|
100 lat temu Albert Einstein przewidział występowanie "zmarszczek" w czasoprzestrzeni, jednak nikomu do tej pory nie udało się dowieść ich istnienia doświadczalnie.
Odkrycia dokonano dzięki 2 oddalonym od siebie o 3 tys. km detektorom (jeden w Waszyngtonie, a drugi w Luizjanie) amerykańskiego obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).
Każdy z detektorów LIGO składa się z dwóch 4 kilometrowych rur, stykających się ze sobą pod kątem prostym (w kształcie litery L). W obu rurach bardzo dokładnie mierzona jest ich długość. W każdej z nich puszcza się wiązkę laserową, która odbija się od zwierciadeł na ich końcach około 100 razy i pada na fotodetektor*.
Schemat detektora LIGO (źródło)
Teoretycznie czas, po którym promień lasera z obu rur dotrze do detektora, powinien być ideealnie taki sam. Oznacza to, że droga, którą światło przebyło w obu przypadkach jest taka sama, ale jeżeli w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, wtedy jedno z ramion detektora będzie nieco dłuższe i spowoduje to, że jedna z wiązek dotrze do fotodetektora z niewielkim opóźnieniem.
Jeden z detektorów LIGO z lotu ptaka
Zarejestrowany sygnał, trwał zaledwie 0,12 sekundy, ale był niezwykle wyraźny i bardo dobrze zgadzał się z przewidywaniami, konsekwencjami ogólnej teorii względności Einsteina.
Pomiary systemu LIGO wykonane przez instrumenty w Livingstonie (po prawej) i Hanfordzie (po lewej) wraz z przewidywanymi wartościami teoretycznymi (źródło)
Względna różnica długości dwóch rur wyniosła 10-21: dla odległości 4 km jest to jedna tysięczna rozmiaru protonu. Według naszej wiedzy, jest to najdokładniejszy pomiar w fizyce. Nasza Galaktyka (o promieniu 100 tys. lat świetlnych), pod wpływem fali "spuchła" na moment o 1 (jeden) metr.
Przypuszcza się, że źródłem zarajestrowanej fali grawitacyjnej było zderzenie czarnych dziur, które miało miejsce ponad miliard lat temu.
Wyniki eksperymentu ogłoszono 11.02.2016 r., na konferencjach odbywających się równolegle w USA i we Włoszech. Odkrycie fal grawitacyjnych jest ukoronowaniem pracy badaczy związanych z eksperymentami przy detektorach LIGO w USA oraz Virgo we Włoszech - łącznie ponad 1300 osób z kilkunastu krajów (w tym 15 Polaków).
Odkrycie fal grawitacyjnych otwiera nam w przyszłości zupełnie nowe okno do obserwowania Wszechświata. Po raz pierwszy też dotarł do nas sygnał od czarnej dziury (a właściwie dwóch).
Przedstawienie graficzne teoretycznego modelu fal grawitacyjnych, w którym dwie bardzo duże masy szybko krążą wokół siebie (źródło).
Zob. też symulację NASA Ames Research Center
Fala grawitacyjna polega na "rozciąganiu" czasoprzestrzeni, trochę w lewo, trochę w prawo (jest to tzw. fala podłużna).
Zobacz też:
Literatura
Pierwsze odgłosy zderzenia czarnych dziur (The first sounds of merging black holes)
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016.
Inne publikacje, które doprowadziły do odkrycia (opracował KS)
|
 |
The advanced LIGO input optics
Chris L. Mueller, Muzammil A. Arain, Giacomo Ciani, Ryan. T. DeRosa, Anamaria Effler, David Feldbaum, Valery V. Frolov, Paul Fulda, Joseph Gleason, Matthew Heintze, Keita Kawabe, Eleanor J. King, Keiko Kokeyama, William Z. Korth, Rodica M. Martin, Adam Mullavey, Jan Peold, Volker Quetschke, David H. Reitze, David B. Tanner
Rev. Sci. Instrum. 87, 014502 (2016) |
|
|
|
Thermal effects in the Input Optics of the Enhanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory interferometers
Katherine L. Dooley, Muzammil A. Arain, David Feldbaum, Valery V. Frolov, Matthew Heintze, Daniel Hoak, Efim A. Khazanov, Antonio Lucianetti, Rodica M. Martin, Guido Mueller, Oleg Palashov, Volker Quetschke, David H. Reitze, R. L. Savage, D. B. Tanner, Luke F. Williams, Wan Wu
Rev. Sci. Instrum. 83, 033109 (2012) |
|
|
|
|
A high precision, compact electromechanical ground rotation sensor
V. Dergachev, R. DeSalvo, M. Asadoor, A. Bhawal, P. Gong, C. Kim, A. Lottarini, Y. Minenkov, C. Murphy, A. O'Toole, F. E. Peña Arellano, A. V. Rodionov, M. Shaner, E. Sobacchi
Rev. Sci. Instrum. 85, 054502 (2014) |
Design and initial characterization of a compact, ultra high vacuum compatible, low frequency, tilt accelerometer
A. O’Toole, F. E. Peña Arellano, A. V. Rodionov, M. Shaner, E. Sobacchi, V. Dergachev, R. DeSalvo, M. Asadoor, A. Bhawal, P. Gong, C. Kim, A. Lottarini, Y. Minenkov, C. Murphy
Rev. Sci. Instrum. 85, 075003 (2014) |
|
|
|
|
A high precision, compact electromechanical ground rotation sensor
V. Dergachev, R. DeSalvo, M. Asadoor, A. Bhawal, P. Gong, C. Kim, A. Lottarini, Y. Minenkov, C. Murphy, A. O'Toole, F. E. Peña Arellano, A. V. Rodionov, M. Shaner, E. Sobacchi
Rev. Sci. Instrum. 85, 054502 (2014) |
A programmable broadband low frequency active vibration isolation system for atom interferometry
Biao Tang, Lin Zhou, Zongyuan Xiong, Jin Wang, Mingsheng Zhan
Rev. Sci. Instrum. 85, 093109 (2014) |
Note: A three-dimension active vibration isolator for precision atom gravimeters
Min-Kang Zhou, Xin Xiong, Le-Le Chen, Jia-Feng Cui, Xiao-Chun Duan, Zhong-Kun Hu
Rev. Sci. Instrum. 86, 046108 (2015) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LIGO and the Detection of Gravitational Waves
Barry C. Barish, Rainer Weiss
Physics Today 52, 44 (1999) |
Searches for continuous gravitational waves with LIGO and GEO600
M. Landry, LIGO Scientific Collaboration
AIP Conference Proceedings 983, 627 (2008) |
Laser interferometer gravitational radiation detectors
R. W. P. Drever
AIP Conference Proceedings 96, 336 (1983) |
Hands-on gravitational wave astronomy: Extracting astrophysical information from simulated signals
Louis J. Rubbo, Shane L. Larson, Michelle B. Larson, Dale R. Ingram
Am. J. Phys. 75, 597 (2007) |
Gravitational radiation observations on the moon
R. T. Stebbins, J. W. Armstrong, P. L. Bender, R. W. P. Drever, R. W. Hellings, P. R. Saulson
AIP Conference Proceedings 207, 637 (1990) |
A toroidal solution of the vacuum Einstein field equations
Kip S. Thorne
Journal of Mathematical Physics 16, 1860 (1975) |
|
Idea, tekst, opracowanie: Krzysztof Służewski KS16
* w podobny sposób, Abraham Michelson, noblista ze Strzelna, szukał w 1887 roku "wiatru eteru".
Pomysł doświadczenia z zawieszonymi masami pochodzi z 1968 roku. Ale problemem było zmierzenie niezwykle małych przemieszczeń takich mas pod wpływem fal grawitacyjnych. 50 lat rzesze naukowców i techników pracowało nad schłodzeniem zwierciadeł, ich delikatnym zawieszeniem i izolacją od drgań. Ale włożona praca przyniosła wynik: będzie za niego nagroda Nobla, i to niedługo.
(GK, 13.02.2016)
|
|
