Ως ένας από τους βασικούς πειραματιστές που σκέφτηκαν και στη συνέχεια δημιούργησαν ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα στην ιστορία, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Ράινερ ΒάιςΗ πορεία του προς την επιτυχία είναι αξιοσημείωτη. Τώρα μιλάει σε ηλικία 90 ετών Σίντνεϊ Πέρκοβιτς για τη ζωή και το έργο του, από τις απροσδόκητες πηγές επιστημονικής έμπνευσης έως τις προκλήσεις των πειραμάτων μεγάλης κλίμακας
Προσγειωμένος, ανεπιτήδευτος και πρόθυμος να συζητήσει την έρευνά του, ο φυσικός Rainer Weiss είναι εξαιρετικά εύκολο να μιλήσεις. Πριν από πέντε χρόνια, η δουλειά του του κέρδισε τα μισά 2017 Βραβείο Νόμπελ Φυσικής, με τους άλλους μισούς να πηγαίνουν στον Barry Barish και τον Kip Thorne, για «αποφασιστικές συνεισφορές στον ανιχνευτή LIGO και την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων». Η έδρα των ΗΠΑ Παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων συμβολόμετρο λέιζερ (LIGO) είναι όπου τα βαρυτικά κύματα παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2015, επιβεβαιώνοντας οριστικά την τελευταία εναπομείνασα μη δοκιμασμένη πρόβλεψη από την αιωνόβια γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein.
Παρόλο που προμηνύει την ύπαρξή τους, ο ίδιος ο Αϊνστάιν αμφέβαλλε ότι αυτά τα κύματα θα ήταν ποτέ παρατηρήσιμα επειδή είναι εξαιρετικά αδύναμα. Η πρωτοποριακή ιδέα του Weiss για τη χρήση συμβολομετρίας λέιζερ το κατέστησε τελικά δυνατό πρώτη παρατήρηση - βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπονται από τη συγχώνευση δύο μαύρων οπών, 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη – και πολλά άλλα που έχει εντοπίσει το LIGO από τότε. Χρειάστηκαν δεκαετίες προσπάθειας από τον Weiss, τους συναδέλφους του με το Νόμπελ και πολλούς άλλους, και η ανακάλυψη αντιπροσώπευε μια κορυφή στη φυσική που επίσης εγκαινίασε μια νέα εποχή στην αστρονομία. Από την εμφάνιση της παρατηρητικής αστρονομίας, σαρώναμε το σύμπαν κυρίως παρατηρώντας πρώτα το ορατό φως και μετά ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τώρα τα βαρυτικά κύματα ήταν σε θέση να παρέχουν έναν νέο τρόπο ανίχνευσης πολλών κοσμικών φαινομένων. Μόλις επτά χρόνια μετά τη γέννηση της βαρυτικής αστρονομίας, έχει ήδη παράγει πολύτιμες νέες γνώσεις.
Από τη ναζιστική Γερμανία στις ΗΠΑ, μέσω Πράγας
Καθένας από τους τρεις νομπελίστες ακολούθησε το δικό του τόξο προς αυτές τις επιτυχίες. Το μονοπάτι του Weiss δείχνει πώς σχηματίζονται ταλαντούχοι πειραματικοί φυσικοί, πώς νέες επιστημονικές ιδέες μπορούν να προέλθουν από απροσδόκητες κατευθύνσεις και πόσο απόλυτη επιμονή χρειάζεται για να πραγματοποιηθεί ένα πείραμα φυσικής μεγάλης κλίμακας.
