ايه هي ( الموجات الثقالية ) اللي العالم مقلوب عليها ?? * بيقولك ( اينشتين ) من ضمن النظريات اللي قالها من ١٠٠ سنة .. وكل ما العلم يتقدم يثبت ان كلامه صح هي نظرية الموجات الثقالية . * طب قال ايه ؟ * قال ان الكون كله عبارة عن طشت مية ( اروانة يعني او طبق الامونيا كبير مليان مية ) .. الطشت ده عايم عليه كور بلاستيك ( كواكب ) وشوية تراب ( نجوم ) وشوية حاجات تانية عايمة برضه .. جت حتة طوبة وقعت في الطشت .. قعدت المية تتهز في شكل دواير وكل حاجة عايمة عالوش تتهز هي كمان . * فنفس ذات النفس قاله الراجل ان ده بيحصل في الكون .. فالفراغ الكوني مترابط الزمان والمكان .. الزمكان .. بالضبط زي مكان وزمان الكور في الطشت .. اي مؤثر على حد فيهم هياثر على اخوه في الطشت بالموجات اللي هتحصل في المية ما بينهم .. وهي دي ( الموجات الثقالية ) . * اي نجم هينفجر ولا نقط سودا ولا كويكبات تخبط في بعضها هينبعث منهم الموجات الثقالية دي وتاثر على كامل الكون . * فاتعمل مركز من سنة ١٩٨٨ عشان يرصد الموجات دي اسمه ( ليجو ) اتكلف ملايين الدولارات .. وكمان مركزين تانيين برضه اتعملوا لنفس الموضوع .. المركز ده اكتشف عامناول ان فيه موجات ثقالية في الكون بس طول الموجة الواحدة اقل من قطر الذرة بمليار مرة .. يعني ولا حد هايحس بيها . * السؤال المصري الاصيل .. طب واحنا مالنا احنا ؟ * طب واحنا كان مالنا اما اكتشفوا موجات اشعة اكس وفادتنا بعدين في الطب .. وكان مالنا اما اكتشفوا الموجات الكهرومغناطيسية وعملت ثورة في الاتصالات والنقل الحي للاحداث والصور والصوت .. وغيرها وغيرها . * خلينا في الموجة الكوميدي اللي بقينا فيها ومش عارفين نطلع منها .
الأمواج الثقالية (gravitational waves) هي واحدة من أعظم تنبؤات النظرية النسبية العامة لأينشتاين، ففي النظرية النسبية العامة تُفسَّر الجاذبية من خلال انحناء الزمكان، حيث تعمل الأجسام الكبيرة على ثني الزمكان، بينما يملي انحناء الزمكان على الأجسام الكبيرة كيفية تحركها، وبذلك يكون تأثير الزمكان هو ما نسميه بالجاذبية.
هناك جهود مستمرة للكشف عن الأمواج الثقالية باستخدام مقاييس التداخل في الأرض والفضاء ومن خلال التوقيت الدقيق للنجوم النابضة. ومن المتوقع أن يتم الكشف عنها للمرة الأولى خلال السنوات القليلة القادمة، ومن شأن هذه الأرصاد أن تغير فهمنا للفيزياء الفلكية، والكونيات، والفيزياء الأساسية. ويشارك أعضاء مجموعة الجاذبية في معهد الفلك في جميع جوانب هذا العمل المتعلق باكتشاف الأمواج الثقالية، بما في ذلك مصادر النمذجة، وتحليل البيانات، واستكشاف الاستثمار العلمي للبيانات.
ما هي الأمواج الثقالية؟
إن التشبيه الأكثر شيوعاً لوصف الجاذبية في الصورة التي اقترحها أينشتاين هي تصور الزمكان بوصفه ورقة مطاطية مسطحة. فإذا ما دحرجنا كرة الطاولة فوق ورقة فهي ستتحرك بخط مستقيم، تماماً مثل أي شيء يتحرك بخط مستقيم في غياب الجاذبية. أما إذا وضعنا كرة البولينغ في وسط الورقة فإن الورقة ستتمطط، وهذا هو انحناء الزمكان بسبب الجاذبية. إذا دحرجنا كرة الطاولة مرة أخرى عبر الورقة فإنها الآن ستتبع المسار المنحني، أي أنها ستنجذب نحو كرة البولينغ بسبب جاذبيتها.
