În februarie 2016, oamenii de știință care lucrează pentru Observatorul Laser Interferometru Gravitational-Wave (LIGO) au făcut istorie când au anunțat prima detectare a undelor gravitaționale. Din acel moment, au avut loc mai multe detecții și colaborări științifice între observatoare - cum ar fi Advanced LIGO și Advanced Virgo - permit realizarea unor niveluri fără precedent de sensibilitate și schimb de date.
Nu numai că prima detectare a undelor gravitaționale a fost o realizare istorică, a creat o nouă eră a astrofizicii. Nu este de mirare, atunci, de ce cei trei cercetători care au fost cei care au stat la baza primei depistări au primit premiul Nobel pentru fizică din 2017. Premiul a fost acordat în comun profesorilor calteci emeriti Kip S. Barish, împreună cu profesorul emerit al MIT Rainer Weiss.
Pentru a spune simplu, undele gravitaționale sunt ondulări în spațiu-timp, care sunt formate de evenimente astronomice majore - cum ar fi fuziunea unei perechi binare de găuri negre. Acestea au fost prezise pentru prima dată în urmă cu peste un secol de Teoria relativității generale a lui Einstein, care a indicat că perturbările masive ar modifica structura spațiului-timp. Cu toate acestea, abia în ultimii ani s-au observat pentru prima dată dovezi ale acestor valuri.
Primul semnal a fost detectat de gemenii observatori ai LIGO - în Hanford, Washington și, respectiv, în Livingston, Louisiana - și a fost urmărit spre o fuziune de alunițe negre aflată la 1,3 miliarde de ani lumină. Până în prezent, au fost patru detectări, toate datorate fuziunilor perechilor de găuri negre. Acestea au avut loc în data de 26 decembrie 2015, 4 ianuarie 2017 și 14 august 2017, ultimele fiind detectate de LIGO și detectorul de unde gravitaționale de tip Virgo European.
Pentru rolul pe care l-au jucat în această realizare, o jumătate din premiu a fost acordată în comun lui Barry C. Barish de la Caltech - Ronald și Maxine Linde, profesor de fizică, emerit - și Kip S. Thorne, Richard P. Feynman, profesor de fizică teoretică. , Emerit. Cealaltă jumătate a fost acordată lui Rainer Weiss, profesor de fizică, emerit, la Institutul Tehnologic din Massachusetts (MIT).
Așa cum a declarat președintele Caltech, Thomas F. Rosenbaum - catedra prezidențială Sonja și William Davidow și profesor de fizică - într-o declarație recentă de presă din Caltech:
„Sunt încântat și onorat să-i felicit pe Kip și Barry, precum și pe Rai Weiss din MIT, pentru acordarea acestei premii a Premiului Nobel pentru fizică din 2017. Prima observare directă a undelor gravitaționale de către LIGO este o demonstrație extraordinară a viziunii științifice și a persistenței. Prin patru decenii de dezvoltare a instrumentației deosebit de sensibile - împingând capacitatea imaginațiilor noastre - suntem acum capabili să vedem procese cosmice care anterior erau nedetectabile. Este cu adevărat începutul unei noi ere în astrofizică. ”
Această realizare a fost cu atât mai impresionantă, având în vedere că Albert Einstein, care a prezis prima dată existența lor, credea că undele gravitaționale vor fi prea slabe pentru a fi studiate. Cu toate acestea, până în anii '60, progresele înregistrate în tehnologia laser și noile perspective asupra posibilelor surse astrofizice i-au determinat pe oamenii de știință să concluzioneze că aceste unde pot fi de fapt detectabile.
Primii detectori de unde gravitaționale au fost construiți de Joseph Weber, un astrofizic de la Universitatea Maryland. Detectoarele sale, care au fost construite în anii '60, constau din cilindri mari de aluminiu care urmau să vibreze prin trecerea undelor gravitaționale. Au urmat alte încercări, dar toate s-au dovedit nereușite; determinând o schimbare către un nou tip de detector care implică interferometrie.
Un astfel de instrument a fost dezvoltat de Weiss la MIT, care s-a bazat pe tehnica cunoscută sub numele de interferometrie cu laser. În acest tip de instrument, undele gravitaționale sunt măsurate folosind oglinzi larg distanțate și separate care reflectă laserele pe distanțe lungi. Când undele gravitaționale fac ca spațiul să se întindă și să se strecoare cu cantități infinitezimale, aceasta face ca lumina reflectată din interiorul detectorului să se miște minuțios.