Ο Βάις γεννήθηκε στο Βερολίνο της Γερμανίας στις 29 Σεπτεμβρίου 1932, κατά την άνοδο των Ναζί στην εξουσία. Ο πατέρας του Weiss, Frederick, τον οποίο ο Rainer περιγράφει ως «φλογερό και ιδεαλιστή κομμουνιστή» από νεαρή ηλικία, ήταν γιατρός. Ως Εβραίος και αντιναζί κομμουνιστής, ο οποίος είχε καταθέσει εναντίον ενός ναζί γιατρού που κατηγορήθηκε για αμέλεια, ο Φρειδερίκος κρατήθηκε από τους Ναζί όταν η μητέρα του Ράινερ, η Γερτρούδη, ήταν έγκυος μαζί του. Κατόπιν εντολής της χριστιανής συζύγου του, της οποίας η οικογένεια είχε κάποιες τοπικές επαφές, ο Φρειδερίκος αφέθηκε ελεύθερος και στάλθηκε στην Πράγα. Μόλις γεννήθηκε ο Ράινερ, η Γερτρούδη ταξίδεψε με το νέο της μωρό για να συναντήσει τον Φρειδερίκο στην Τσεχοσλοβακία, όπου το ζευγάρι απέκτησε ένα άλλο παιδί, τη Σίμπιλη, το 1937.
Αλλά όταν η Συμφωνία του Μονάχου του 1938 επέτρεψε στα γερμανικά στρατεύματα να εισέλθουν στην Τσεχοσλοβακία, η οικογένεια έπρεπε να δραπετεύσει για άλλη μια φορά. «Ακούσαμε την απόφαση σε ένα ραδιόφωνο ενώ βρισκόμασταν διακοπές στη Σλοβακία και ενώσαμε μια μεγάλη ομάδα ανθρώπων που κατευθύνονταν προς την Πράγα για να προσπαθήσουν να πάρουν βίζα για να μεταναστεύσουν σχεδόν οπουδήποτε αλλού στον κόσμο που θα δεχόταν Εβραίους», θυμάται ο Ράινερ στη βιογραφία του για το Νόμπελ. . Η οικογένεια μετακόμισε στις ΗΠΑ το 1939. Σύμφωνα με τον νόμο περί μετανάστευσης εκείνης της εποχής, αυτό ήταν δυνατό μόνο λόγω του επαγγέλματος της Φρειδερίκης και επειδή μια «πολύ υπέροχη γυναίκα» όπως την αποκαλεί ο Βάις, από τη φιλάνθρωπο οικογένεια Stix του Σεντ Λούις, δημοσίευσε ένα δεσμό. να εγγυηθεί ότι οι Weisses δεν θα ήταν βάρος για την κοινότητα.
Ο Βάις μεγάλωσε στη Νέα Υόρκη, όπου αρχικά φοίτησε στο δημόσιο σχολείο. Στην πέμπτη τάξη, έλαβε υποτροφία, μέσω μιας τοπικής οργάνωσης αρωγής προσφύγων για να ενταχθεί Columbia Grammar School – ένα ιδιωτικό σχολείο στα μέσα του Μανχάταν, το οποίο κάποτε συνδέθηκε με την προετοιμασία των μαθητών Πανεπιστήμιο Κολούμπια. Η μουσική, η επιστήμη και η ιστορία ήταν τα αγαπημένα του μαθήματα και ως έφηβος κατασκεύασε προσαρμοσμένα συστήματα ήχου υψηλής πιστότητας ή «hi-fi» για τους λάτρεις της κλασικής μουσικής.
Αυτό το ενδιαφέρον και η δική του περιέργεια τον έφεραν τελικά στη φυσική. Αναζητώντας την τέλεια αναπαραγωγή ήχου, ο Weiss προσπάθησε να εξαλείψει ηλεκτρονικά τον θόρυβο φόντου που κάνει μια βελόνα φωνογράφου καθώς κινείται κατά μήκος του αυλακιού σε έναν παλιομοδίτικο δίσκο, ο οποίος αμαύρωσε τη μουσική. Όμως οι προσπάθειές του απέτυχαν και αποφάσισε να πάει στο κολέγιο για να μάθει αρκετά ώστε να μπορέσει να λύσει το πρόβλημα. Εκείνη η εκπαίδευση ξεκίνησε στις Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στο 1950.
