Rainer Weiss: 50 år med LIGO og gravitationsbølger

Jordnær, beskeden og ivrig efter at diskutere sin forskning, fysikeren Rainer Weiss er bemærkelsesværdig nem at tale med. For fem år siden skaffede hans arbejde ham halvdelen 2017 Nobelprisen i fysik, hvor den anden halvdel går til Barry Barish og Kip Thorne, for "afgørende bidrag til LIGO-detektoren og observation af gravitationsbølger". USA-baserede Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) er der, hvor gravitationsbølger først blev observeret i 2015, hvilket definitivt bekræfter den sidste tilbageværende utestede forudsigelse fra Albert Einsteins århundrede gamle generelle relativitetsteori.

På trods af at han varslede deres eksistens, tvivlede Einstein selv på, at disse bølger nogensinde ville kunne observeres, fordi de er ekstremt svage. Weiss' banebrydende idé om at bruge laserinterferometri gjorde det endelig muligt første observation - af gravitationsbølger udsendt fra sammensmeltningen af ​​to sorte huller, 1.3 milliarder lysår væk fra Jorden – og de mange flere, som LIGO siden har opdaget. Det tog årtiers indsats fra Weiss, hans Nobel-kolleger og mange andre, og opdagelsen repræsenterede et højdepunkt inden for fysik, der også indledte en ny æra inden for astronomi. Siden fremkomsten af ​​observationsastronomi havde vi scannet universet for det meste ved først at observere synligt lys, derefter et bredt spektrum af elektromagnetiske bølger. Nu var gravitationsbølger i stand til at give en ny måde at undersøge mange kosmiske fænomener på. Kun syv år efter gravitationsastronomiens fødsel har den allerede produceret meget værdifuld ny viden.

Fra Nazityskland til USA, via Prag

Hver af de tre nobelpristagere fulgte sin egen bue mod disse succeser. Weiss' vej viser, hvordan talentfulde eksperimentelle fysikere dannes, hvordan nye videnskabelige ideer kan komme fra uventede retninger, og hvordan der er brug for ren vedholdenhed for at bringe et fysikeksperiment i stor skala til virkelighed.

Weiss blev født i Berlin, Tyskland den 29. september 1932, under nazisternes magtovertagelse. Weiss' far, Frederick, som Rainer beskriver som "en ivrig og idealistisk kommunist" fra en ung alder, var læge. Som jøde og anti-nazistisk kommunist, der havde vidnet mod en nazistisk læge anklaget for fejlbehandling, blev Frederick tilbageholdt af nazisterne, da Rainers mor, Gertrude, var gravid med ham. På foranledning af sin kristne kone, hvis familie havde nogle lokale kontakter, blev Frederick løsladt og sendt til Prag. Da Rainer blev født, rejste Gertrude med sin nye baby for at slutte sig til Frederick i Tjekkoslovakiet, hvor parret fik endnu et barn, Sybille, i 1937.

Men da München-aftalen fra 1938 tillod tyske tropper at komme ind i Tjekkoslovakiet, måtte familien flygte endnu en gang. "Vi hørte beslutningen på en radio, mens vi var på ferie i Slovakiet og sluttede os til en stor gruppe mennesker på vej mod Prag for at forsøge at få et visum til at emigrere til næsten et hvilket som helst andet sted i verden, der ville acceptere jøder," husker Rainer i sin Nobelbiografi . Familien flyttede til USA i 1939. Under immigrationsloven på det tidspunkt var dette kun muligt på grund af Fredericks erhverv, og fordi en "meget vidunderlig kvinde", som Weiss kalder hende, fra den filantropiske Stix-familie i St. Louis, udstedte et bånd. at garantere, at Weisses ikke ville være en byrde for samfundet.

Weiss er opvokset i New York City, hvor han oprindeligt gik i offentlig skole. I femte klasse fik han et legat, via en lokal flygtningehjælpsorganisation for at være med Columbia Grammar School – en privatskole midt på Manhattan, som på et tidspunkt var forbundet med at forberede eleverne til Columbia University. Musik, videnskab og historie var hans yndlingskurser, og som teenager byggede han brugerdefinerede high-fidelity eller "hi-fi" lydsystemer til klassisk musikelskere.

Den interesse og hans egen nysgerrighed bragte ham til sidst til fysikken. For at søge perfekt lydgengivelse forsøgte Weiss elektronisk at eliminere baggrundsstøjen, som en fonografnål laver, mens den bevæger sig langs rillen i en gammeldags plade, som skæmmede musikken. Men hans indsats mislykkedes, og han besluttede at gå på college for at lære nok til at sætte ham i stand til at løse problemet. Den uddannelse begyndte kl Massachusetts Institute of Technology (MIT) i 1950.

Elektronik til fysik, via en omvej

Som hovedfag i elektroteknik ved MIT forventedes Weiss at lære om generatorer og transmissionsledninger, før han kunne studere den elektronik, der virkelig interesserede ham. Denne stive plan faldt ikke i hans smag, så på sit andet år skiftede han til fysik, fordi "den havde færre krav" og et mere fleksibelt pensum. Men det lykkedes heller ikke umiddelbart. I 1952 blev Weiss forelsket i en ung kvinde, en pianist. Forholdet endte ikke godt, og hjerteknust mislykkedes Weiss alle sine kurser og måtte forlade MIT.

Men alt var ikke tabt. I foråret 1953 vendte han tilbage til MIT som tekniker, der arbejdede i Atomic Beam Laboratory af fysiker Jerrold Zacharias, der havde udviklet det første atomur. "Videnskaben, der blev udført i det laboratorium, var udsøgt," husker Weiss. "Eksperimenterne der så på egenskaberne af isolerede enkelte atomer og molekyler, der ikke var forstyrret af nabosystemer. Hvert atom var det samme som det næste, og det var muligt at stille grundlæggende spørgsmål om deres struktur og de interaktioner, der holdt dem sammen." Det, der startede som en rolle, der hjalp kandidatstuderende med deres specialeprojekter, førte til sidst til, at Weiss arbejdede direkte med Zacharias om at udvikle cæsium atomstråle ur, hvilket i sidste ende ville fortsætte med at være vedtaget som tidsstandard for Bureau of Standards (nu National Institute of Standards and Technology) og den amerikanske flåde.

Under Zacharias' mentorskab fuldendte Weiss sit fysik bachelorgrad, derefter en ph.d. i 1962, og lærte om eksperimentering med høj præcision, en nøgletråd, der førte til LIGO. Et yderligere nøgletema opstod, da Weiss arbejdede som forskningsmedarbejder under astronom og fysiker Robert Dicke ved Princeton University, som Weiss kalder "en af ​​heltene i mit liv". Dicke og Weiss undersøgte at udvikle en moderne version af Eötvös eksperiment, at forstå ækvivalensprincippet for generel relativitet ved at bevise ækvivalensen af ​​inerti- og gravitationsmasse. Da Dickes nye gravitationsteori kombinerede et skalarfelt med den almene relativitets tensorfelt, var hans idé at bygge et eksperiment, der kunne måle, hvordan hele Jorden ville vibrere, hvis en gravitationsbølge skulle passere. Formålet med eksperimentet var at måle spektret af skalær gravitationsstråling, men de fandt ud af, at følsomheden af ​​deres kvartsgravimeter var stærkt begrænset på grund af geofysisk støj. På trods af at undersøgelsen var mislykket, lærte Weiss eksperimentelle teknikker, som Dicke havde været banebrydende for, og som i sidste ende ville vise sig at være afgørende for LIGO og mange andre fysikeksperimenter også. Faktisk fandt Weiss, at de to år på Princeton "var dybt vigtige i min videnskabelige udvikling".

Efter at have sluttet sig til MIT fysikfakultetet som adjunkt i 1964, Weiss arbejdede på et kosmologisk projekt, der målte spektret af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), levn fra Big Bang, der stadig fylder universet. Han bidrog til forskningen, der fastslår, at CMB følger en praktisk talt perfekt sort kropskurve med en kildetemperatur på 2.7K – hvis opdagelse førte til en 2006 Nobelpris til de ledende videnskabsmænd, John Mather og George Smoot.

Måling af tyngdekraften i et klasseværelse

Weiss fortsatte med at tænke på gravitationsbølger, især da han blev bedt om at præsentere et kursus i generel relativitet ved MIT. Det var ikke nemt. Matematikken i den generelle relativitetsteori er skræmmende, og kurser, der underviste i emnet, var mere matematiske end fysiske. Når vi diskuterer det i dag, siger Weiss: "Jeg er ikke en teoretiker. Jeg er en blikkenslager...en vakuum blikkenslager, en elektronisk blikkenslager, men en blikkenslager." Så han og hans elever lærte matematikken sammen - men uventet blev hans eksperimentelle baggrund meget betydningsfuld.

