Vad är det?
Torsdagen den 11 februari kl 10:30 kommer National Science Foundation i Washington sammanföra forskare från Caltech, MIT och Scientific Collaboration of LEU för att tillkännage resultaten av insatserna från Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) för att upptäcka gravitationella vågor .
Som ett resultat av några mycket specifika rykten som är inriktade på den möjliga upptäckten av denna elusiva rippel i yttre rymden finns det stora förhoppningar om att LIGOs vetenskapliga samarbete äntligen kommer att upphöra med feberisk resonemang och meddela upptäckten av gravitationella vågor.
Men varför är detta så viktigt? Och vad är "gravitationella vågor"?
Gravitationsvågor i deras mest generaliserade mening är pulsationer i yttre rymden. Albert Einstein antog lite mer än 100 år sedan, dessa pulsationer bär gravitationskraften från accelerationen av massiva objekt i rymden. Vi kan föreställa oss gravitationsvågor som krusningar på ytan av en damm; kasta en sten i vattnet och vågorna kommer att gå över ytan av ett fallet föremål. Gravitationsvågor är liknande: möta två svarta hål (som ett exempel), och "krusningen" kommer att gå i rymden och överföra energi från kollisionsplatsen vid ljusets hastighet. Det finns inga beprövade observationer av närvaron av gravitationella vågor, men deras identifiering ansågs inte vara möjligt ... tills nyligen.
Vad gör dem?
Svarta hål är de mest massiva och täta föremålen som finns i universum, och är förmodligen centra för gravitationsvågaktivitet, särskilt när de kolliderar och sammanfogar. Sammanslagningen av svarta hål betraktas som nyckeln till tillväxtmekanismen hos dessa gravitationella jättar. När två galaxer sammanfogar sina centrala, mycket tunga, svarta hål börjar rotera runt varandra i en spiral och sedan kollidera, bildar ett stort svart hål. I detta fall kommer gravitationella vågor från att spiralera svarta hål innan de kolliderar. Ju fler objekt närmar varandra, ju starkare vågornas gravitationskraft ökar, allt mer energi från svarta hål till deras kollision, ringer som en "klocka" efter deras sammanslagning. Ett annat energifenomen som genererar en snabb utbrott av gravitationella vågor är supernovae. Efter en massiv stjärna går ur vätebränsle exploderar den och bildar ett massivt gravitationstryck. Som en följd av explosionen kommer en pulsering av gravitationella vågor att inträffa, vilket kommer att gå genom yttre rymden.
Gravitationsvågor kan också skapas av snabbt roterande objekt, men det finns ett trick. Endast asymmetriska (det vill säga inte symmetriska) enorma roterande föremål kan avge gravitationella vågor i en periodisk form. Exempelvis kommer en snabbt roterande neutronstjärna med en konvex ackumulering av ämnen på ena sidan av halvklotet att "röra upp" rymdtid för att skapa gravitationella vågor. En perfekt symmetrisk neutronstjärna skapar emellertid inte gravitationsvågor. Det enklaste sättet att förstå detta är att föreställa sig en ovalformad boll som roterar på ytan av en pool; medan bollen spinner, skapar den stora vågor på vattnet. En rund boll, å andra sidan, kommer att skapa subtila krusningar på ytan.
Big Bang, förmodligen, orsakade också en kraftfull ström av gravitationella vågor, vid universums ursprung, omkring 14 miljarder år sedan. Emellertid är dessa initiala gravitationsvågor osannolikt att detekteras, eftersom deras signal är för svag i det moderna universum. Men försök görs för att upptäcka dem i Big Bangs "bakgrundsljus". Ett sådant projekt är BICEP2-teleskopet vid Sydpolen, som letar efter en mycket specifik typ av polarisering i kosmisk mikrovågsugnbakgrund, förmodligen orsakad av primär gravitationsvågor. Trots senaste meddelanden har dessa signaler ännu inte upptäckts.
Hur kan vi upptäcka dem?