تدور الأرض حول الشمس بسبب انحناء الزمكان. المصدر: قناة WGBH، بوسطن. تدور الأرض حول الشمس بسبب انحناء الزمكان. المصدر: قناة WGBH، بوسطن.
عندما تتحرك الأجسام الثقيلة فيتوجب أن يتغير انحناء الزمكان لمتابعة مواقعها الجديدة. ويحتاج الزمكان وقتاً لذلك، حيث لا يمكن للمعلومات أن تنتقل بأسرع من سرعة الضوء. ولذلك فإن التموجات في الزمكان تشبه التموجات التي تظهر على سطح بركة عند تحريك السطح، وهذه التموجات في الزمكان هي الأمواج الثقالية.
ويعتبر الإشعاع أو الضوء الكهرطيسي EM من الأشكال المألوفة أكثر للموجات. وتمثل الأمواج الكهرطيسية ذبذبات في المجالين الكهربائي والمغناطيسي، في حين أن الأمواج الثقالية تنتج عن تذبذبات في الزمكان. وتنشأ الأمواج الكهرطيسية من الشحنات المتسارعة، بينما تنشأ الأمواج الثقالية من الكتل المتسارعة. وفي الأمواج الثقالية نحتاج كذلك إلى انعدام التناظر في النظام لإنتاج الإشعاع، فمثلاً نحتاج إلى نظام ثنائي وليس فقط لجسم أحادي "عديم الدوران"، ويمكن اعتبار ذلك نتيجة للحفاظ على الزخم.
توفر الأمواج الثقالية فرصة لاستكشاف فريد من نوعه لأكثر الأنظمة تطرفاً في الكون، ابتداءً بنشأة الثقوب السوداء فائقة الكتلة المندمجة، إلى النجوم المزدوجة التي تدور بسرعة تقرب من سرعة الضوء، وحتى الانفجار العظيم نفسه. إلا أن التحدي في علم الفلك الخاص بالأمواج الثقالية يكمن في رصد الموجات، ومن ثم فك شيفرة الإشارات لاستخراج المعلومات التي تحتويها.
المصادر الفيزيائية الفلكية للأمواج الثقالية
تتولد الأمواج الثقالية عن مجموعة واسعة من الظواهر، وكل واحدة منها يمكن أن تخبرنا بشيء مثير عن الكون:
الثنائيات المجرّية المُندمجة (galactic compact binaries): تتألف الثنائيات المُندمجة على الأقل من قزم أبيض أو نجم نيوتروني يدور جانب رفيقه. وتعتبر مثل هذه المصادر شائعة للغاية في المجرة لدرجة أن بإمكانها أن تبدأ بتشكيل خلفية صاخبة. وسيساعدنا رصد هذه المصادر على فهم نماذج التجمعات النجمية وتطور النجوم. ويجب على بعض الثنائيات النجمية المعروفة بثنائيات التحقق (verification binaries) أن تكون قابلة للكشف في غضون ساعات قليلة من تشغيل جهاز رصد محمول على متن مركبة فضائية، وستسمح لنا باختبار عمله. تقترب النجوم الموجودة في الأنظمة الثنائية من بعضها البعض ببطء وبشكل حلزوني، بينما تحمل الأمواج الثقالية معها الطاقة والزخم. وفي النهاية يندمج الجسمان معاً. ويعتبر الجرم الناتج عن اندماج نجم نيوتروني مع نجم نيوتروني آخر مرشحاً محتملاً لإصدار نفثات أشعة غاما القصيرة، وهي من الظواهر الأكثر إصداراً للطاقة في الكون.
