Noua undă de unde gravitaționale | spaţiu

AAproximativ 10 miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de milisecunde La începutul creației în Big Bang, se crede că universul a experimentat o creștere scurtă, dar absurd de rapidă. Acest eveniment, numit inflație, a fost atât de catastrofal încât țesătura spațiului și a timpului s-a adaptat undelor gravitaționale (GW). Prin comparație, GW-urile care au fost descoperite pentru prima oară în urmă cu șase ani făceau o stropire mare, care erau afaceri minuscule din coliziunea găurilor negre. Dar acum oamenii de știință sunt în Europa spaţiu ESA își are în vedere obiectivele mai mari – și speră să poată detecta în curând ecourile slabe ale durerilor inflaționiste ale universului, la aproximativ 14 miliarde de ani după eveniment, folosind cel mai mare instrument creat vreodată. De sute de ori mai mare decât Pământul, detectorul de unde gravitaționale planificat de Esa va pluti în spațiu și va căuta oscilații în spațiu-timp cauzate de tot felul de convulsii astrofizice masive.

Primul GW a fost identificat în 2015 de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), un proiect internațional al cărui succes a câștigat Premiul Nobel pentru fizică 2017 către trei dintre principalii săi susținători. Ligo este format din doi detectori uriași în statele americane Washington și Louisiana. Fiecare își desfășoară două tuneluri de 2,5 mile (4 kilometri), care se intersectează la unghi drept, în care fasciculul laser se deplasează de-a lungul oglinzii la capătul îndepărtat și apoi revine înapoi. Undele luminoase care se întorc interferează între ele pe măsură ce brațele se intersectează. Când GW trece, se micșorează foarte ușor sau se întinde spațiu-timp. Deoarece acest efect va fi diferit în fiecare braț, schimbă sincronizarea undelor luminoase și, astfel, modifică interferența celor două fascicule.

LEGO nu este singur. O a doua descoperire GW în ziua de Crăciun 2015 a fost confirmată ulterior în colaborare cu detectorul european Fecioară, cu sediul în Italia. Un detector din Japonia, numit Kagra, a început să funcționeze la începutul anului trecut, iar alte dispozitive sunt planificate în India și China.

Majoritatea găurilor negre văzute până acum par a fi cauzate de coliziunea a două găuri negre. Aceste stele sunt formate din stele de multe ori mai masive decât soarele nostru, care au ars și s-au prăbușit sub influența propriei sale gravitații. Conform teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein, care descrie gravitația drept distorsiunea spațiului-timp cauzată de masă, prăbușirea poate continua până când nu rămâne altceva decât o „singularitate” foarte densă, care produce un câmp gravitațional atât de intens încât nici măcar lumina nu poate evadare. de la el.

Dacă două găuri negre se ciocnesc datorită atracției gravitaționale a celuilalt, ele se pot orbita una pe cealaltă și se înclină treptat spre interior până se unesc. Relativitatea generală a prezis cu mai bine de un secol în urmă că astfel de evenimente vor trimite unde GW prin univers, deși nu au existat dovezi directe pentru acestea până la descoperirea LIGO. Ele pot fi cauzate și de alte fenomene astrofizice extreme, cum ar fi fuziunile de stele cu neutroni: stele aprinse mai puțin masive decât găurile negre care și-au oprit prăbușirea în punctul în care sunt formate din materie atât de densă încât degetarul unei persoane cântărește până la 50 m elefant.

GW poate fi produsă și de obiecte mult mai mari. În centrul galaxiei noastre și a multor alte galaxii, se află o gaură neagră supermasivă de câteva milioane de ori mai mare decât masa soarelui nostru, formată din stele prăbușite și nori de gaze și praf cosmic. Obiectele care intră în aceste găuri negre supermasive generează GW-uri care oscilează la frecvențe mai mici și lungimi de undă mai lungi decât valurile mici de fuziune ale găurilor negre văzute de Ligo și Fecioară.

Detectoarele de la sol nu pot identifica aceste lucruri – ar fi ca și cum ai încerca să prinzi o balenă într-un bol de homar. Pentru a le vedea, detectorul de interferometrie ar avea nevoie de brațe mult mai lungi. Acest lucru este dificil, deoarece fiecare braț al canalului trebuie să fie lung, drept și liber de orice vibrație. Așadar, cercetătorii intenționează, în schimb, să producă gyots cu frecvență joasă în spațiu. Cel mai avansat dintre aceste planuri este dispozitivul construit acum pentru Esa: a: Interferometru laser cu antenă spațială (Lisa).

LISA va trimite lasere dintr-o navă spațială pentru a sări de pe o oglindă plutitoare liber în interiorul unei alte nave spațiale. Folosind trei nave spațiale, puteți crea o structură în formă de L cu braț dublu ca Ligo. Dar brațele nu trebuie să fie în unghi drept: în schimb, Lisa își va poziționa cele trei nave spațiale la câteva milioane de mile depărtare, în colțurile triunghiului, fiecare colț devenind unul dintre cei trei detectori. Întregul grup va urma orbita Pământului, urmărind planeta noastră cu aproximativ 30 de metri.

Pentru a testa fezabilitatea efectuării interferometriei laser în spațiu, Esa a lansat în 2015 un proiect pilot numit Lisa Pathfinder – Navele spațiale au demonstrat tehnologie la scară mică. misiunea, Finalizat în 2017, „ne-a suflat”, spune Issa Paul McNamara, care era omul de știință al proiectului care conducea misiunea. „Ne-a îndeplinit cerințele în prima zi, fără nicio modificare sau nimic”. El a arătat că o oglindă care plutește în interiorul unei nave spațiale poate rămâne incredibil de staționară, oscilând cu cel mult o miime din dimensiunea unui singur atom. Pentru a-l menține stabil, nava spațială folosește propulsoare mici pentru a răspunde la forța luminii provenite de la soare.

Cu alte cuvinte, McNamara spune: „Nava noastră spațială a fost mai stabilă decât dimensiunea coronavirusului”. Și este, de asemenea, pentru că LISA ar trebui să detecteze o schimbare a lungimii brațului care, datorită GW, este o zecime din lățimea unui atom de peste un milion de mile.

Cu toate acestea, eliberarea Lisa nu se va întâmpla timp de cel puțin un deceniu. „Avem trei sateliți de construit și fiecare dintre ei are multe părți”, spune McNamara. „Este nevoie doar de timp – și acesta este unul dintre faptele nefericite ale unei sarcini foarte complexe”. Următoarea etapă este „adoptarea oficială a misiunii”, așteptată în 2024. „În acest moment, vom cunoaște detaliile misiunii și ce țări membre ale ESA și Statele Unite contribuie cu ce și cât costă, „spune astrofizicianul Emmanuel Berti de la Universitatea Jones. Hopkins din Baltimore.

Japonia și China sunt, de asemenea, în primele etape ale planificării detectoarelor de spațiu GW. McNamara vede acest lucru nu ca pe o competiție, ci ca pe un lucru bun – deoarece cu mai mult de un detector ar fi posibil să se utilizeze triangulația pentru a determina sursa valurilor.

„Lisa va schimba astronomia GW în același mod în care transcende lumina vizibilă [to radio waves, X-rays etc] A schimbat jocul în astronomia obișnuită „, spune Bertie.„ Se va uita la diferite clase de surse GW. ”Studiind fuziunile supermasive ale găurilor negre, spune el,„ sperăm să înțelegem multe despre formarea structurii în Lisa a văzut deja GW-uri „primitive” de la inflație la începutul Big Bang-ului, astfel încât acest lucru ar putea testa teorii despre cum a început totul.

TAici poate exista o altă modalitate de a vedea GW-uri de joasă frecvență, care nu necesită deloc un detector special conceput. O colaborare numită Observatorul nord-american Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) folosește observațiile făcute de o rețea globală de radiotelescoape pentru a căuta efectul GW-urilor asupra calendarului „ceasurilor cosmice” numite pulsari.

Pulsarii orbitează rapid în jurul stelelor de neutroni care trimit fascicule intense de unde radio din polii lor, străbătând cerul ca niște raze de far. Semnalele pulsare sunt foarte regulate și previzibile. „Dacă un GW trece între pulsar și Pământ, acesta distorsionează spațiul-timp care se suprapune”, spune membrul echipei NanoGrav Stephen Taylor de la Universitatea Vanderbilt din Tennessee, determinând pulsul să ajungă mai devreme sau mai târziu decât se aștepta.