Ηλεκτρονική στη φυσική, μέσω παράκαμψης
Ως πτυχιούχος ηλεκτρολόγων μηχανικών στο MIT, ο Weiss αναμενόταν να μάθει για τις γεννήτριες και τις γραμμές μετάδοσης πριν μπορέσει να μελετήσει τα ηλεκτρονικά που τον ενδιέφεραν πραγματικά. Αυτό το άκαμπτο σχέδιο δεν ήταν του γούστου του, έτσι στο δεύτερο έτος του μεταπήδησε στη φυσική, επειδή «είχε λιγότερες απαιτήσεις» και ένα πιο ευέλικτο πρόγραμμα σπουδών. Αλλά ούτε αυτό λειτούργησε αμέσως. Το 1952, ο Weiss ερωτεύτηκε μια νεαρή γυναίκα, μια πιανίστα. Η σχέση δεν τελείωσε καλά και, συντετριμμένος, ο Weiss απέτυχε σε όλα του τα μαθήματα και αναγκάστηκε να φύγει από το MIT.
Όμως δεν χάθηκαν όλα. Την άνοιξη του 1953, επέστρεψε στο MIT ως τεχνικός που εργαζόταν στο Εργαστήριο ατομικής δέσμης του φυσικού Jerrold Zacharias, ο οποίος είχε αναπτύξει το πρώτο ατομικό ρολόι. «Η επιστήμη που γινόταν σε αυτό το εργαστήριο ήταν εξαιρετική», θυμάται ο Weiss. «Τα πειράματα εκεί εξέταζαν τις ιδιότητες απομονωμένων μεμονωμένων ατόμων και μορίων που δεν διαταράσσονταν από γειτονικά συστήματα. Κάθε άτομο ήταν το ίδιο με το επόμενο και ήταν δυνατό να τεθούν θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με τη δομή τους και τις αλληλεπιδράσεις που τα κράτησαν μαζί». Αυτό που ξεκίνησε ως ρόλος που βοηθούσε τους μεταπτυχιακούς φοιτητές με τις διατριβές τους οδήγησε τελικά στον Weiss να συνεργαστεί απευθείας με τον Zacharias για την ανάπτυξη του ρολόι ατομικής δέσμης καισίου, που τελικά θα συνέχιζε να είναι υιοθετήθηκε ως το πρότυπο του χρόνου για το Bureau of Standards (τώρα το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας) και το Ναυτικό των ΗΠΑ.
Υπό την καθοδήγηση του Ζαχαρία, ο Βάις ολοκλήρωσε τη δική του πτυχίο φυσικής, στη συνέχεια διδακτορικό το 1962, και έμαθε για τους πειραματισμούς υψηλής ακρίβειας, ένα βασικό νήμα που οδήγησε στο LIGO. Ένα άλλο βασικό θέμα προέκυψε όταν ο Weiss εργάστηκε ως ερευνητικός συνεργάτης υπό τον αστρονόμο και τον φυσικό Robert Dicke στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, που ο Weiss αποκαλεί «έναν από τους ήρωες της ζωής μου». Ο Dicke και ο Weiss προσπάθησαν να αναπτύξουν μια σύγχρονη εκδοχή του Πείραμα Eötvös, να κατανοήσουν την αρχή της ισοδυναμίας της γενικής σχετικότητας αποδεικνύοντας την ισοδυναμία αδρανειακής και βαρυτικής μάζας. Καθώς η νέα θεωρία της βαρύτητας του Dicke συνδύαζε ένα βαθμωτό πεδίο με το τανυστικό πεδίο της γενικής σχετικότητας, η ιδέα του ήταν να κατασκευάσει ένα πείραμα που θα μπορούσε να μετρήσει πώς θα δονείται ολόκληρη η Γη, εάν περνούσε ένα βαρυτικό κύμα. Ο στόχος του πειράματος ήταν να μετρηθεί το φάσμα της βαθμωτής βαρυτικής ακτινοβολίας, αλλά διαπίστωσαν ότι η ευαισθησία του βαρυμέτρου χαλαζία ήταν πολύ περιορισμένη λόγω του γεωφυσικού θορύβου. Παρά το γεγονός ότι η μελέτη ήταν ανεπιτυχής, ο Weiss έμαθε πειραματικές τεχνικές που ο Dicke είχε πρωτοπορήσει και θα αποδεικνυόταν τελικά απαραίτητες για το LIGO, καθώς και πολλά άλλα πειράματα φυσικής. Πράγματι, ο Weiss διαπίστωσε ότι αυτά τα δύο χρόνια στο Πρίνστον «ήταν βαθιά σημαντικά για την επιστημονική μου εξέλιξη».
