Yerçekimi dalgalarının yeni dalgası | Uzay

birYaklaşık 10 milyar trilyon trilyon milisaniye Büyük Patlama’da yaratılışın başlangıcında, evrenin kısa ama saçma derecede hızlı bir büyüme hamlesi yaşadığı düşünülüyor. Enflasyon adı verilen bu olay o kadar feciydi ki, uzay ve zamanın dokusu yerçekimi dalgalarına (GW’ler) ayarlandı. Karşılaştırıldığında, ilk kez altı yıl önce keşfedilen GW’ler, çarpışan kara deliklerden küçük olaylar olan büyük bir sıçrama yapıyorlardı. Ama şimdi bilim adamları Avrupa’da Uzay ESA, gözünü daha büyük hedeflere dikmiş durumda ve olaydan yaklaşık 14 milyar yıl sonra, evrenin şişkin doğum sancılarının zayıf yankılarını şimdiye kadar yapılmış en büyük enstrümanı kullanarak yakında tespit edebilmeyi umuyor. Dünya’dan yüzlerce kez daha büyük olan Esa’nın planlanmış yerçekimi dalgası dedektörü, uzayda yüzecek ve her türlü büyük astrofiziksel kasılmaların neden olduğu uzay-zamandaki salınımları arayacaktır.

İlk GW, başarısıyla üç ana savunucusuna 2017 Nobel Fizik Ödülünü kazandıran uluslararası bir proje olan Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (Ligo) tarafından 2015 yılında tanımlandı. Ligo, ABD’nin Washington ve Louisiana eyaletlerinde bulunan iki dev dedektörden oluşuyor. Her biri, lazer ışınının uzak uçtaki ayna boyunca ilerlediği ve ardından geri sektiği, dik bir açıyla kesişen iki adet 2,5 millik (4 kilometrelik) tünel açar. Geri dönen ışık dalgaları, kollar kesiştiğinde birbiriyle etkileşir. GW geçtiğinde, çok az küçülür veya uzay-zamanı uzatır. Bu etki her kolda farklı olacağından ışık dalgalarının senkronizasyonunu değiştirir ve böylece iki ışının girişimini değiştirir.

LEGO yalnız değildir. 2015 Noel Günü’nde ikinci bir GW keşfi daha sonra İtalya merkezli Avrupa dedektörü Virgo ile işbirliği içinde doğrulandı. Japonya’da Kagra adlı bir dedektör geçen yılın başlarında çalışmaya başladı ve Hindistan ve Çin’de başka cihazlar planlanıyor.

Şimdiye kadar görülen kara deliklerin çoğu, iki kara deliğin çarpışmasından kaynaklanıyor gibi görünüyor. Bu yıldızlar, kendi kütleçekiminin etkisiyle yanarak çöken güneşimizden kat kat daha büyük kütleli yıldızlardan oluşur. Yerçekimini kütlenin neden olduğu uzay-zamanın bozulması olarak tanımlayan Albert Einstein’ın genel görelilik teorisine göre, çöküş, ışığın bile ulaşamayacağı kadar yoğun bir yerçekimi alanı üreten çok yoğun bir “tekillik” dışında hiçbir şey kalmayana kadar devam edebilir. kaçış. ondan.

İki kara delik birbirlerinin yerçekimi nedeniyle çarpışırsa, birbirlerinin yörüngesinde dönebilir ve birleşene kadar yavaş yavaş içe doğru incelirler. Genel görelilik, LIGO’nun keşfine kadar doğrudan bir kanıt olmamasına rağmen, bu tür olayların evrende GW dalgaları göndereceğini bir asırdan fazla bir süre önce öngördü. Nötron yıldız birleşmeleri gibi diğer aşırı astrofiziksel olaylardan da kaynaklanabilirler: kara deliklerden daha az kütleli yanan yıldızlar, bir kişinin yüksüğünün 50 m ağırlığında olduğu kadar yoğun maddeden oluştukları noktada çöküşlerini durdurmuşlardır. fil.

GW, çok daha büyük nesneler tarafından da üretilebilir. Galaksimizin ve diğer birçok galaksinin merkezinde, çöken yıldızlardan ve gaz ve kozmik toz bulutlarından oluşan, güneşimizin kütlesinin birkaç milyon katı olan süper kütleli bir kara delik var. Bu süper kütleli kara deliklere doğru dalgalanan nesneler, Ligo ve Virgo tarafından görülen küçük kara delik birleşme dalgalarından daha düşük frekanslarda ve daha uzun dalga boylarında salınan GW’ler üretir.

