At fange Einsteins bølger

Astronomer har observeret himlen på stort set samme måde i næsten 400 år. Siden Galileo vendte sine teleskoper mod månen i 1609, har de brugt stadig mere sofistikerede midler til at detektere lys udsendt af fjerne objekter og indsamler ikke bare synligt lys, men også radiobølger, røntgenstråler og andre former for elektromagnetisk stråling. Men nogle af de mest spændende ting i rummet sender ikke lys vores vej.

Kandidatstuderende Alma Steingart og Brett Shapiro, LIGO-forsker Rich Mittleman og fysikprofessor Nergis Mavalvala i MIT LIGO-laboratoriet.

Evnen til at observere universet ved hjælp af noget andet end lys kunne indlede en ny æra af astronomi - en æra, som MIT-fysikere tror snart vil være over os. Deres håb afhænger af at detektere gravitationsbølger, en slags fundamental stråling forudsagt af Einstein i 1916, men endnu ikke direkte observeret. At analysere gravitationsbølger, mener de, vil give en hidtil uset måde at studere aktiviteten af ​​spiralformede neutronstjerner, sorte huller og kernerne af kollapsende stjerner.

Ikke kun er gravitationsbølger forudsagt af Einsteins relativitetsteori, men forudsigelserne understøttes af indirekte empiriske beviser, såsom ændringer i kredsløb af binære neutronstjerner, som forskere har observeret i årtier. Før astronomer kan analysere gravitationsbølger fra fjerne objekter, skal eksperimentelle fysikere imidlertid opdage bølgerne direkte.

Et team af forskere fra MIT og Caltech kan ikke modstå udfordringen. De driver i fællesskab Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som er finansieret af National Science Foundation på steder i staten Washington og Louisiana. Bygget i 1990'erne er LIGO baseret på design udviklet i 1970'erne af Rainer Weiss '55, PhD '62, som nu er professor emeritus i fysik ved MIT. Ved at detektere ændringer i afstanden mellem fint kalibrerede spejle måler LIGOs instrumenter bittesmå forvrængninger i rum-tidens struktur. Med den første generation af detektorer, som kostede 230 millioner dollars, var sandsynligheden for at opdage en gravitationsbølge lav. Men LIGO-fysikere tror, ​​at de nu har teknologien til at vende om. Med opgraderinger på vej håber de at opnå en tidoblet stigning i følsomheden – nok, mener de, til at detektere gravitationsbølger et par gange om måneden i 2014.

Disse fysikere nyder at tackle et af de sværeste præcisionstekniske problemer i verden: måling af afstande, der er mindre end de mindste atomkerner. Det er virkelig svært. Og det har en enorm tiltrækning, siger Nergis Mavalvala, PhD '97, en lektor i fysik, der designer opgraderede instrumenter til LIGO. Men endnu mere spændende end udfordringen er det potentielle udbytte. Tyngdebølgefysik kommer til at ændre den måde, vi ser universet på, siger lektor i fysik Erik Katsavounidis, der analyserer LIGO-data. Der er få ting i den klasse.

Fra Newton til Einstein
Newton beskrev tyngdekraften som en tiltrækningskraft mellem masser. Men selv Newton var utilfreds med sin manglende evne til at forklare hvad årsager tyngdekraft. Det blev overladt til Einstein, som forklarede, hvordan tyngdekraften opstår ved at beskrive selve rummet på en ny måde.

Før Einstein mente man, at rummet var absolut, og det eksisterede uden for indflydelsen af ​​masserne, der bevægede sig i det. Einstein opfattede rummet som formbart og foreslog, at tid og rum var en del af et firedimensionelt system. Masser som solen forvrænger rum-tidens struktur, hvilket forårsager det, fysikere kalder rum-tid krumning. Denne krumning påvirker andre massers bevægelse: med andre ord er det, hvad vi oplever som tyngdekraften.