În același timp, Thorne - împreună cu elevii și postdocurile sale de la Caltech - au început să lucreze pentru îmbunătățirea teoriei undelor gravitaționale. Aceasta a inclus noi estimări privind puterea și frecvența undelor produse de obiecte precum găurile negre, stelele cu neutroni și supernovele. Aceasta a culminat cu o lucrare din 1972 pe care Tronul a publicat-o împreună cu elevul său, Bill Press, care rezumă viziunea lor despre modul în care undele gravitaționale puteau fi studiate.
În același an, Weiss a publicat, de asemenea, o analiză detaliată a interferometrelor și a potențialului lor de cercetare astrofizică. În această lucrare, el a afirmat că operațiunile la scară mai mare - care măsoară câțiva km sau mai mult ca mărime - ar putea avea o lovitură la detectarea undelor gravitaționale. De asemenea, el a identificat provocările majore ale detectării (cum ar fi vibrațiile de pe Pământ) și a propus posibile soluții pentru combaterea acestora.
În 1975, Weiss a invitat-o pe Thorne să vorbească la o ședință a comitetului NASA din Washington, D.C., iar cei doi au petrecut o noapte întreagă vorbind despre experimente gravitaționale. În urma conversației lor, Thorne a revenit la Calteh și a propus crearea unui grup de gravitație experimental, care să lucreze la interferometre în paralel cu cercetătorii de la MIT, Universitatea din Glasgow și Universitatea din Garching (unde s-au efectuat experimente similare).
Dezvoltarea pe primul interferometru a început la scurt timp după aceea la Caltech, ceea ce a dus la crearea unui prototip de 40 de metri (130 de metri) pentru a testa teoriile lui Weiss despre undele gravitaționale. În 1984, toate lucrările desfășurate de aceste instituții respective s-au reunit. Caltech și MIT, cu sprijinul Fundației Naționale a Științei (NSF) au format colaborarea LIGO și au început să lucreze la cele două interferometre ale sale din Hanford și Livingston.
Construcția LIGO a fost o provocare majoră, atât logistic, cât și tehnic. Cu toate acestea, lucrurile au fost ajutate imens atunci când Barry Barish (pe atunci fizician de particule Caltech) a devenit Investigatorul Principal (PI) al LIGO în 1994. După un deceniu de încercări blocate, el a fost făcut și directorul LIGO și a pus din nou construcția pe traseu. . De asemenea, el a extins echipa de cercetare și a elaborat un plan de lucru detaliat pentru FSN.
După cum a indicat Barish, munca pe care a făcut-o cu LIGO a fost ceva dintr-un vis devenit realitate:
„Mi-am dorit întotdeauna să fiu fizician experimental și am fost atras de ideea de a folosi progrese continue în tehnologie pentru a realiza experimente științifice fundamentale care nu se puteau face altfel. LIGO este un exemplu primordial al ceea ce nu se mai putea face până acum. Deși a fost un proiect la scară foarte mare, provocările au fost foarte diferite de modul în care construim un pod sau realizăm alte proiecte inginerești mari. Pentru LIGO, provocarea a fost și este modul de a dezvolta și proiecta instrumente avansate la scară largă, chiar și în timp ce proiectul evoluează. ”
Până în 1999, construcțiile s-au încheiat în observatoarele LIGO și până în 2002, LIGO a început să obțină date. În 2008, au început lucrările pentru îmbunătățirea detectoarelor sale originale, cunoscute sub numele de Advanced LIGO Project. Procesul de transformare a prototipului de 40 m în actualul interferometru LIGO de 4 km (2,5 mi) a fost o întreprindere masivă și, prin urmare, a trebuit să fie defalcat în trepte.
Primul pas a avut loc între 2002 și 2010, când echipa a construit și testat interferometrele inițiale. Deși acest lucru nu a dus la nicio detectare, a demonstrat conceptele de bază ale observatorului și a rezolvat multe dintre obstacolele tehnice. Următoarea fază - denumită Advanced LIGO, care a avut loc între 2010 și 2015 - a permis detectoarelor să atingă noi niveluri de sensibilitate.
Aceste îmbunătățiri, care s-au întâmplat și sub conducerea lui Barish, au permis dezvoltarea mai multor tehnologii cheie care au făcut posibilă prima detecție. După cum a explicat Barish:
„În faza inițială a LIGO, pentru a izola detectoarele de mișcarea pământului, am folosit un sistem de suspensie care consta din oglinzi de masă de test atârnate de sârmă de pian și am folosit un set de amortizoare pasive în mai multe etape, similar cu cele în mașina ta. Știam că acest lucru probabil nu va fi suficient de bun pentru a detecta undele gravitaționale, așa că, în Laboratorul LIGO, am dezvoltat un program ambițios pentru Advanced LIGO, care a încorporat un nou sistem de suspensie pentru a stabiliza oglinzile și un sistem activ de izolare seismică pentru a le simți și corecta pentru moțiuni la sol. "
Având în vedere cât de centrale au fost Thorne, Weiss și Barish pentru studiul undelor gravitaționale, toate trei au fost recunoscute pe drept drept beneficiari ai acestui an ai premiului Nobel pentru fizică. Atât Thorne, cât și Barish au fost anunțați că au câștigat în orele dimineții devreme pe 3 octombrie 2017. Ca răspuns la știri, ambii oameni de știință au fost siguri că vor recunoaște eforturile continue ale LIGO, echipele științifice care au contribuit la ea și eforturile lui Caltech și MIT în crearea și întreținerea observatorilor.