Som Weiss forklarer, på det tidspunkt Joseph Weber fra University of Maryland forsøgte at opdage gravitationsbølger ved at måle ændringen i længden af ​​store aluminiumscylindre som en bølge fejet forbi. Da eleverne spurgte Weiss om sådanne målinger, kom han med en pædagogisk tanker eksperiment for i princippet at vise, hvordan de kunne laves. Sæt to masser et stykke fra hinanden i frit rum, den ene med en pulserende laser og den anden med et spejl. Mål nu laserlysets tur-retur-rejsetid – og dermed afstanden. Hvis en passerende gravitationsbølge ændrer afstanden, vil tilstrækkeligt præcise tidsmålinger vise effekten. Da alle målinger foretages ved laserens rum-tid-placering, bliver den generelle relativitetsberegning ligetil - faktisk tildelte Weiss det som et klasseproblem.

Webers påståede påvisning af gravitationsbølger i 1969 blev aldrig gentaget, men eksemplet, som hans arbejde inspirerede, voksede til LIGO. Weiss forbedrede den oprindelige idé ved at tilføje en anden strålebane med et spejl i den ene ende, sat vinkelret på den første sti i en "L"-form med en stråledeler i krydset. Dette er et Michelson-interferometer, som lavede ultrapræcise målinger af lysets hastighed i Michelson-Morley-eksperimentet fra 1887 og også af CMB-spektret. I generel relativitetsteori vil en gravitationsbølge, der bevæger sig vinkelret på armplanet, forlænge den ene og trække den anden sammen, hvilket ændrer, hvordan lysbølgerne i de to arme interfererer. Dette, konkluderede Weiss, ville være langt mere følsomt end at måle rejsetiden langs en enkelt vej.

Weiss husker, hvordan han i sommeren 1971 "sad i et lille rum og beregnede alle de ting, der ville forstyrre det eksperiment", inklusive støjkilder. Hans resultat var bemærkelsesværdigt: med arme flere kilometer lange, ville det være muligt at måle ændringer i afstand så små som 10^-18 m - knap en tusindedel af størrelsen af ​​en proton - da en forbipasserende gravitationsbølger belaster rummet for at forårsage en belastning på 10^-21.

Testleje og første observationer

Nogle af Weiss' kolleger var skeptiske over for gravitationsbølger, men han fortsatte med at udvikle sin idé. Det modtog eksperimentel verifikation, da små testinterferometre bygget i hans laboratorium og af en tysk gruppe udførte hans beregninger. Der kom bredere opbakning efter 1975, da Weiss genoptog forbindelsen med en bekendt fra hans Princeton-tid, Caltech teoretisk fysiker Kip Thorne. Da Thorne så potentialet for gravitationsbølgeforskning, forkæmpede han Weiss' idé hos Caltech. I 1979 National Science Foundation finansieret Caltech og MIT til at udføre en feasibility-undersøgelse af interferometrisk detektion. I 1990 støttede det LIGO som en Caltech-MIT-operation med det største tilskud, det nogensinde havde givet. Dette tillod konstruktion af identiske detektorer med arme 4 km lange kl Hanford, Washington og Livingston, Louisiana, for tilfældighedsundersøgelser for at bekræfte eventuelle observationer. Disse inkorporerede mange tekniske koncepter udviklet af eksperimentel fysiker Ronald Drever fra Caltech.

Efter at LIGO begyndte sin operation i 2002, opnåede den den forudsagte følsomhed, men i ni år blev der ikke detekteret nogen gravitationsbølger. Enhederne blev derefter væsentligt forbedret, med bedre isolering fra støjkilder, hvilket resulterede i "avanceret LIGO" (aLIGO) over fem år senere. Med følsomhed forbedret 10 gange, tændt 14. september 2015, aLIGO foretog den første observation nogensinde af gravitationsbølger, som kom fra to sammensmeltede sorte huller - en mirakuløs opdagelse, da maskinen stadig blev kalibreret til den første officielle kørsel (Fysik verden 2017; 30 (10) 33).

Et par år senere, på 17. august 2017 foretog aLIGO den første observation nogensinde af gravitationsbølger fra to fusionerende neutronstjerner (Jomfruens gravitationsbølgedetektor i Italien deltog også). Det var ikke isolerede begivenheder. Ved afslutningen af ​​sin sidste observationskørsel, som blev afsluttet i slutningen af ​​2021, havde aLIGO rapporteret i alt 90 observationer af sammensmeltninger af to sorte huller (de fleste), to neutronstjerner eller et sort hul og en neutronstjerne. 