Under 2002 började Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO) arbeta med en specifik uppgift: direkt detektering av gravitationsvågor som passerar genom vår lokala rymdvolym. Gravitationsvågor överförs i yttre rymden och kan detekteras i någon del av himlen natt och dag, genom nebula, stjärnor och till och med fasta planeter. Dessa vågor, teoretiskt, går hela tiden genom yttre rymden, färdas helt fritt. Dessa vågor kan vara överallt, men deras effekt är överraskande svag, och LIGO var utformad för att undersöka deras möjliga existens. LIGO består av två observationsstationer som ligger på ett avstånd av 2 tusen mil från varandra - en i Washington, den andra i Louisiana. Båda stationerna är identiska och har två långa L-formade tunnlar. Varje tunnel är 2,5 miles lång. L-vinkeln innehåller ett sofistikerat optiskt laboratorium som använder lasrar för att upptäcka små fluktuationer i avstånd som orsakas av en gravitationsvågs passage. Genom att upprepade gånger studsa lasrar längs tunneln och sedan jämföra strålar kan LIGO-utrustning detektera den minsta fasbytet. Denna extremt exakta teknik kallas interferometri. Varje fasbyte kan innebära en liten krökning av rymdtid - en liten förändring i avstånd, motsvarande 1/1000 bredden av ett proton.
LIGO kunde hittills inte upptäcka några signaler om gravitationskvällar, men med uppgraderingen till Advanced LIGO kan situationen förändras.
Att ha två stationer är avgörande för Advanced LIGO. Om en station upptäcker en förändring i rymdtiden, och den andra inte, kan forskare utesluta förökning av gravitationsvågor. Dessa falska larm kan orsakas av vibrationer från en lastbil eller i starka vindar under en storm. Endast om två stationer registrerar samma händelse kommer existensen av en gravitationsvågsignal att bekräftas.
Andra markbundna vågdetektorer, som Virgo (Italien) och GEO 600 (Tyskland), använder också interferometri för att fånga dessa små svängningar av rymdtid. Nyligen lanserades LISA Pathfinder-uppdraget för att testa nyckelteknologier med hjälp av rymdantennen Evolution Laser Interferometer Space Next Generation Space Interferometer (eLISA), som Europeiska rymdorganisationen planerar att starta 2034.
Varför är de så viktiga?
Bekräftelsen av detektering av gravitationsvågor är den slutliga sammanslagningen av teoretisk fysik och teknisk utveckling. Gravitationsvågor föds direkt från Einsteins generella relativitetsteori, som beskriver rymd och tidens natur. Det är förvånande att Einstein sådde 100 år sedan, ett år om året, frön för dessa störningar i rymdtiden, bara för att vi i ett århundrade kunde utveckla teknik och försöka faktiskt upptäcka dem. Deras upptäckt kommer att bekräfta ett annat antagande om den allmänna relativitetsteorin och hjälpa oss i framtiden att hitta svar på några av de mest obehagliga pusselarna mot astrofysiker och kosmologer.
Direkt detektering av gravitationsvågor är utan tvekan en händelse värd Nobelpriset och det vetenskapliga samfundet har ingen tvekan om att denna prestation kommer att vara i nivå med upptäckten av Higgs boson 2012 och eventuellt även med begreppet Edwin Hubble om universums expansion 1929.
Det är nyfiken att han föreslog att olika kosmiska fenomen kommer att skapa gravitationella vågor av olika frekvens. Modern astronomi fokuserar på användningen av det elektromagnetiska spektret för att utforska universum. Traditionellt användes den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumets ljus av astronomer för att öppna planeter och till och med titta in i närliggande galaxer. Med utvecklingen av astronomiska metoder och modernisering av teknik började astronomer studera vågor av olika frekvenser, såsom röntgenstrålar, för att se energihändelser kring svarta hål och infraröd strålning, för att undersöka de stjärnformande nebulae.
Men direkt detektering av gravitationsvågor blir ett paradigmskifte. Med ett tillräckligt antal detektorer av gravitationsvågor kommer vi att kunna "se" föremål och föremål som förblir osynliga för det elektromagnetiska spektrumet. Två svarta hål som kolliderar, till exempel, kan inte skapa mycket elektromagnetisk strålning, men de kan skapa en stor gravitationsvågssignal. Och som elektromagnetisk strålning kommer gravitationsvågornas frekvens att beskriva karaktären hos de fenomen som genererar dem. I slutändan kommer vi att kunna skapa en gravitationskarta över det närliggande universum med tidsmässiga fenomen, som supernovaer och periodiska pulsationer från rotationen av svarta hål. Astronomiska gravitationella vågor kommer att skapa en revolution i vår uppfattning om universum.
