I februar 2016 lavede videnskabsfolk, der arbejdede for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historie, da de annoncerede den første nogensinde påvisning af gravitationsbølger. Siden den tid har adskillige detektioner fundet sted, og videnskabeligt samarbejde mellem observatorier - som Advanced LIGO og Advanced Virgo - giver mulighed for hidtil uset niveau af følsomhed og datadeling.
Førstegangsregistreringen af tyngdekraftsbølger var ikke kun en historisk præstation, den indledte en ny æra af astrofysik. Det er ikke så underligt, hvorfor de tre forskere, der var centrale i den første afsløring, har fået Nobelprisen i fysik 2017. Prisen blev tildelt i fællesskab til Caltech-professorer emeritus Kip S. Barish sammen med MIT-professor emeritus Rainer Weiss.
Kort sagt er gravitationsbølger krusninger i rumtiden, der dannes af store astronomiske begivenheder - såsom fusionen af et binært sort hulpar. De blev først forudsagt for over et århundrede siden af Einsteins teori om generel relativitet, som tydede på, at massive forstyrrelser ville ændre rumtidsstrukturen. Imidlertid var det først i de senere år, at der blev observeret bevis for disse bølger for første gang.
Det første signal blev opdaget af LIGOs tvillingobservatorier - i henholdsvis Hanford, Washington og Livingston, Louisiana - og spores til en fusion i sort muldvarp 1,3 milliarder lysår væk. Indtil videre har der været fire detektioner, som alle skyldtes sammensmeltningen af sort hulpar. Disse fandt sted den 26. december 2015, den 4. januar 2017 og den 14. august 2017, hvor den sidste blev opdaget af LIGO og den europæiske jomfruens gravitationsbølgedetektor.
For den rolle, de spillede i denne præstation, blev halvdelen af prisen tildelt i fællesskab til Caltechs Barry C. Barish - Ronald og Maxine Linde professor i fysik, emeritus - og Kip S. Thorne, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysik , Emeritus. Den anden halvdel blev tildelt Rainer Weiss, professor i fysik, emeritus, ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Som Caltech præsident Thomas F. Rosenbaum - Sonja og William Davidow præsidentformand og professor i fysik - sagde i en nylig Caltech pressemeddelelse:
”Jeg er meget glad og hædret over at lykønske Kip og Barry samt Rai Weiss fra MIT med tildelingen i morges af Nobelprisen i fysik 2017. Den første direkte observation af gravitationsbølger ved LIGO er en ekstraordinær demonstration af videnskabelig vision og vedholdenhed. Gennem fire årtier med udvikling af udsøgt følsom instrumentering - skubber vi vores fantasiers kapacitet - er vi nu i stand til at skimte kosmiske processer, der tidligere ikke kunne påvises. Det er virkelig starten på en ny æra inden for astrofysik. ”
Denne præstation var desto mere imponerende i betragtning af, at Albert Einstein, der først forudsagde deres eksistens, mente tyngdekraftsbølger ville være for svage til at studere. I 1960'erne førte fremskridt inden for laserteknologi og ny indsigt i mulige astrofysiske kilder forskere til at konkludere, at disse bølger faktisk kunne være påviselige.
De første tyngdekraftsdetektorer blev bygget af Joseph Weber, en astrofysik fra University of Maryland. Hans detektorer, der blev bygget i 1960'erne, bestod af store aluminiumscylindre, der ville blive drevet til at vibrere ved at passere tyngdepunktbølger. Andre forsøg fulgte, men alle viste sig ikke at være vellykkede; der anmoder om et skift mod en ny type detektor, der involverer interferometri.
Et sådant instrument blev udviklet af Weiss hos MIT, der var afhængig af teknikken kendt som laserinterferometri. I denne form for instrument måles gravitationsbølger ved hjælp af vidt adskilte og adskilte spejle, der reflekterer lasere over lange afstande. Når tyngdekraftsbølger får plads til at strække og klemme i uendelige mængder, får det det reflekterede lys inde i detektoren til at forskyde sig lidt.
På samme tid begyndte Thorne - sammen med sine studerende og postdocer i Caltech - med at forbedre teorien om tyngdekraftsbølger. Dette omfattede nye skøn over styrken og frekvensen af bølger produceret af genstande som sorte huller, neutronstjerner og supernovaer. Dette kulminerede i et papir fra 1972, som Throne co-publicerede med sin studerende, Bill Press, som opsummerede deres vision om, hvordan tyngdekraftsbølger kunne studeres.