Ser tilbage, ser fremad

Når han betragter disse første syv års gravitationsastronomi, er Weiss jublende. "Jeg synes, LIGO har været en enorm succes," siger han og roser især, hvordan den validerer generel relativitetsteori og sorthulsastrofysik. LIGO's resultater viser, at vi forstår sorte huller godt nok til at forudsige detaljerne i deres to-legeme-interaktion, hvilket indenfor den generelle relativitetsteori er lige så svært at beregne som tre-legeme-problemet i klassisk fysik. Et andet resultat er LIGO's katalog over interaktioner mellem sorte huller med varierende masse, som giver fingerpeg om, hvordan de kan dannes til de supermassive sorte huller i galaksernes centre.

Weiss fremhæver også en bestemt begivenhed, der "skabte den største opsigt [og] producerede så meget videnskab, at det er utroligt". De to kolliderende neutronstjerner observeret i 2017 genererede også elektromagnetisk stråling, fra gammastråler til radiobølger, som blev sporet af observatorier rundt om i verden (se "En ny kosmisk budbringer” af Imre Bartos). Dette fremragende eksempel på "multi-budbringer" astronomi gav en præcis placering for begivenheden; viste, at vekselvirkningen producerede guld og platin, hvilket gav ny indsigt i, hvordan stjerner laver tunge grundstoffer; bekræftet, at gravitationsbølger rejser nøjagtigt med lysets hastighed; og tilvejebragte en ny måde at måle Hubble-konstanten på og måske lægge den nuværende usikkerhed om dens værdi til ro.

Weiss' entusiasme vokser, når han bliver spurgt om fremtiden for gravitationsastronomi. En komponent ville være Cosmic Explorer interferometer, foreslået af Matthew Evans , Narcissus Mavalvala på MIT. Weiss støtter kraftigt denne næste generations enhed, hvis 40 km lange arme ville gøre den 10 gange mere følsom end avanceret LIGO. Europæiske videnskabsmænd overvejer trekantet Einstein teleskop med 10 km lange arme, og European Space Agency foreslår at opsende trekanten Laserinterferometer Space Antenna (LISA) i 2030'erne. Dets tre rumfartøjer - med en afstand på 2.5 millioner km fra hinanden og med lasere og spejle - ville danne en hyperfølsom detektor.

Hver detektor vil reagere på forskellige frekvenser af gravitationsbølger, som afhænger omvendt af massen af ​​det udstrålende objekt. Ligesom almindelig astronomi bruger forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum til at studere forskellige himmelfænomener, så begynder vi at se gravitationsobservatorier indstillet til at detektere forskellige klasser af gravitationshændelser. For sorte huller spænder mulighederne fra at søge små hypotetiske primordiale sorte huller til at forstå, hvordan supermassive sorte huller er relateret til dannelsen af ​​galakser. Gravitationsbølger fra fusionerende neutronstjerner vil uddybe vores viden om stjernernes udvikling og tæt nukleart stof. De kan også opstå fra pulsarer for at komplementere, hvad elektromagnetiske bølger afslører om dem. Mere spekulativt foreslår nogle forskere, at multi-budbringer-metoder kan vise, om det supermassive sorte hul i midten af ​​vores egen galakse virkelig er den ene ende af et ormehul.

Det, der mest begejstrer Weiss ved disse kommende detektorer, er, at de kunne "udføre spektakulær videnskab ved at bringe feltet ind i kosmologi, studiet af hele universet." Som han forklarer, den russiske teoretiker Alexei Starobinskiǐ har vist, at hvis en vakuumfluktuation startede kosmos, da universet gennemgik hurtig kosmisk inflation, ville den ufattelige acceleration producere masser af lavfrekvente gravitationsbølger. Ligesom den kosmiske baggrundsstråling ville disse danne en resterende universel baggrund, men stammer fra en tid meget nær Big Bang og bærer ny information om tidlige processer som skabelsen af ​​mørkt stof. Disse bølger ville være svære at opdage, men forskere planlægger en kombination af jord- og rumbaserede detektorer, der ville danne et nyt værktøj til at angribe nogle store spørgsmål inden for fysik, astronomi og kosmologi.

Men mens han reflekterer over sin lange karriere og fremtidige forskning, ønsker Weiss ikke at opsummere tingene ved blot at sige "Jeg er ikke sådan en fyr." Det kan måske være skuffende ikke at have et sidste sound-bite, men så, i sin årtier lange forpligtelse til at opbygge LIGO med succes, i sin vision om yderligere at fremme gravitationsbølgevidenskaben og i sin smittende passion for begge, har Rainer Weiss allerede veltalende sagt alt hvad han behøver at sige.