Efterhånden som masser accelererer, foreslog Einstein, forårsager de krusninger i rumtiden som bølgerne, der rejser gennem vandet i kølvandet på en båd. Disse rum-tid vågner er, hvad han kaldte gravitationsbølger. Ligesom lys- og lydbølger er de beskrevet i form af frekvens og bølgelængde. I Newtons ligninger udøves tyngdekraften øjeblikkeligt, en tilnærmelse, der fungerer smukt til det meste af det, vi kan observere. Men gravitationsbølger forplanter sig gennem rumtiden med lysets hastighed. Så enhver ændring i tyngdekraften af ​​et fjernt objekt tager tid at nå Jorden, ligesom dets lys gør. Alt dette tager et stykke tid at vikle dit hoved om, indrømmer Scott Hughes, en assisterende professor i fysik.

Når gravitationsbølger rejser, strækker de sig og klemmer rumtiden, siger Mavalvala. Hvis en gik igennem dig lige nu, blev du måske lidt højere, så lidt kortere; lidt bredere, så lidt tyndere. På samme måde, hvis en gravitationsbølge passerer gennem to objekter, varierer afstanden mellem dem. LIGO er designet til at måle denne effekt.

Det sker sådan, at de ting, LIGO vil være god til at opdage, såsom sorte huller, der kolliderer med neutronstjerner, ikke kan ses godt med teleskoper. Men selvom sådanne fænomener er interessante, er den virkelige værdi af at studere dem, siger Hughes, at de vil lade os teste fysikkens love i områder af universet, der er meget ulig vores egen.

Newtons love fungerer godt i vores solsystem, hvor tyngdekraften er svag. Men i nærheden af ​​sorte huller, siger Rainer Weiss, er rummet så stærkt graviterende, at det ikke er fladt længere; det er krøllet sammen om sig selv på forfærdelige måder. Med LIGO, siger han, kommer vi til at se ting fra områder i universet, hvor Einstein er hele historien. Newton kan du glemme alt om. LIGO, håber fysikere, vil åbne det, Hughes kalder et ekstremt laboratorium. Måling af gravitationsbølger vil give os indsigt i rummets og tidens dybeste natur, siger Edward Bertschinger, leder af MITs fysikafdeling. Indtil vi har studeret dem grundigt, har vi ikke forstået tyngdekraften.

Det tog dog lang tid, før det fysiske etablissement troede, at teknologier designet til at måle gravitationsbølger var værd at investere i. Weiss, der har brugt hele sin karriere på MIT, spillede en vigtig rolle i at vende udviklingen.

Oprindelsen af ​​LIGO
Selv Einstein erkendte, at gravitationsbølger ville være svære, hvis ikke umulige, at måle. Selvom han troede, at de virkelig eksisterede, begyndte fysikere i 1930'erne at tænke på gravitationsbølger som matematiske kuriositeter. Og uden nogen måde at teste sine ideer om dem, bakkede Einstein selv tilbage fra sine tidligere påstande.

Men i 1960 besluttede en mand, som Weiss kalder modig og en fantasifuld nød, at prøve at måle gravitationsbølger. Joseph Weber, en professor ved University of Maryland, byggede en detektor, der fungerede noget som en metalxylofonstang; men i stedet for at vibrere, når den blev ramt af en hammer, ville den vibrere, når den blev ramt af gravitationsbølger. Weiss siger, at Weber så alle mulige vidunderlige ting og hævdede, at han havde opdaget, hvad Einstein forudsagde.

Problemet var, at ingen kunne duplikere hans resultater, selvom Weber, der døde i 2000, holdt fast ved dem. Weiss siger, at en mere omhyggelig fysiker ville have været mere skeptisk over for sine egne konklusioner; han spekulerer i, at Webers maskiner kan have opdaget ting som lynnedslag eller problematiske telefonlinjer, men Weber undersøgte ikke andre mulige forklaringer på hans data. Uden uafhængig bekræftelse af Webers bølger gik feltet i en frygtelig tilstand, siger Weiss.

Weiss, ikke mindre fantasifuld end Weber, var også interesseret i gravitation fra et eksperimentelt perspektiv. Han var flygtet ud af MIT i 1950'erne, men fik en ny chance af den legendariske fysikprofessor Jerrold Zacharias, som hyrede ham til at arbejde i hans laboratorium. Efter at have opnået sin PhD ved MIT, tilbragte Weiss tid på Princeton University i laboratoriet hos Robert Dicke, en førende ekspert i gravitation.

Kort efter at han kom tilbage til MIT som professor, fik Weiss til opgave at undervise en klasse på kandidatniveau om relativitet. Det var foråret 1966, og Webers detektor var oppe at køre. Jeg kunne ikke forstå, hvad Weber lavede, husker Weiss, så han besluttede at forklare gravitationsbølger til sine elever ved at udtænke den mest enkeltsindede forklaring på, hvordan du kunne opdage en, som jeg kunne forestille mig. Hans idé var at bruge et interferometer, en L-formet konfiguration af lige store spejle, der bruger laserlys til præcist at måle afstand. Når gravitationsbølger passerer objekter, strækker og komprimerer de rumtiden på en sådan måde, at afstandene mellem disse objekter ændres. Jo større indledende afstand mellem to objekter, jo større er ændringen. Jo større forandring, jo lettere er det at måle.

I løbet af de næste par år udviklede Weiss prototyper til det, der skulle blive LIGO. Forskere ved Caltech, såvel som finansierere ved National Science Foundation, kom bag om hans planer, før MIT-administrationen gjorde det; Instituttet var tilbageholdende med at dedikere penge til, hvad der virkede som et risikabelt forslag. Men da Weiss’ samarbejde med Caltechs Kip Thorne og Ronald Drever var på plads, og finansieringen var sikret, kom MIT ombord.

Dagens LIGO er et sæt enorme interferometre, to af dem med fire kilometer lange arme og en tredje med to kilometer lange arme. Mere som et øre end et øje vil LIGO fange de bølger, den kan høre, uanset hvilken retning de kommer fra. Men Weiss håber, at teknologien vil komme til at fungere som en ny slags teleskop.

Ved hjørnet af hvert L er et spejl, der deler en laserstråle i to og sender en stråle ned ad hver arm gennem vakuumforseglede rør af rustfrit stål til et spejl for enden. Spejlene reflekterer bjælkerne tilbage til hjørnet, hvor de rekombinerer for at skabe et interferensmønster af lyse og mørke pletter. Dette mønster forbliver det samme, så længe intet bevæger sig. Men hvis en gravitationsbølge passerer gennem interferometeret, klemmer den subtilt og strækker rummet og støder spejlene, så mønsteret ændres.

Det her lyder simpelt nok. Men at få støjen ud af systemet er utroligt komplekst. Alt andet på planeten kan flytte spejlene mere end gravitationsbølger kan, siger Mavalvala, med meget lidt overdrivelse. Hun krydser af på en kort liste over fænomener, der kan forstyrre LIGO: tektoniske pladebevægelser, havbølger, vejtrafik, undergrundsbaner, endda bare aktiviteten af ​​mennesker, der bevæger sig rundt. Ikke engang i fremstillingen af ​​mikroprocessorer med meget små funktioner skal tingene holdes nær så stille, som de gør i LIGOs detektorer. Kun en visionær kunne se på de tekniske krav til LIGO og være uforskrækket, siger Bertschinger.

LIGO-forskere analyserer data fra detektorernes første fuldskalakørsel, fra november 2005 til oktober 2007. Den store mængde data – detektorerne genereret omkring en gigabyte om dagen – udgør en enorm beregningsmæssig udfordring. Endnu sværere er det at beslutte, hvordan man bestemmer, hvornår en gravitationsbølge er blevet opdaget ud over enhver rimelig tvivl. I betragtning af Webers arv, siger Erik Katsavounidis, vil vi være dødsikre.

Forskere mener, at LIGOs nuværende teknologi burde være i stand til at opdage voldsomme kosmiske begivenheder såsom supernovaer, så længe de ikke er for langt væk. For vores galakse har vi god følsomhed, siger Katsavunidis. Supernovaer er dog sjældne; de menes at forekomme inden for LIGOs rækkevidde cirka en gang hvert 30. år. Indtil LIGO kan se længere, siger han, kan de bedste potentielle kilder til påviselige gravitationsbølger være objekter, som astrofysikere ikke engang kender til endnu.

Den næste generation
Ved at bruge det største ultrahøjvakuumsystem på Jorden kan LIGO detektere spejlforskydninger så små som 10-18 meter - en tusindedel så stor som kernen i det mindste atom. Denne følsomhed vil fordobles inden for omkring et år, takket være forbedringer, som Mavalvala sammenligner med at sætte en turbomotor i en bil. Og LIGO-teamet planlægger at udskifte de første detektorer helt. Bygget til et projekt kaldet Advanced LIGO, vil det nye sæt af detektorer være 10 gange så følsomt, hvilket øger mængden af ​​observerbart rum tusind gange.

I LIGO-teamets stærkt oplyste laboratorium af hangarlignende proportioner på den vestlige side af MITs campus dukker Mavalvala sit hoved med baseballhatte under et af to 15 meter lange rustfrit stålrør. Rørene forbindes i en L-form for at danne en replika i mindre skala af Louisiana og Washington interferometre. I nærheden sidder et apparat, der ser ud til at være blevet konstrueret ud fra et gigantisk Erector-sæt, på en forhøjet stålplatform indkapslet i plastikplader. Mavalvala forklarer, hvordan Advanced LIGO vil sørge for, at de platforme, hvorfra spejlene er ophængt, forbliver meget, meget stille.

Når apparatet kører, registrerer accelerometre på platformene bevægelse, og motorer korrigerer for det ved at bevæge platformen i den modsatte retning. Hvert spejl vil hænge fra sin platform på en wire, der holder metal- og glasvægte. Det resulterende pendul har en naturlig frekvens, der er lavere end gravitationsbølgernes. Når platformen rystes hurtigt af seismisk støj, vil pendulerne buffere spejlenes bevægelse, hvilket sikrer, at de små bevægelser på grund af gravitationsbølger ikke vil blive maskeret.

Disse forbedringer vil forbedre LIGOs følsomhed over for lavfrekvente gravitationsbølger. Men når man måler forskydninger, der er langt mindre end et atom, må forskere også kæmpe med forskellige støjkilder, der begrænser følsomheden i andre områder. I det mellemliggende område er LIGO begrænset af termisk bevægelse: atomer ved temperaturer over det absolutte nulpunkt støder rundt. Således introducerer metalatomerne i ledningerne, der ophænger LIGOs spejle, støj i systemet. Avanceret LIGO vil bruge specialfremstillede fibre af bart glas, et mindre tabsgivende materiale: atomerne bevæger sig mindre, og mindre af deres bevægelse overføres til spejlet.

Ved højere frekvenser er lysets kvanteegenskaber problemet. Når man laver en måling med lys, siger Mavalvala, skal man forholde sig til selve lysets støjegenskaber. Større lasereffekt betyder et bedre signal-til-støj-forhold: Avanceret LIGOs laser vil have 20 gange så stor effekt som den nuværende.

Med disse forbedringer burde vi se noget en gang om ugen, siger David Shoemaker, SM '80, MIT seniorforsker, der leder Advanced LIGO. Hvis vi intet ser, er der noget galt med den generelle relativitetsteori.

Når en gravitationsbølge først opdages, vil alle have en hæsblæsende fest, siger Scott Hughes. Så efter tømmermændene er forbi, vil vi sige: 'Okay, hvad gør vi nu?'

Ved at skabe computermodeller af objekter som sorte huller forsøger Hughes at finde ud af, hvordan man bruger gravitationsbølger til at lave astronomi. Da intet lys slipper ud fra sorte huller, har fysikere kun set dem indirekte - for eksempel ved at detektere røntgenstråler, som stjerner udsender, når de trækkes ind i en. Men når sorte huller spiser noget, siger Weiss, udstøder de en meget tilfreds bøvs - en gravitationsbølge. Givet den måde, den generelle relativitetsteori beskriver ting på, givet detektorerne, som vi har designet dem, siger Hughes, hvor præcist kan jeg gøre ting som at måle massen og spin af et sort hul?

Fysikerne, der stiller sådanne spørgsmål, træder ud i det ukendte, og de kan ikke forudsige alt, hvad de kan lære. Men, siger Bertschinger, jeg ønsker, at MIT skal være en del af den æra – at deltage i den kommende videnskabsfest.

skjule