Как гравитационните вълни привлякоха Нобелова награда

Концепцията на художника за сблъсъка на две черни дупки, събитие, предвидено теоретично да произведе гравитационни вълни. И наистина тези неуловими вълни бяха засечени - за първи път от всякога - от Лазерната интерферометрова гравитационна вълнова обсерватория (LIGO). Изображение чрез проекта SXS (Симулиране на eXtreme Spacetimes)

От Ерик Трайн, университет Монаш ; Пол Ласки, Monash University, и Юрий Левин, Monash University

Нобеловата награда за физика за 2017 г., връчена за една нощ в Швеция от Кралската шведска академия на науките, започна с дискусия преди 42 години между двама учени в хотелска стая във Вашингтон.

Кип Торн, теоретичен физик от Калтех, и Райнер (Рай) Вайс, експерименталист от MIT, обсъждаха това, което би изглеждало на повечето физици като набедена, гранична луда идея: откриването на пулсации в тъканта на космическото време, наречено гравитационно вълни.

Но двамата млади мъже бяха сериозни. Вайс беше написал подробен технически документ, в който очертава предложение за експеримент, който ще продължи да стане LIGO (Обсерватория с гравитационна вълна на лазерния интерферометър).

Прочетете още: Гравитационните вълни пристигат в Европа

Междувременно Торн беше мислил много за потенциалните източници на гравитационни вълни и беше разбрал дълбоко колко точно ще ни разкрие тяхното откриване за екзотични астрофизични обекти като черни дупки и неутронни звезди.

През тази нощ беше изковано голямо сътрудничество. И скоро беше засилен от Роналд Древър, блестящ експериментален физик, който се присъедини към факултета в Калтех. Тримата идват от много различни културни среди.

Торн израства в семейство на Мормон в американския щат Юта. Вайс е роден в Берлин, Германия, а когато е бил дете, полу-еврейското му семейство избяга от нацистите, като първо се премества в Прага, а след това бяга от Чехословакия, точно преди да бъде нападната. Древър родом от Глазгоу в Шотландия и имаше плътен шотландски акцент.

Роналд Древър, съосновател на LIGO. Изображение чрез Американското физическо общество.

Те бяха обединени от страстта си да „чуят“ Вселената с гравитационни вълни.

Гравитационните вълни се излъчват от някои от най-катастрофалните събития на Вселената, като избухване на звезди и сблъскване на черни дупки. Всеки източник излъчва гравитационни вълни по различен начин. За източници, открити от LIGO, тези вълни имат същите честоти като звуковите вълни, които можем да чуем.

Чрез изучаване на точния „звук“ на гравитационна вълна е възможно да се реконструира събитието, което го е създало. Те предлагат уникален прозорец на Вселената, който ни позволява да сондираме черни дупки и други крайни предмети.

Заедно те разработиха идеите зад LIGO, получиха подкрепата на Caltech и MIT и осигуриха финансиране за научни изследвания от Националната научна фондация на САЩ. Най-важното е, че вдъхновиха две поколения физици по целия свят да посветят живота си на стремежа за гравитационни вълни.

Чурулика се чу по света

Бяха необходими много години отдадена екипна работа, за да се реализира визията на LIGO. Лабораторията се оформи под ръководството на експерименталния физик Бари Бариш, понастоящем професор в Калтех.

Той създаде LIGO Scientific Collaboration - международен екип, който наброява над 1000 учени, работещи по всички аспекти на науката и технологиите LIGO - от лазерната физика до алгоритмите за анализ на данни до астрофизиката.

Австралия беше ранен международен партньор в консорциума и австралийските учени направиха важен принос за инструменталното оборудване LIGO, теоретичното моделиране и анализа на данните.

Инструментът беше толкова сложен, че трябваше да се изгради на два етапа. Първият етап на LIGO оперира през 2000-те, демонстрирайки технологията, която би била необходима за откриване на гравитационни вълни. Едва на втория етап, Advanced LIGO, оборудването беше достатъчно чувствително, за да открие самите гравитационни вълни.

Наскоро ремонтираният Advanced LIGO беше готов да премине в края на 2015 г. Тогава, на 14 септември същата година, дни след включването на Advanced LIGO, изблик на гравитационни вълни разтърси огледалата, използвани за наблюдение на кривината на пространството, с разстояние около един -хиляда от размера на протона.

Въпреки че това изглежда невъобразимо малко, LIGO е инструмент за невъобразима чувствителност. Дори и без помощта на компютърен алгоритъм учените можеха да видят в данните сигналния знак на сливаща се двойка черни дупки, всяка 30 пъти по-масивна от Слънцето.

Те също биха могли да го направят: сигналът на гравитационната вълна на сливането на черна дупка на LIGO, превърнат в звук, издава характерен чуруликащ звук.

Звукът от сблъскване на две черни дупки.
LIGO163 KB (изтегляне)

Когато новината за откритието се счупи, ентусиастите на науката отидоха в социалните медии, за да празнуват със собствените си предавания.

Към момента на първото съобщение Рон Древър е в старчески дом обратно в Шотландия, болен от деменция. Независимо от това той беше запознат с откритието на LIGO и успя да се наслаждава на посещението на Kip Thorne, споделяйки спомени от ранните дни на LIGO . Рон Древър почина през март тази година.

Тази година s награда, на Райнер Вайс, Бари Бариш и Кип Торн, за решителни приноси към детектора LIGO и наблюдението на гравитационните вълни, продължава нобеловата традиция за почитане на астрономическите открития на екстремни явления в която общата относителност на Айнщайн играе основна роля.

Един от нас (Левин) имаше щастието да извърши дисертационни изследвания под наблюдението на Кип Торне. Колкото и да му се наслаждава на тази велика Нобелова чест, ние сме сигурни, че усещането бледнее в сравнение с момента, в който за пръв път е насочил вниманието си към данните за откриване на LIGO .

Век след предсказанието на Алберт Айнщайн и след цял живот на търсене, това е: гравитационните вълни от две злощастни черни дупки.

Нова ера в астрономията

Откритието е крайъгълен камък в науката на 21 век. Докато откриването на гравитационни вълни потвърждава теорията на Айнщайн, това поставя началото и на нов начин на поглед към небето: гравитационна вълнова астрономия.

От първото откриване сътрудничеството публикува открития от повече черни дупки и тепърва ще публикува всички вълнуващи резултати от втория усъвършенстван цикъл за наблюдение LIGO, завършил в края на август.