رسم تخيلي لنفثات أشعة غاما. المصدر: ناسا رسم تخيلي لنفثات أشعة غاما. المصدر: ناسا
الثقوب السوداء المندمجة (black hole mergers): يشكل الاندماج أحد الطرق التي تتطور بها المجرات. وتشير الدلائل إلى أن الثقب الأسود فائق الكتلة، وهو ثقب أسود تفوق كتلته كتلة الشمس بملايين المرات، يتواجد في مراكز معظم المجرات. وعندما تندمج مجرتان فإن الثقبين الأسودين فائقي الكتلة الموجودين في مركز كل منهما يتقاربان من بعضهما البعض بشكل حلزوني. ويعتبر الإشعاع الثقالي المنبعث عند تصادمهما أحد أكثر الأحداث صخباً في الكون. وتعتبر الطاقة المنبعثة كإشعاع ثقالي من اندماج ثقبين أسودين فائقي الكتلة أكبر من كمية ضوء جميع النجوم الموجودة في الكون المرئي. ومن شأن قياس هذه الاندماجات أن يخبرنا بالعديد من الحقائق الممتعة عن خصائص الثقوب السوداء، متيحاً لنا الفرصة لاختبار فهمنا للإشعاع الثقالي، وكذلك تحسين فهمنا لتطور المجرة.
الدوامات فائقة نسبة الكتلة (extreme - mass-ratio - inspirals): قد تتحرك البقايا النجمية الموجودة في قلب المجرات، مثل الأقزام البيضاء، والنجوم النيوترونية، والثقوب السوداء، باتجاه الثقوب السوداء فائقة الكتلة الموجودة في مركز المجرة نتيجة للطرد الناجم عن أجسام أخرى. وإذا ما اقتربت بشكل كافٍ فهي ستبدأ بالدوران الحلزوني بحيث تتقلص مداراتها نظراً لفقدان كل من الطاقة والزخم الزاوي الذي تأخذه الأمواج الثقالية بعيداً. وتُعرف هذه الظاهرة بالدوامات فائقة نسبة الكتلة نظراً للفارق الكبير بين كتلة الثقوب السوداء فائقة الكتلة والأجرام التي تدور حولها على طريق الاندماج بها. وتكون هذه الدوامة بطيئة، ما يعني أنك تستطيع مشاهدة الأمواج الثقالية التي تنبعث أثناء مئات الآلاف من الدورات. ويسمح ذلك لنا ببناء صورة مفصلة للغاية للزمكان حول الثقوب السوداء فائقة الكتلة. وستمسح لنا مثل هذه الأحداث بتطبيق الفيزياء الأساسية من خلال التحقق بدقة من الحقل الثقالي القوي حول الثقوب السوداء فائقة الكتلة. وإذا ما أجرينا أرصاداً كافية فسنصبح قادرين على معرفة المزيد عن الأنظمة النجمية في مركز المجرات.
رسم تخيلي للزمكان في الدوامات فائقة نسبة الكتلة: ثقب أسود صغير يدور حول يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة. المصدر: ناسا. رسم تخيلي للزمكان في الدوامات فائقة نسبة الكتلة: ثقب أسود صغير يدور حول يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة. المصدر: ناسا.
الانفجار العظيم (the Big Bang): خضع الكون في المراحل الأولى من عمره لفترة من الاتساع السريع للغاية. وقد اتسعت التقلبات الصغيرة في الزمكان إلى حدٍ كبير خلال هذه الفترة بحيث ما زالت موجودة إلى اليوم، وتُعرف باسم خلفية الأمواج الثقالية. ويمكن الكشف عن هذا من خلال دراسة أنماط الاستقطاب في الخلفية الاشعاعية الكونية من الموجات الميكروية (CMB). ومن غير المحتمل أن نصبح قادرين على قياس هذه الخلفية بالأدوات المتوفرة حالياً، رغم أن ذلك ليس مستحيلاً. ومع ذلك فإن إمكانية الكشف عن هذه الموجات ستسمح لنا بفهمٍ أفضل للآلية التي قادت التوسع الأولي للكون واستكشاف الطاقة الفيزيائية العالية جداً. وستسمح خلفية الأمواج الثقالية لنا باستكشاف الماضي حتى لحظة الانفجار الأعظم، أي أكثر بكثير مما يمكن أن نراه باستخدام الإشعاع الكهرطيسي.