Yer tabanlı dedektörler bunları tam olarak belirleyemez – bu, bir ıstakoz kabında balina yakalamaya çalışmak gibi olur. Onları görmek için, interferometri detektörünün çok daha uzun kollara ihtiyacı olacaktır. Her kanal kolunun uzun, düz olması ve herhangi bir titreşim içermemesi gerektiğinden, bu zor bir işlemdir. Bu nedenle araştırmacılar, bunun yerine uzayda düşük frekanslı jiotlar yapmayı planlıyorlar. Bu planların en gelişmişi şu anda Esa için üretilmekte olan cihazdır: a: Uzay anteni lazer interferometresi (Lisa).

LISA, başka bir uzay aracının içinde serbestçe yüzen bir aynadan sıçramak için bir uzay aracından lazerler gönderecek. Üç uzay aracı kullanarak Ligo gibi çift kollu L şeklinde bir yapı oluşturabilirsiniz. Ancak kolların dik açılarda olması gerekmez: Bunun yerine, Lisa üç uzay aracını üçgenin köşelerine birkaç milyon mil uzağa yerleştirecek ve her köşesi üç dedektörden biri olacak. Tüm grup Dünya’nın yörüngesini takip ederek gezegenimizi yaklaşık 30 metre takip edecek.

Uzayda lazer interferometri yapmanın fizibilitesini test etmek için 2015 yılında Esa adlı bir pilot proje başlattı. Lisa Yol Bulucu – Uzay aracı, teknolojiyi küçük ölçekte gösterdi. görev, Görevi yürüten proje bilimcisi Issa Paul McNamara, 2017’de tamamlandı ve “bizi mahvetti” diyor. “Hiçbir değişiklik ya da hiçbir şey olmadan ilk gün gereksinimlerimizi karşıladı.” Bir uzay aracının içinde yüzen bir aynanın, tek bir atomun boyutunun binde biri kadar salınım yaparak inanılmaz derecede sabit kalabileceğini gösterdi. Sabit tutmak için uzay aracı, güneşten gelen ışıktan gelen kuvvete yanıt vermek için küçük iticiler kullanır.

Başka bir deyişle McNamara, “Uzay aracımız koronavirüsün boyutundan daha kararlıydı” diyor. Ve aynı zamanda, çünkü LISA’nın, GW’ye bağlı olarak, bir milyon mil üzerindeki bir atomun onda biri genişliğindeki kol uzunluğundaki bir değişikliği algılaması gerekecek.

Ancak, Lisa’nın serbest bırakılması en az on yıl olmayacak. McNamara, “İnşa etmemiz gereken üç uydu var ve her birinin birçok parçası var” diyor. “Sadece zaman alıyor – ve bu çok karmaşık bir görevin talihsiz gerçeklerinden biri.” Bir sonraki dönüm noktası, 2024’te beklenen “misyonun resmi olarak kabul edilmesi”. “Bu noktada, misyonun ayrıntılarını ve hangi ESA üyesi ülkelerin ve ABD’nin neye katkıda bulunduğunu ve bunun ne kadara mal olduğunu öğreneceğiz. Jones Üniversitesi’nden astrofizikçi Emmanuel Berti diyor. Baltimore’daki Hopkins.

Japonya ve Çin de GW uzay dedektörleri için planlamanın ilk aşamalarındadır. McNamara bunu bir rekabet olarak değil, iyi bir şey olarak görüyor – çünkü birden fazla dedektörle dalgaların kaynağını belirlemek için üçgenleme kullanmak mümkün olabilir.

“Lisa, GW astronomisini, görünür ışığı aşan şekilde değiştirecek. [to radio waves, X-rays etc] Sıradan astronomide oyunun kurallarını değiştiren bir şeydi” diyor Bertie. “Farklı GW kaynakları sınıflarına bakıyor olacak.” Süper kütleli kara delik birleşmelerini inceleyerek, diyor ki, “Dünyadaki yapıların oluşumu hakkında çok şey anlamayı umuyoruz. evren ve yerçekiminin kendisi hakkında.” Lisa, Big Bang’in başlarında enflasyondan kaynaklanan “ilkel” GW’leri zaten görmüştü, bu yüzden bu, her şeyin nasıl başladığına dair teorileri test edebilir.

TBurada, amaca yönelik bir dedektör gerektirmeyen düşük frekanslı GW’leri görmenin başka bir yolu olabilir. Kuzey Amerika Nanohertz Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (NanoGrav) adlı bir işbirliği, GW’lerin pulsar adı verilen “kozmik saatler” zamanlaması üzerindeki etkisini araştırmak için küresel bir radyo teleskop ağı tarafından yapılan gözlemleri kullanır.

Pulsarlar, kutuplarından yoğun radyo dalgaları gönderen ve deniz feneri ışınları gibi gökyüzünü süpüren nötron yıldızlarının etrafında hızla dönerler. Pulsar sinyalleri çok düzenli ve tahmin edilebilir. Tennessee’deki Vanderbilt Üniversitesi’nden NanoGrav ekip üyesi Stephen Taylor, “Bir GW, pulsar ile Dünya arasında geçerse, çakışan uzay-zamanı bozar” diyor ve darbenin beklenenden daha erken veya geç ulaşmasına neden oluyor.