„Premiul aparține, pe bună dreptate, sutelor de oameni de știință și ingineri LIGO care au construit și perfecționat interferometrele noastre complexe de undă gravitațională și sutele de oameni de știință LIGO și Fecioară care au găsit semnale de unde gravitaționale în datele zgomotoase ale LIGO și au extras informațiile valurilor, A spus Thorne. „Este nefericit că, datorită statutului Fundației Nobel, premiul trebuie să fie de mai mult de trei persoane, când descoperirea noastră minunată este opera a peste o mie de oameni.”
„Sunt smerit și onorat să primesc acest premiu”, a spus Barish. „Detectarea undelor gravitaționale este cu adevărat un triumf al fizicii experimentale pe scară largă modernă. În decurs de câteva decenii, echipele noastre de la Caltech și MIT au dezvoltat LIGO în dispozitivul incredibil de sensibil care a făcut descoperirea. Când semnalul a ajuns la LIGO în urma unei coliziuni a două găuri negre stelare, care a avut loc în urmă cu 1,3 miliarde de ani, colaborarea științifică LIGO de 1.000 de oameni de știință a putut să identifice evenimentul candidat în câteva minute și să efectueze analiza detaliată care a demonstrat în mod convingător că undele gravitaționale exista."
Privind în viitor, este, de asemenea, destul de clar că Advanced LIGO, Advanced Virgo și alte observatorii de unde gravitaționale din întreaga lume abia încep. Pe lângă faptul că au detectat patru evenimente separate, studii recente au indicat că detectarea undelor gravitaționale ar putea deschide, de asemenea, noi frontiere pentru cercetările astronomice și cosmologice.
De exemplu, un studiu recent realizat de o echipă de cercetători de la Centrul Monash pentru Astrofizică a propus un concept teoretic cunoscut sub numele de „memorie orfană”. Conform cercetărilor lor, undele gravitaționale nu numai că provoacă valuri în spațiu-timp, dar lasă ondulări permanente în structura sa. Studiind „orfanii” evenimentelor din trecut, undele gravitaționale pot fi studiate atât pe măsură ce ajung pe Pământ, cât și după ce trec.
În plus, un studiu a fost lansat în august de o echipă de astronomi de la Centrul de Cosmologie de la Universitatea din California Irvine, care a indicat că fuziunile cu găurile negre sunt mult mai frecvente decât am crezut. După ce a efectuat un sondaj al cosmosului destinat să calculeze și să clasifice găurile negre, echipa UCI a stabilit că pot exista 100 de milioane de găuri negre în galaxie.
Un alt studiu recent a indicat că rețeaua de detecție de unde gravitaționale Advanced LIGO, GEO 600 și Virgo ar putea fi, de asemenea, utilizate pentru a detecta undele gravitaționale create de supernove. Prin detectarea valurilor create de stele care explodează aproape de sfârșitul planurilor lor de viață, astronomii ar putea să poată vedea în inima unor stele care se prăbușesc pentru prima dată și să sondeze mecanica formării găurilor negre.
Premiul Nobel pentru fizică este unul dintre cele mai înalte onoruri care pot fi acordate unui om de știință. Dar chiar mai mare decât aceasta este cunoașterea faptului că lucrurile grozave au rezultat din munca proprie. Decenii după ce Thorne, Weiss și Barish au început să propună studii pe valuri gravitaționale și să lucreze la crearea de detectori, oamenii de știință din întreaga lume fac descoperiri profunde care revoluționează modul în care gândim Universul.
Și cum acești oameni de știință vor atesta cu siguranță, ceea ce am văzut până acum este doar vârful aisbergului. Se poate imagina că, undeva, Einstein se aruncă și cu mândrie. La fel ca și în cazul altor cercetări referitoare la teoria sa despre relativitatea generală, studiul undelor gravitaționale demonstrează că, chiar și după un secol, predicțiile sale erau încă neplăcute!
Și nu uitați să consultați acest videoclip al Conferinței de presă din Caltech, unde Barish și Thorn au fost onorați pentru realizările lor:
