De nieuwe golf van zwaartekrachtsgolven | ruimte

eenOngeveer 10 miljard biljoen biljoen milliseconden Aan het begin van de schepping in de oerknal zou het universum een ​​korte maar absurd snelle groeispurt hebben doorgemaakt. Deze gebeurtenis, inflatie genaamd, was zo catastrofaal dat het weefsel van ruimte en tijd afstemde op zwaartekrachtsgolven (GW’s). Ter vergelijking: de GW’s die zes jaar geleden voor het eerst werden ontdekt, maakten een grote plons die kleine affaires waren van botsende zwarte gaten. Maar nu zijn wetenschappers in Europa ruimte ESA heeft zijn zinnen gezet op grotere doelen – en hoopt binnenkort de vage echo’s van de inflatoire weeën van het universum te kunnen detecteren, ongeveer 14 miljard jaar na de gebeurtenis, met behulp van het grootste instrument ooit gemaakt. Esa’s geplande zwaartekrachtgolfdetector, die honderden keren groter is dan de aarde, zal in de ruimte zweven en in de ruimte-tijd op zoek gaan naar oscillaties die worden veroorzaakt door allerlei soorten massieve astrofysische stuiptrekkingen.

De eerste GW werd in 2015 geïdentificeerd door de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), een internationaal project waarvan het succes de Nobelprijs voor de natuurkunde 2017 won aan drie van zijn belangrijkste voorstanders. Ligo bestaat uit twee enorme detectoren in de Amerikaanse staten Washington en Louisiana. Ze zetten elk twee 4 kilometer lange tunnels in, die elkaar onder een rechte hoek kruisen, waarin de laserstraal aan het uiteinde langs de spiegel reist en dan terugkaatst. De terugkerende lichtgolven interfereren met elkaar als de armen elkaar kruisen. Wanneer GW er doorheen gaat, krimpt het heel licht of rekt het de ruimtetijd uit. Aangezien dit effect in elke arm anders zal zijn, verandert het de synchronisatie van de lichtgolven en dus de interferentie van de twee bundels.

LEGO is niet de enige. Een tweede GW-ontdekking op eerste kerstdag 2015 werd later bevestigd in samenwerking met de Europese detector Virgo, gevestigd in Italië. Een detector in Japan, Kagra genaamd, is begin vorig jaar in gebruik genomen en andere apparaten zijn gepland in India en China.

De meeste zwarte gaten die tot nu toe zijn gezien, lijken te zijn veroorzaakt door de botsing van twee zwarte gaten. Deze sterren bestaan ​​uit sterren die vele malen massiever zijn dan onze zon, die zijn verbrand en ingestort onder invloed van zijn eigen zwaartekracht. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die zwaartekracht beschrijft als de vervorming van ruimte-tijd veroorzaakt door massa, kan de ineenstorting doorgaan totdat er niets anders overblijft dan een zeer dichte “singulariteit”, die een zwaartekrachtveld produceert dat zo intens is dat zelfs licht niet kan ontsnappen. van hem.

Als twee zwarte gaten door elkaars aantrekkingskracht botsen, kunnen ze om elkaar heen draaien en geleidelijk naar binnen taps toelopen totdat ze zich verenigen. De algemene relativiteitstheorie voorspelde meer dan een eeuw geleden dat dergelijke gebeurtenissen GW-golven door het universum zouden sturen, hoewel er tot de ontdekking van LIGO geen direct bewijs voor was. Ze kunnen ook worden veroorzaakt door andere extreme astrofysische verschijnselen, zoals het samensmelten van neutronensterren: gloeiende sterren die minder massief zijn dan zwarte gaten die hun ineenstorting hebben gestopt op het punt waar ze bestaan ​​uit materie die zo dicht is dat iemands vingerhoed wel 50 meter weegt olifant.

GW kan ook worden geproduceerd door veel grotere objecten. In het centrum van ons melkwegstelsel, en van vele andere sterrenstelsels, bevindt zich een superzwaar zwart gat dat miljoenen keren zo zwaar is als onze zon, gevormd door instortende sterren en wolken van gas en kosmisch stof. Objecten die in deze superzware zwarte gaten golven, genereren GW’s die oscilleren bij lagere frequenties en langere golflengten dan de kleine samensmeltingsgolven van zwarte gaten die Ligo en Maagd zien.

Op de grond gebaseerde detectoren kunnen deze dingen niet lokaliseren – het zou hetzelfde zijn als proberen een walvis te vangen in een kreeftenkom. Om ze te zien, zou de interferometriedetector veel langere armen nodig hebben. Dit is lastig, omdat elke kanaalarm lang, recht en vrij van trillingen moet zijn. Dus de onderzoekers zijn van plan om laagfrequente gyots in de ruimte te maken. De meest geavanceerde van deze plannen is het apparaat dat nu voor Esa wordt gebouwd: een: Ruimte antenne laser interferometer (Lisa).

LISA stuurt lasers van een ruimtevaartuig om te kaatsen tegen een vrij zwevende spiegel in een ander ruimtevaartuig. Met behulp van drie ruimtevaartuigen kun je een L-vormige structuur met dubbele arm maken, zoals Ligo. Maar de armen hoeven niet in een rechte hoek te staan: in plaats daarvan zal Lisa haar drie ruimtevaartuigen op enkele miljoenen kilometers afstand in de hoeken van de driehoek plaatsen, waarbij elke hoek een van de drie detectoren wordt. De hele groep zal de baan van de aarde volgen en onze planeet ongeveer 30 meter volgen.

Om de haalbaarheid van laserinterferometrie in de ruimte te testen, lanceerde Esa in 2015 een proefproject genaamd pilot Lisa Pathfinder – Ruimtevaartuig demonstreerde technologie op kleine schaal. de missie, Het werd voltooid in 2017 en “blies ons weg”, zegt Issa Paul McNamara, de projectwetenschapper die de missie leidde. “Het voldeed op de eerste dag aan onze eisen, zonder enige wijziging of niets.” Hij toonde aan dat een spiegel die in een ruimtevaartuig drijft, ongelooflijk stil kan blijven staan, met niet meer dan een duizendste van de grootte van een enkel atoom. Om het stabiel te houden, gebruikt het ruimtevaartuig kleine stuwraketten om te reageren op de kracht van het licht dat van de zon komt.

Met andere woorden, McNamara zegt: “Ons ruimtevaartuig was stabieler dan de omvang van het coronavirus.” En het is ook omdat LISA een verandering in armlengte zou moeten detecteren die, vanwege GW, een tiende van de breedte is van een atoom over een miljoen mijl.

De release van Lisa zal echter pas over een decennium plaatsvinden. “We moeten drie satellieten bouwen, en ze hebben elk veel onderdelen”, zegt McNamara. “Het kost gewoon tijd – en dat is een van de ongelukkige feiten van een zeer complexe taak.” De volgende mijlpaal is de “officiële goedkeuring van de missie”, verwacht in 2024. “Op dit moment zullen we de details van de missie weten, en welke ESA-lidstaten en de Verenigde Staten wat bijdragen, en hoeveel het kost, “, zegt astrofysicus Emmanuel Berti van Jones University. Hopkins in Baltimore.

Japan en China bevinden zich ook in de vroege stadia van de planning voor GW-ruimtedetectoren. McNamara ziet dit niet als een wedstrijd, maar als een goede zaak – want met meer dan één detector zou het mogelijk zijn om triangulatie te gebruiken om de bron van de golven te bepalen.

“Lisa zal GW-astronomie veranderen op vrijwel dezelfde manier als zichtbaar licht overstijgt [to radio waves, X-rays etc] Het was een game-changer in de gewone astronomie”, zegt Bertie. “Hij zal naar verschillende klassen van GW-bronnen kijken.” Door superzware fusies van zwarte gaten te bestuderen, zegt hij, “hopen we veel te begrijpen over de vorming van structuren in het universum, en over de zwaartekracht zelf.’ Lisa had al vroeg in de oerknal ‘primitieve’ GW’s gezien door inflatie, dus dit zou theorieën kunnen testen over hoe het allemaal begon.

THier is misschien een andere manier om laagfrequente GW’s te zien waarvoor helemaal geen speciaal gebouwde detector nodig is. Een samenwerking genaamd de North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) gebruikt waarnemingen van een wereldwijd netwerk van radiotelescopen om te zoeken naar het effect van GW’s op de timing van ‘kosmische klokken’, pulsars genaamd.

Pulsars cirkelen snel rond neutronensterren die vanuit hun polen intense bundels radiogolven uitzenden, die als vuurtorenstralen door de lucht razen. Pulsarsignalen zijn zeer regelmatig en voorspelbaar. “Als een GW tussen de pulsar en de aarde passeert, vervormt het de overlappende ruimtetijd”, zegt NanoGrav-teamlid Stephen Taylor van de Vanderbilt University in Tennessee, waardoor de puls vroeger of later arriveert dan verwacht.