Aslında, pulsarlar dedektör haline gelir. Boulder’daki Colorado Üniversitesi’nden NanoGrav ekibi üyesi Julie Comerford’un dediği gibi, bu, “dedektör” kollarına Dünya ile pulsarlar arasındaki mesafe kadar uzun: belki de binlerce ışıkyılı verir. Bu büyüklüğü nedeniyle, NanoGrav tarafından algılanabilen sinyaller çok uzun dalga boylarına ve çok düşük frekanslara sahiptir, hatta LISA’nın erişiminin ötesindedir ve tüm galaksiler çarpışırken birleşen, Güneş’ten milyarlarca kat daha büyük süper kütleli kara delikler tarafından üretilir. . Taylor, başka hiçbir dedektörün onu hissedemeyeceğini söylüyor. Hayal edilemez derecede felaket olsa da, bu entegrasyonlar aslında oldukça yaygındır ve NanoGrav, birçoğunun yaptığı gibi bir yutturmacaya sahip olacaktır. Commerford, “Evrende, birbirlerinin yörüngesinde dönen ve gigawattlar üreten süper kütleli kara delikler çiftleri var” diyor. “Bu dalgalanmalar, salladığımız bir GW denizi üretiyor.”

Ocak ayında NanoGrav ekibi, Colorado’daki Comerford doktora sonrası araştırmacısı Joseph Simon tarafından yönetildi. Bu GW geçmişinin ilk olası keşfini bildirin. Sinyalin gerçekten GW’lerden kaynaklandığını doğrulamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulmasına rağmen, Commerford sonucu “son birkaç yılda gördüğüm en heyecan verici astrofizik sonucu” olarak nitelendiriyor.

NanoGrav aslında ışık yılı büyüklüğünde bir GW detektörü kullanıyorsa, University College London’dan fizikçi Sougato Bose, bir dolaba sığacak kadar küçük bir tane yapabileceğimizi düşünüyor. Onun fikri, genellikle atomlar gibi çok küçük nesneleri tanımlayan kuantum teorisinin daha sıra dışı etkilerinden birine dayanmaktadır. Kuantum nesneleri süperpozisyon denilen duruma yerleştirilebilir; bu, özelliklerinin ölçülene kadar benzersiz bir şekilde belirlenmediği anlamına gelir: birden fazla sonuç mümkündür.

Kuantum bilimciler atomları rutin olarak kuantum süperpozisyonuna sokabilirler – ancak bu tür garip davranışlar, baksak da bakmasak da orada ya da burada olan futbol topları gibi büyük nesneler için ortadan kalkar. Bildiğimiz kadarıyla, bu kadar büyük bir şey için süperpozisyon imkansız değildir – onu tespit edilecek kadar uzun süre sürdürmek imkansızdır, çünkü süperpozisyon, nesnenin çevresiyle herhangi bir etkileşim tarafından kolayca yok edilir.

Bose ve meslektaşları öneriyor bir atom ve bir futbol topu arasında orta büyüklükte bir nesnenin kuantum bir süperpozisyonunu yaratabilseydik – yaklaşık yüz nanometre çapında, büyük bir viral partikül boyutunda küçük bir kristal – süperpozisyon o kadar riskli olurdu ki, geçici bir GW’ye duyarlıdır. Aslında, iki potansiyel kuantum süperpozisyon durumu, iki ışık dalgası gibi üst üste bindirilebilir ve GW kaynaklı uzay-zaman bozulmaları bu girişimde bir değişiklik olarak görünecektir.

Bose, uzaydan daha fazla boş bir boşlukta tutulan ve mutlak sıfırdan oluşan bir filament içinde soğutulan elmas nanokristallerin, hile yapacak kadar uzun süre süperpozisyonda tutulabileceğini düşünüyor. Kolay olmayacak, ancak tüm teknik zorlukların zaten ayrı ayrı sunulduğunu söylüyor – hepsini bir araya getirme meselesi. “Yeterli fon varsa, önümüzdeki 10 yıl boyunca bunu yapmak için hiçbir engel görmüyorum” diyor.

Bu ve diğer gelişmeler GW astronomisinde bir patlamaya yol açarsa, ne göreceğiz? McNamara, “Evrende yeni bir pencere açtığınızda, genellikle beklemeyeceğiniz şeyler görürsünüz” diyor. GW’lere neden olduğunu zaten bildiğimiz daha fazla olay türünü görmenin yanı sıra, kolayca açıklayamayacağımız sinyaller alabiliriz. McNamara, “İşte eğlence o zaman başlıyor” diyor.