محاكاة للخلفية الإشعاعية للكون كما تم قياسها بواسطة بلانك. المصدر: وكالة الفضاء الأوروبية. محاكاة للخلفية الإشعاعية للكون كما تم قياسها بواسطة بلانك. المصدر: وكالة الفضاء الأوروبية.
تحولات الطور (phase transitions): مر الكون خلال تطوره من حالته الأولية في عدد من الأطوار التي يمكن أن تترافق مع كسر التناظر أو فصل اقتران القوى. ويمكن لهذه التحولات أن تؤدي إلى تشكل عدة أنواع من الإشعاعات الثقالية. وقياساً على ذلك لنتخيل تبريد المياه إلى أن تبدأ بالتحول إلى جليد، فهذا الوضع هو تحول في الطور. يبدأ الجليد بالتشكل كبلورات صغيرة تنمو باتجاه الخرج. ويمكن للأمر نفسه أن يحدث في الكون، حيث تخضع الجيوب الصغيرة لعملية تحول وتتوسع نحو الخارج كفقاعة. وفي أنواع معينة من التحولات تنبعث الأمواج الثقالية عندما تصطدم الفقاعات، بينما تنشأ العيوب الطوبوغرافية في حالات أخرى بعد التحول. وللتشبيه فإن القياس يكون ممكناً حين تنمو بلورتان من الجليد معاً، ولكن دون أن تكونا متراصفتين بشكل كامل، وبذلك تكون هناك حدود واضحة، خلل، أو جدار مجال.
هنالك نموذجان من العيوب الطوبوغرافية بالنسبة للزمكان، وهي الأوتار الكونية و جدران المجال: الأولى هي أوتار أحادية البعد من الطول الكوني، أما الثانية فهي ثنائية الأبعاد. يتوقع أن تكون مثل هذه العيوب نادرة، وذلك لأنها قد تضعف في الفضاء بفعل توسع الكون. إلا أنها تبدي إشارة فريدة للأمواج الثقالية، والذي يجعلها يسهلة الكشف. ومن شأن الكشف عنها بهذه الطريقة أن يشكل اكتشافاً مثيراً للفيزياء الغريبة.
محاكاة عددية لشبكة من الأوتار الكونية. عندما تتقاطع هذه الأوتار فهي تصبح قطعاً صغيرة من الحلقات التي تضمحل مع إصدارها لموجات ثقالية. Credit: Allen & Shellard (1990). محاكاة عددية لشبكة من الأوتار الكونية. عندما تتقاطع هذه الأوتار فهي تصبح قطعاً صغيرة من الحلقات التي تضمحل مع إصدارها لموجات ثقالية. Credit: Allen & Shellard (1990).
الكشف عن الأمواج الثقالية
لا نمتلك حتى الآن إلا أدلة غير مباشرة على وجود الأمواج الثقالية. وفي حين أننا لم نر الموجات بحد ذاتها، إلا أننا استطعنا قياس الطاقة والزخم الزاوي اللذين تحملهما معها. وقد رصدنا عدداً من النوابض الثنائية، فالنابض هو نجم نيوتروني، نجم ميت كان قد انهار حتى وصل إلى حالة من الكثافة العالية، وهو يرسل إشارة دورية "يتم رصدها كنبضة". تعتبر هذه الإشارات فائقة الانتظام، بل إن النوابض تعتبر في الواقع من أفضل الساعات في الطبيعة، الأمر الذي يسمح بقياس حركتها بمنتهى الدقة. والنوابض الثنائية هي أنظمة يدور فيها نجم نابض حول رفيقه، والذي يمكن أن يكون قزماً أبيض أو نجماً نيوترونياً (أو حتى نابض آخر). وقد كنا محظوظين بالعثور على مثل هذه الأنظمة الرائعة. ففي عام 1974 قام كل من رسل هالس (Russel A. Aulse) وجوزيف تايلور (Joseph H. Taylor) برصد أول ثنائي معروف من النوابض. وقد وجدا أن الفترات المدارية تتغير مع الوقت، وهذا التغير يتفق تماماً مع تنبؤات النسبية العامة فيما يتعلق بفقدان الطاقة والزخم الزاوي بسبب انبعاث الأمواج الثقالية! وقد حصل هالس وتايلور على جائزة نوبل للفيزياء في عام 1993 لتوصلهما إلى هذه النتيجة الرائعة.