Samme år offentliggjorde Weiss også en detaljeret analyse af interferometre og deres potentiale for astrofysisk forskning. I denne artikel sagde han, at operationer i større skala - der måler flere km eller mere i størrelse - muligvis kunne få et skud på at registrere gravitationsbølger. Han identificerede også de største udfordringer ved detektering (såsom vibrationer fra Jorden) og foreslog mulige løsninger til at modvirke dem.
I 1975 inviterede Weiss Thorne til at tale på et NASA-udvalgsmøde i Washington, D.C., og de to tilbragte en hel nat med at tale om gravitationseksperimenter. Som et resultat af deres samtale gik Thorne tilbage til Calteh og foreslog at oprette en eksperimentel tyngdekraftgruppe, der ville arbejde på interferometre parallelt med forskere ved MIT, University of Glasgow og University of Garching (hvor lignende eksperimenter blev udført).
Udviklingen på det første interferometer begyndte kort derefter på Caltech, hvilket førte til oprettelsen af en 40 meter (130 fod) prototype til test af Weiss 'teorier om tyngdekraftsbølger. I 1984 kom alt det arbejde, der udføres af disse respektive institutioner, sammen. Caltech og MIT dannede med støtte fra National Science Foundation (NSF) LIGO-samarbejdet og begyndte at arbejde på dets to interferometre i Hanford og Livingston.
Konstruktionen af LIGO var en stor udfordring, både logistisk og teknisk. Men tingene blev hjulpet enormt, da Barry Barish (dengang en Caltech-partikelfysiker) blev LIGOs hovedundersøgelse (PI) i 1994. Efter et årti med stoppede forsøg blev han også gjort til direktør for LIGO og satte dens konstruktion tilbage på sporet . Han udvidede også forskerteamet og udviklede en detaljeret arbejdsplan for NSF.
Som Barish antydede, var det arbejde, han udførte med LIGO, noget af en drøm, der blev til virkelighed:
”Jeg har altid ønsket at være en eksperimentel fysiker og blev tiltrukket af ideen om at bruge fortsatte fremskridt inden for teknologi til at gennemføre grundlæggende videnskabelige eksperimenter, som ikke kunne gøres på anden måde. LIGO er et godt eksempel på, hvad der ikke kunne gøres før. Selvom det var et meget stort projekt, var udfordringerne meget forskellige fra den måde, vi bygger en bro på eller udfører andre store ingeniørprojekter. For LIGO var udfordringen og hvordan man udvikler og designer avanceret instrumentering i stor skala, selv når projektet udvikler sig. ”
I 1999 var byggeriet pakket ind på LIGO-observatorierne, og i 2002 begyndte LIGO at indhente data. I 2008 begyndte arbejdet med at forbedre dets originale detektorer, kendt som Advanced LIGO Project. Processen med at konvertere 40-m-prototypen til LIGOs nuværende 4 km (2,5 mi) interferometre var et massivt tilsagn, og det var derfor nødvendigt at opdele dem i trin.
Det første skridt fandt sted mellem 2002 og 2010, da teamet byggede og testede de indledende interferometre. Selvom dette ikke resulterede i nogen afsløringer, demonstrerede det observatoriets grundlæggende koncepter og løste mange af de tekniske hindringer. Den næste fase - kaldet Advanced LIGO, der fandt sted mellem 2010 og 2015 - gjorde detektorerne i stand til at opnå nye følsomhedsniveauer.
Disse opgraderinger, der også skete under Barishs ledelse, muliggjorde udvikling af flere nøgleteknologier, som i sidste ende gjorde den første detektion mulig. Som Barish forklarede:
”I den indledende fase af LIGO, for at isolere detektorerne fra jordens bevægelse, brugte vi et ophængssystem, der bestod af testmassespejle hængt af klavertråd og brugte et flertrinssæt med passive støddæmpere, svarende til dem i din bil. Vi vidste, at dette sandsynligvis ikke ville være godt nok til at registrere gravitationsbølger, så vi i LIGO-laboratoriet udviklede et ambitiøst program til Advanced LIGO, der inkorporerede et nyt ophængssystem til at stabilisere spejle og et aktivt seismisk isoleringssystem til at fornemme og korrigere for jordbevægelser. ”
I betragtning af hvor centralt Thorne, Weiss og Barish var i undersøgelsen af tyngdekraftsbølger, blev alle tre med rette anerkendt som årets modtagere af Nobelprisen i fysik. Både Thorne og Barish blev underrettet om, at de havde vundet i de tidlige morgentimer den 3. oktober 2017. Som svar på nyheden var begge videnskabsfolk sikre på at anerkende den igangværende indsats fra LIGO, de videnskabsteam, der har bidraget til det, og indsatser fra Caltech og MIT med at skabe og vedligeholde observatorierne.
”Prisen hører med rette til de hundreder af LIGO-videnskabsmænd og -ingeniører, der har bygget og perfektioneret vores komplekse gravitationsbølgeinterferometre, og de hundreder af LIGO- og Jomfru-videnskabsmænd, der fandt gravitationsbølgesignalerne i LIGOs støjende data og udtrækkede bølgenes information, ”Sagde Thorne. ”Det er uheldigt, at prisen på grund af vedtægterne fra Nobelfonden skal gå til højst tre personer, når vores vidunderlige opdagelse er mere end tusind arbejde.”
”Jeg er ydmyg og æret over at modtage denne pris,” sagde Barish. ”Påvisning af tyngdekraftsbølger er virkelig en triumf for moderne storstilet eksperimentel fysik. I løbet af flere årtier udviklede vores hold hos Caltech og MIT LIGO til det utroligt følsomme udstyr, der gjorde opdagelsen. Da signalet nåede LIGO fra en kollision af to stjernersorte huller, der opstod for 1,3 milliarder år siden, kunne det 1.000-videnskabssterke LIGO Scientific Collaboration både identificere kandidatbegivenheden inden for få minutter og udføre den detaljerede analyse, der overbevisende demonstrerede, at gravitationsbølger eksisterer."
Når vi ser fremad, er det også temmelig klart, at Advanved LIGO, Advanced Virgo og andre gravitationsbølgerobservatorer verden over lige er kommet i gang. Ud over at have opdaget fire separate begivenheder, har nylige studier indikeret, at gravitationsbølgedetektion også kunne åbne nye grænser for astronomisk og kosmologisk forskning.
For eksempel foreslog en nylig undersøgelse foretaget af et team af forskere fra Monash Center for Astrophysics et teoretisk koncept kendt som 'forældreløs hukommelse'. I henhold til deres forskning forårsager tyngdekraften ikke kun bølger i rummet, men efterlader permanente krusninger i dens struktur. Ved at studere "forældreløse" fra tidligere begivenheder kan tyngdepunktbølger studeres både når de når Jorden og længe efter at de er gået.
Derudover blev en undersøgelse frigivet i august af et team af astronomer fra Center for Cosmology ved University of California Irvine, der indikerede, at fusioner i sort hul er langt mere almindelige, end vi troede. Efter at have udført en undersøgelse af kosmos beregnet til at beregne og kategorisere sorte huller, besluttede UCI-teamet, at der kunne være så mange som 100 millioner sorte huller i galaksen.
En anden nylig undersøgelse indikerede, at det avancerede LIGO-, GEO 600- og Virgo-gravitationsbølgedetektornetværk også kunne bruges til at detektere tyngdekraftsbølger skabt af supernovaer. Ved at registrere bølger skabt af stjerne, der eksploderer nær slutningen af deres levetid, kunne astronomer være i stand til at se inde i hjertene til sammenbrudte stjerner for første gang og undersøge mekanikken i dannelse af sort hul.
Nobelprisen i fysik er en af de højeste hæder, der kan tildeles en videnskabsmand. Men endnu større end det er viden om, at store ting er resultatet af ens eget arbejde. Ti år, efter Thorne, Weiss og Barish begyndte at foreslå gravitationsbølgeundersøgelser og arbejde hen imod oprettelse af detektorer, gør forskere fra hele verden dybe opdagelser, der revolutionerer den måde, vi tænker på universet.
Og som disse forskere helt sikkert vil attestere, er det, vi har set hidtil, bare toppen af isbjerget. Man kan forestille sig, at et eller andet sted stråler Einstein også med stolthed. Som med anden forskning, der vedrører hans teori om generel relativitet, demonstrerer undersøgelsen af tyngdekraftsbølger, at selv efter et århundrede, var hans forudsigelser stadig knallende!
Og sørg for at tjekke denne video af Caltech Pressekonference, hvor Barish og Thorn blev hædret for deres præstationer:
