oost-Washington. Omdat we twee interferometers hebben, kunnen we triangulatie in de lucht uitvoeren. Maar er is enige onzekerheid over waar precies de bron is. Er zijn andere samenwerkingen in de wereld waar we vrij nauw mee samenwerken in Duitsland, Italië en Japan, en ze hebben ook detectoren. Dus als meerdere detectoren op meerdere locaties een zwaartekrachtgolf zien, dan kunnen we heel goed lokaliseren. De hoop is dat we een zwaartekrachtgolf zien en we weten waar deze vandaan komt. Vervolgens vertellen we onze collega's van radioastronomen en onze collega's van röntgenastronomen en onze collega's van optische astronomen dat ze naar dat deel van de hemel moeten kijken.
Fraser: Er zijn een aantal nieuwe grote telescopen aan de horizon; overweldigend groot en gigantisch groot, en Magellan ... de grote telescopen die door de pijp komen met vrij grote budgetten om te besteden. Stel dat u zwaartekrachtgolven betrouwbaar kunt vinden, het is bijna alsof het een nieuw spectrum toevoegt aan onze detectie. Als er grote budgetten in sommige van deze zwaartekrachtgolfdetectoren zouden worden gestopt, waar zouden ze dan voor kunnen worden gebruikt?
Dr. Waldman: Nou, zoals ik al eerder zei, het is net als de revolutie in de astronomie toen radiotelescopen voor het eerst online kwamen. We kijken naar een fundamenteel andere klasse van verschijnselen. Ik moet zeggen dat het LIGO-laboratorium een vrij groot laboratorium is. We werken met meer dan 150 wetenschappers, dus het is een grote samenwerking. En we hopen in de toekomst met alle optische en radioastronomen samen te werken. Maar het is een beetje moeilijk om te voorspellen welk pad de wetenschap zal inslaan. Ik denk dat als je met veel algemene relativisten spreekt, het meest opwindende kenmerk van zwaartekrachtgolven is dat we iets doen dat Strong Field General Relativity wordt genoemd. Dat is al de algemene relativiteit die je kunt meten als je naar sterren en sterrenstelsels kijkt, is erg zwak. Er is niet veel massa bij betrokken, het beweegt niet erg snel. Het is op zeer grote afstanden. Terwijl, wanneer we het hebben over de botsing van een zwart gat en een neutronenster, dat allerlaatste, wanneer de neutronenster in het zwarte gat valt, extreem gewelddadig is en een gebied van algemene relativiteit onderzoekt dat gewoon niet erg is toegankelijk met normale telescopen, met radio, met röntgenfoto. Dus de hoop is dat er een aantal fundamenteel nieuwe en opwindende fysica is. Ik denk dat dat wat ons in de eerste plaats motiveert, is hoe je het zou kunnen noemen, plezier met algemene relativiteitstheorie.
Fraser: En wanneer hoop je je eerste detectie te hebben.
Dr. Waldman: Dus de LIGO-interferometers - alle drie de interferometers - die LIGO gebruikt, werken allemaal met gevoeligheden voor ontwerp, en we zitten momenteel midden in onze S5-run; onze vijfde wetenschappelijke run, die een jaar lang duurt. We doen een jaar lang alleen maar naar zwaartekrachtgolven. Zoals met veel dingen in de astronomie, is het meeste afwachten. Als een supernova niet explodeert, zullen we hem natuurlijk niet zien. En dus moeten we zo lang mogelijk online zijn. De kans om een gebeurtenis te observeren, zoals een supernova-gebeurtenis, wordt verondersteld in de buurt te zijn van - bij onze huidige gevoeligheid - wordt gedacht dat we er elke 10-20 jaar een zullen zien. Er is een groot aanbod. In de literatuur zijn er mensen die beweren dat we er meerdere per jaar zullen zien, en dan zijn er mensen die beweren dat we nooit iets zullen zien bij onze gevoeligheid. En de conservatieve middenweg is eens in de 10 jaar. Aan de andere kant upgraden we onze detectoren zodra deze run voorbij is. En we verbeteren de gevoeligheid met een factor 2, wat ons detectiepercentage met een factor 2 zou verhogen. Omdat gevoeligheid een straal is en we een volume in de ruimte onderzoeken. Met die factor van 8-10 in detectiepercentage, zouden we ongeveer een keer per jaar een evenement moeten zien. En daarna upgraden we naar wat we Advanced LIGO noemen, wat een factor is van 10 verbetering in gevoeligheid. In dat geval zullen we bijna zeker een keer per dag zwaartekrachtsgolven zien; elke 2-3 dagen. Dat instrument is ontworpen om een heel echt hulpmiddel te zijn. We willen zwaartekracht-astronomie doen; om de paar dagen evenementen te zien. Het is alsof je de Swift-satelliet lanceert. Zodra Swift omhoog ging, begonnen we continu gammastraaluitbarstingen te zien en Advanced LIGO zal vergelijkbaar zijn.