Pulsars worden in feite detectoren. Zoals NanoGrav-teamlid Julie Comerford van de Universiteit van Colorado in Boulder zegt, geeft dit de ‘detector’-armen zo lang als de afstand tussen de aarde en de pulsars: misschien duizenden lichtjaren. Vanwege deze enorme omvang hebben de signalen die door NanoGrav kunnen worden gedetecteerd, zeer lange golflengten en zeer lage frequenties, zelfs buiten het bereik van LISA en geproduceerd door superzware zwarte gaten die miljarden keren zo groot zijn als de zon, die samenvloeien terwijl hele sterrenstelsels botsen . Taylor zegt dat geen enkele andere detector het kan detecteren. Hoewel onvoorstelbaar rampzalig, zijn deze integraties eigenlijk heel gewoon, en NanoGrav zal het soort hype hebben dat velen van hen hebben gemaakt. “Overal in het heelal zijn er paren superzware zwarte gaten die om elkaar heen draaien en gigawatt produceren”, zegt Commerford. “Deze rimpelingen produceren een zee van GW’s die we zwaaien.”

In januari werd het NanoGrav-team geleid door Comerford postdoctoraal onderzoeker Joseph Simon in Colorado Meld de eerste mogelijke ontdekking van deze GW-achtergrond. Hoewel er meer werk nodig is om te verifiëren dat het signaal inderdaad door GW’s wordt veroorzaakt, noemt Commerford het resultaat ‘het meest opwindende astrofysische resultaat dat ik de afgelopen jaren heb gezien’.

Als de NanoGrav in feite een GW-detector gebruikt die lichtjaar groot is, denkt natuurkundige Sougato Bose van University College London dat we er een kunnen maken die klein genoeg is om in een kast te passen. Zijn idee is gebaseerd op een van de meer ongebruikelijke effecten van de kwantumtheorie, die over het algemeen zeer kleine objecten zoals atomen beschrijft. Kwantumobjecten kunnen in zogenaamde superpositie worden geplaatst, wat betekent dat hun eigenschappen pas uniek worden bepaald als ze worden gemeten: er zijn meer dan één uitkomst mogelijk.

Kwantumwetenschappers kunnen atomen routinematig in een kwantumsuperpositie plaatsen – maar dergelijk vreemd gedrag verdwijnt voor grote objecten zoals voetballen, die hier of daar zijn, of we nu kijken of niet. Voor zover we weten, is het niet zo dat superpositie onmogelijk is voor zoiets groots – het is onmogelijk om het lang genoeg vol te houden om te worden gedetecteerd, omdat superpositie gemakkelijk wordt vernietigd door elke interactie met de omgeving van het object.

Bose en collega’s suggereren: dat als we een kwantumsuperpositie zouden kunnen creëren van een middelgroot object tussen een atoom en een voetbal – een klein kristal van ongeveer honderd nanometer in diameter, ongeveer de grootte van een groot viraal deeltje – de superpositie zo riskant zou zijn dat het gevoelig voor een voorbijgaande GW. In feite kunnen de twee potentiële toestanden van kwantumsuperpositie elkaar overlappen als twee lichtgolven – en de GW-geïnduceerde ruimte-tijdvervormingen zouden verschijnen als een verandering in deze interferentie.

Bose denkt dat diamanten nanokristallen die meer in een lege ruimte dan in de ruimte worden bewaard en in een filament van het absolute nulpunt worden gekoeld, lang genoeg in superpositie kunnen worden bewaard om de slag te slaan. Het zal niet gemakkelijk zijn, maar hij zegt dat alle technische uitdagingen al afzonderlijk worden gepresenteerd – het is een kwestie van ze allemaal samen te voegen. “Ik zie geen belemmering om dat de komende 10 jaar of zo te doen, als er voldoende financiering is”, zegt hij.

Als deze en andere ontwikkelingen leiden tot een hausse in de GW-astronomie, wat zullen we dan zien? “Als je een nieuw venster op het universum opent, zie je meestal dingen die je niet zou verwachten”, zegt McNamara. Naast het zien van meer soorten gebeurtenissen waarvan we al weten dat ze GW’s veroorzaken, kunnen we signalen krijgen die we niet gemakkelijk kunnen verklaren. “Dat is wanneer het plezier begint”, zegt McNamara.