الاضمحلال المداري لأحد نوابض هالس-تايلور الثنائية (PSR B1913+16). تمثل النقاط القيم المُقاسة، بينما يمثل المنحني التنبؤ النظري بالأمواج الثقالية. المصدر: وايزبيرغ وتايلور (2005). الاضمحلال المداري لأحد نوابض هالس-تايلور الثنائية (PSR B1913+16). تمثل النقاط القيم المُقاسة، بينما يمثل المنحني التنبؤ النظري بالأمواج الثقالية. المصدر: وايزبيرغ وتايلور (2005).
يعمل جمع غفير من العلماء والمهندسين حول العالم حالياً لتحقيق أول كشف مباشر للموجات الثقالية. ولرؤية تأثير موجة ثقالية عابرة تخيل أن لديك حلقة من الجسيمات تقع في مستوى ما، وعندما تمر الموجة عبر الحلقة فهي تتمطط وتنضغط، على الرغم من أن المنطقة المغلقة تبقى كما هي. وتعمل الكواشف من خلال محاولة قياس اختلافات الطول عبر الكاشف لدى مرور الموجة. وتكون التغيرات الجزئية في الطول ضئيلة، فهي تعادل جزءاً واحداً من 1021، ولذلك فإن القياسات تكون صعبة للغاية. ويعد ذلك بمثابة محاولة قياس المسافة بين الأرض والشمس بدقة حجم ذرة الهيدروجين!
تأثيرات اثنتين من الموجات الثقالية المُستقطبة، على شكل زائد (+) وإكس (×)، على حلقة من الجسيمات، حيث أن الموجة قد تسافر خارج الشاشة. تأثيرات اثنتين من الموجات الثقالية المُستقطبة، على شكل زائد (+) وإكس (×)، على حلقة من الجسيمات، حيث أن الموجة قد تسافر خارج الشاشة.
وتماماً كما هو الحال مع الإشعاع الكهرطيسي، فإن الأمواج الثقالية تكون محصورة في مجال معين من الترددات. ويتم تحديد التردد وفق مقياس النظام الذي يُنتج الإشعاع. ويمكن ملاحظة الأجزاء المختلفة من الطيف باستخدام كاشفات مختلفة.
رسم توضيحي لطيف الأمواج الثقالية ومصادرها والكواشف. المصدر: ناسا. رسم توضيحي لطيف الأمواج الثقالية ومصادرها والكواشف. المصدر: ناسا. نظام التردد المنخفض للغاية (extremely low frequency regime - ELF): يمتلك الإشعاع الثقالي الأقل تردداً أطوالاً موجية تقارب حجم الكون. ويمكن الكشف عنها باستخدام أدوات معينة مثل قمر بلانك الصناعي الذي يرصد استقطاب موجات الخلفية الإشعاعية للكون. ويرمز للإشعاع الثقالي بالاستقطاب في الطور B. هذا وستعلن شركة بلانك عن قياساتها الأولى في عام 2013.
نظام التردد المنخفض جداً (very low frequency regime - VLF): يمكن قياس الإشعاع الثقالي الذي تقارب فترته عدة سنوات من خلال الأرصاد المتأنية والدقيقة لشبكة من النجوم النابضة التي تبلغ دورتها جزءاً من الألف من الثانية. وتستفيد صفائف توقيت النجوم النابضة (pulsar timing arrays) من الانتظام الفائق في الإشارات التي تصدر عن النجوم النابضة. وتشير التبدلات الدورية في مواعيد وصول إشارات النجوم النابضة إلى تشوه الزمكان بين الأرض والنوابض عند مرور موجة ثقالية. ولعل استخدام العديد من النوابض معاً سيتيح لنا المجال لتحديد الإشارة بدقة.
هناك العديد من المجموعات التي تراقب النوابض حالياً: وهي المصفوفة الأوروبية لتوقيت النوابض (EPTA)، والمرصد الأمريكي الشمالي للموجات الثقالية النانوية (NANOGrav)، ومصفوفة باركس لتوقيت النوابض (PPTA) في أستراليا. ويطلق على هذه المجموعات مجتمعة اسم المصفوفة الدولية لتوقيت النوابض (IPTA). وحيث أن البحث عن الأمواج الثقالية يتم على امتداد فترات تصل إلى سنوات، فإن الكشف عنها يتطلب سنوات من الرصد. ونرجو أن يتم تحقيق هذا الكشف في وقت قريب. وستتحسن قدرتنا على مراقبة النوابض بشكل كبير بعد اكتمال مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، والتي تُعد أكبر تلسكوب راديوي في العالم.
رسم تخيلي لصفيف من الإشعاعات المنبعثة من النجوم النابضة، وحين يدور النابض فهي تؤدي إلى حدوث تأثير المنارة المميز. تؤدي خلفية الأمواج الثقالية إلى تشوه الزمكان بين النجم النابض والأرض، والتي يمكن تسجيلها كتغير في الأوقات المتوقعة لوصول النبض. المصدر: David Champion رسم تخيلي لصفيف من الإشعاعات المنبعثة من النجوم النابضة، وحين يدور النابض فهي تؤدي إلى حدوث تأثير المنارة المميز. تؤدي خلفية الأمواج الثقالية إلى تشوه الزمكان بين النجم النابض والأرض، والتي يمكن تسجيلها كتغير في الأوقات المتوقعة لوصول النبض. المصدر: David Champion نظام التردد المنخفض (low frequency regime - LF): يمكن رصد العديد من المصادر المثيرة للاهتمام باستخدام الكواشف الموجود على متن المركبات الفضائية. إن التصميم المفضل لمثل هذه الكواشف هو هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA). لا يتم حالياً تمويل مهمات مماثلة، وبذلك لم يتم حتى الآن تحديد الترتيبات بشكل دقيق. ويجب إثبات كفاءة التقنيات اللازمة لإجراء مثل هذه القياسات الدقيقة في الفضاء بواسطة مُستكشف LISA، والذي تم إطلاقه في عام 2014. ونأمل أن تتبعه المهمة الرسمية قريباً.
نظام التردد العالي (high frequency regime - HF): قد تقدم الكواشف الأرضية أول كشف مباشر للأمواج الثقالية. ويتم حالياً تطوير شبكة عالمية من كواشف الموجات الثقالية. فهنالك مرصد التداخل الليزري للأمواج الثقالية (LIGO) وهو مكون من عدة كواشف يقع أحدها في ليفينغستون-لويزيانا واثنان منها في هانفورد-واشنطن. يمتلك كل كاشف أذرعاً طولها أربعة كيلومترات. ويجري حالياً ترقية هذه الكواشف للمرصد الليزري المتقدم، والذي يتوجب أن يمتلك الحساسية اللازمة للقيام بالكشوفات الأولى. ومن المفترض أنه قد أصبح جاهزاً للعمل في عام 2014. هناك أيضاً خطط لوضع أحد كواشف هانفورد في موقع في الهند "مرصد LIGO في الهند"، حيث أن الحصول على موقع للرصد في نصف الكرة الأرضية الجنوبي سيطور قدرتنا كثيراً في تحديد مصادر الأمواج الثقالية.
كما يتعاون مرصد فيرغو Virgo الفرنسي - الإيطالي مع مرصد LIGO، وهو يقع بالقرب من بيزا في المرصد الأوروبي للثقالة (EGO). وVirgo هو أصغر قليلاً من الراصد LIGO حيث يبلغ طول ذراعه ثلاثة كيلومترات فقط. كما نذكر المرصد البريطاني الألماني GEO600 في أوروبا، وهو كاشف أصغر بكثير يُستخدم بالدرجة الأولى لتطوير تقنيات حديثة للكواشف الأكبر. تقوم اليابان كذلك ببناء كاشف تحت الأرض في منجم كاميوكا وسيدعى باسم KAGRA. وسيكون الكاشف رائداً في التبريد الفائق، بالإضافة إلى عدة تقنيات أخرى، من أجل تعزيز أدائها، وكان يُعرف سابقاً باسم تلسكوب الأمواج الثقالية المبرد واسع النطاق (LCGT). وينبغي أن يدخل في الخدمة في عام 2018. #الانفجار العظيم #النجوم النابضة #الامواج الثقالية #انحناء الزمكان #الأمواج الكهرطيسية
Almost 100 years ago today, Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time that are set off by extremely violent, cosmic cataclysms in the early universe. With his knowledge of the universe and the technology available in 1916, Einstein assumed that such ripples would be “vanishingly small” and nearly impossible to detect. The astronomical discoveries and technological advances over the past century have changed those prospects. Now for the first time, scientists in the LIGO Scientific Collaboration — with a prominent role played by researchers at MIT and Caltech — have directly observed the ripples of gravitational waves in an instrument on Earth. In so doing, they have again dramatically confirmed Einstein’s theory of general relativity and opened up a new way in which to view the universe. But there’s more: The scientists have also decoded the gravitational wave signal and determined its source. According to their calculations, the gravitational wave is the product of a collision between two massive black holes, 1.3 billion light years away — a remarkably extreme event that has not been observed until now. The researchers detected the signal with the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) — twin detectors carefully constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves. Once the researchers obtained a gravitational signal, they converted it into audio waves and listened to the sound of two black holes spiraling together, then merging into a larger single black hole. “We’re actually hearing them go thump in the night,” says Matthew Evans, an assistant professor of physics at MIT. “We’re getting a signal which arrives at Earth, and we can put it on a speaker, and we can hear these black holes go, ‘Whoop.’ There’s a very visceral connection to this observation. You’re really listening to these things which before were somehow fantastic.”
After a decades-long quest, The MIT-Caltech collaboration LIGO Laboratories has detected gravitational waves, opening a new era in our exploration of the universe. By further analyzing the gravitational signal, the team was able to trace the final milliseconds before the black holes collided. They determined that the black holes, 30 times as massive as our sun, circled each other at close to the speed of light before fusing in a collision and giving off an enormous amount of energy equivalent to about three solar masses — according to Einstein’s equation E=mc2 — in the form of gravitational waves. “Most of that energy is released in just a few tenths of a second,” says Peter Fritschel, LIGO’s chief detector scientist and a senior research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “For a very short amount of time, the actual power in gravitational waves was higher than all the light in the visible universe.” These waves then rippled through the universe, effectively warping the fabric of space-time, before passing through Earth more than a billion years later as faint traces of their former, violent origins. “It’s a spectacular signal,” says Rainer Weiss, a professor emeritus of physics at MIT. “It’s a signal many of us have wanted to observe since the time LIGO was proposed. It shows the dynamics of objects in the strongest gravitational fields imaginable, a domain where Newton’s gravity doesn’t work at all, and one needs the fully non-linear Einstein field equations to explain the phenomena. The triumph is that the waveform we measure is very well-represented by solutions of these equations. Einstein is right in a regime where his theory has never been tested before.” The new results are published today in the journal Physical Review Letters. “Magnificently in alignment” The first evidence for gravitational waves came in 1974, when physicists Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of neutron stars, 21,000 light years from Earth, that seemed to behave in a curious pattern. They deduced that the stars were orbiting each other in such a way that they must be losing energy in the form of gravitational waves — a detection that earned the researchers the Nobel Prize in physics in 1993. Now LIGO has made the first direct observation of gravitational waves with an instrument on Earth. The researchers detected the gravitational waves on September 14, 2015, at 5:51 a.m. EDT, using the twin LIGO interferometers, located in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington. Each L-shaped interferometer spans 4 kilometers in length and uses laser light split into two beams that travel back and forth through each arm, bouncing between precisely configured mirrors. Each beam monitors the distance between these mirrors, which, according to Einstein’s theory, will change infinitesimally when a gravitational wave passes by the instrument. “You can almost visualize it as if you dropped a rock on the surface of a pond, and the ripple goes out,” says Nergis Malvalvala, the Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics at MIT. “[It’s] something that distorts the space time around it, and that distortion propagates outward and reaches us on Earth, hundreds of millions of years later.” Last March, researchers completed major upgrades to the interferometers, known as Advanced LIGO, increasing the instruments’ sensitivity and enabling them to detect a change in the length of each arm, smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton. By September, they were ready to start observing with them. “The effect we’re measuring on Earth is equivalent to measuring the distance to the closest star, Alpha Centauri, to within a few microns,” Evans says. “It’s a very tough measurement to make. Einstein expected this to never have been pulled off.” Nevertheless, a signal came through. Using Einstein’s equations, the team analyzed the signal and determined that it originated from a collision between two massive black holes. “We thought it was going to be a huge challenge to prove to ourselves and others that the first few signals that we saw were not just flukes and random noise,” says David Shoemaker, director of the MIT LIGO Laboratory. “But nature was just unbelievably kind in delivering to us a signal that’s very large, extremely easy to understand, and absolutely, magnificently in alignment with Einstein’s theory.” For LIGO’s hundreds of scientists, this new detection of gravitational waves marks not only a culmination of a decades-long search, but also the beginning of a new way to look at the universe. “This really opens up a whole new area for astrophysics,” Evans says. “We always look to the sky with telescopes and look for electromagnetic radiation like light, radio waves, or X-rays. Now gravitational waves are a completely new way in which we can get to know the universe around us.” Tiny detection, massive payoff LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of some 950 scientists at universities around the United States, including MIT, and in 15 other countries. The LIGO Observatories are operated by MIT and Caltech. The instruments were first explored as a means to detect gravitational waves in the 1970s by Weiss, who along with Kip Thorne and Ronald Drever from Caltech proposed LIGO in the 1980s. “This has been 20 years of work, and for some of us, even more,” Evans says. “It’s been a long time working on these detectors, without seeing anything. So it’s a real sea change and an interesting psychological change for the whole collaboration.” “The project represents a triumph for federally funded research,” says Maria Zuber, vice president for research and E. A. Griswold Professor of Geophysics at MIT. “LIGO is an example of a high-risk, high-return investment in discovery-driven science. In this case the investment was major and sustained over many years, with a successful outcome far from assured. But the scientific payoff is shaping up to be extraordinary. While the discoveries reported here are already magnificent, they represent the tip of the iceberg of what will be learned about fundamental physics and the nature of the universe.” The LIGO Observatories are due for more upgrades in the near future. Currently, the instruments are performing at one-third of their projected sensitivity. Once they are fully optimized, Shoemaker predicts that scientists will be able to detect gravitational waves emanating “from the edge of the universe.” “In a few years, when this is fully commissioned, we should be seeing events from a whole variety of objects: black holes, neutron stars, supernova, as well as things we haven’t imagined yet, on the frequency of once a day or once a week, depending on how many surprises are out there.” Shoemaker says. “That’s our dream, and so far we don’t have any reason to know that that’s not true.” As for this new gravitational signal, Weiss, who first came up with the rudimentary design for LIGO in the 1970s as part of an experimental exercise for one of his MIT courses, sees the tiny detection as a massive payoff. “This is the first real evidence that we’ve seen now of high-gravitational field strengths: monstrous things like stars, moving at the velocity of light, smashing into each other and making the geometry of space-time turn into some sort of washing machine,” Weiss says. “And this horrendously strong thing made a very tiny effect in our apparatus, a relative motion of 10 to the minus 18 meters between the mirrors in the interferometer arms. It’s sort of unbelievable to think about.” This research was funded by the National Science Foundation.
2016-02-14, 12:22 pm