De fapt, pulsarii devin detectoare. După cum spune Julie Comerford, membru al echipei NanoGrav, de la Universitatea Colorado din Boulder, aceasta oferă brațelor „detectorului” atâta timp cât distanța dintre Pământ și pulsari: poate mii de ani-lumină. Datorită acestei dimensiuni, semnalele care pot fi detectate de NanoGrav au lungimi de undă foarte mari și frecvențe foarte scăzute, chiar dincolo de acoperirea LISA și produse de găuri negre supermasive de miliarde de ori mai mari ca Soarele, care se contopesc în timp ce galaxiile întregi se ciocnesc. . Taylor spune că niciun alt detector nu-l poate simți. Deși este inimaginabil de dezastruoasă, aceste integrări sunt de fapt destul de frecvente, iar NanoGrav va avea genul de hype realizat de mulți dintre ei. „În tot universul, există perechi de găuri negre supermasive care orbitează între ele și produc gigavați”, spune Commerford. „Aceste valuri produc o mare de GW-uri pe care le legăm”.

În ianuarie, echipa NanoGrav a fost condusă de cercetătorul postdoctoral Comerford Joseph Simon din Colorado Raportați prima descoperire posibilă a acestui fundal GW. Deși este nevoie de mai multă muncă pentru a verifica dacă semnalul este într-adevăr cauzat de GW, Commerford numește rezultatul „cel mai interesant rezultat astrofizic pe care l-am văzut în ultimii ani”.

Dacă NanoGrav folosește, de fapt, un detector GW de ani-lumină, fizicianul Sougato Bose de la University College London crede că putem face unul suficient de mic pentru a se potrivi într-un dulap. Ideea sa se bazează pe unul dintre efectele mai neobișnuite ale teoriei cuantice, care descrie în general obiecte foarte mici, cum ar fi atomii. Obiectele cuantice pot fi plasate în ceea ce se numește suprapunere, ceea ce înseamnă că proprietățile lor nu sunt determinate în mod unic până când nu sunt măsurate: este posibilă mai mult de un rezultat.

Oamenii de știință cuantici pot pune în mod obișnuit atomii într-o suprapunere cuantică – dar un astfel de comportament ciudat dispare pentru obiectele mari, cum ar fi mingile de fotbal, care sunt fie aici, fie acolo, fie că privim sau nu. Din câte știm, nu este imposibilă suprapunerea pentru ceva atât de mare – este imposibil să o mențineți suficient de mult timp pentru a fi detectată, deoarece suprapunerea este ușor distrusă de orice interacțiune cu împrejurimile obiectului.

Bose și colegii sugerează că dacă am putea crea o suprapunere cuantică a unui obiect de dimensiuni medii între un atom și un fotbal – un cristal mic de aproximativ o sută de nanometri în diametru, de dimensiunea unei particule virale mari – suprapunerea ar fi atât de riscantă încât ar fi sensibil la un GW tranzitoriu. De fapt, cele două stări potențiale de suprapunere cuantică pot fi făcute să se suprapună ca două unde luminoase – iar distorsiunile spațiu-timp induse de GW ar apărea ca o schimbare a acestei interferențe.

Bose crede că nanocristalele de diamant care sunt păstrate într-un gol mai mult decât spațiul exterior și răcite într-un filament de zero absolut pot fi păstrate în suprapunere suficient de mult timp pentru a face trucul. Nu va fi ușor, dar el spune că toate provocările tehnice sunt deja prezentate individual – este o chestiune de a le pune pe toate împreună. „Nu văd niciun impediment în a face acest lucru în următorii 10 ani, cam așa ceva, dacă există fonduri suficiente”, spune el.

Dacă aceste și alte evoluții conduc la un boom al astronomiei GW, ce vom vedea? „Când deschizi o fereastră nouă asupra universului, de obicei vezi lucruri la care nu te-ai aștepta”, spune McNamara. În plus față de a vedea mai multe tipuri de evenimente despre care știm deja că cauzează GW, putem primi semnale pe care nu le putem explica cu ușurință. „Atunci începe distracția”, spune McNamara.