Αφού εντάχθηκε στη σχολή φυσικής του MIT ως επίκουρος καθηγητής το 1964, Ο Weiss εργάστηκε σε ένα κοσμολογικό έργο που μέτρησε το φάσμα του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (CMB), το λείψανο της Μεγάλης Έκρηξης που εξακολουθεί να γεμίζει το σύμπαν. Συνέβαλε στην έρευνα διαπιστώνοντας ότι η CMB ακολουθεί μια ουσιαστικά τέλεια καμπύλη μαύρου σώματος με θερμοκρασία πηγής 2.7 Κ – η ανακάλυψη της οποίας οδήγησε σε Βραβείο Νόμπελ 2006 για τους κορυφαίους επιστήμονες, John Mather και George Smoot.
Μέτρηση της βαρύτητας σε μια τάξη
Ο Weiss συνέχισε να σκέφτεται τα βαρυτικά κύματα, ειδικά όταν του ζητήθηκε να παρουσιάσει ένα μάθημα στη γενική σχετικότητα στο MIT. Αυτό δεν ήταν εύκολο. Τα μαθηματικά της γενικής σχετικότητας είναι τρομακτικά και τα μαθήματα που δίδασκαν το θέμα ήταν περισσότερο μαθηματικά παρά φυσικά. Συζητώντας το σήμερα, ο Βάις λέει, «Δεν είμαι θεωρητικός. Είμαι υδραυλικός… υδραυλικός κενού, ηλεκτρονικός υδραυλικός, αλλά υδραυλικός». Έτσι, αυτός και οι μαθητές του έμαθαν τα μαθηματικά μαζί – αλλά, απροσδόκητα, το πειραματικό του υπόβαθρο έγινε εξαιρετικά σημαντικό.
Όπως εξηγεί ο Βάις, εκείνη την εποχή Ο Joseph Weber του Πανεπιστημίου του Maryland προσπαθούσε να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα μετρώντας τη μεταβολή του μήκους μεγάλων κυλίνδρων αλουμινίου ως κύμα που παρασύρεται. Όταν οι μαθητές ρώτησαν τον Weiss για τέτοιες μετρήσεις, κατέληξε σε μια παιδαγωγική gedanken πείραμα για να δείξει κατ' αρχήν πώς θα μπορούσαν να κατασκευαστούν. Τοποθετήστε δύο μάζες σε κάποια απόσταση μεταξύ τους σε ελεύθερο χώρο, τη μία με παλμικό λέιζερ και την άλλη με έναν καθρέφτη. Τώρα μετρήστε τον χρόνο διαδρομής μετ' επιστροφής του φωτός λέιζερ – και επομένως την απόσταση. Εάν ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα αλλάξει την απόσταση, επαρκώς ακριβείς χρονικές μετρήσεις θα έδειχναν το αποτέλεσμα. Δεδομένου ότι όλες οι μετρήσεις γίνονται στη χωροχρονική θέση του λέιζερ, ο υπολογισμός της γενικής σχετικότητας γίνεται απλός – στην πραγματικότητα, ο Weiss το όρισε ως πρόβλημα τάξης.
Έγκαιρο σχέδιο έως τελικό αποτέλεσμα
Η ισχυριζόμενη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων του Weber το 1969 δεν επαναλήφθηκε ποτέ, αλλά το παράδειγμα που ενέπνευσε το έργο του εξελίχθηκε σε LIGO. Ο Weiss βελτίωσε την αρχική ιδέα προσθέτοντας μια δεύτερη διαδρομή δοκού με καθρέφτη στο ένα άκρο, σε ορθή γωνία στην πρώτη διαδρομή σε σχήμα "L" με διαχωριστή δέσμης στη διασταύρωση. Αυτό είναι ένα συμβολόμετρο Michelson, το οποίο έκανε εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός στο πείραμα Michelson-Morley του 1887 και επίσης του φάσματος CMB. Στη γενική σχετικότητα, ένα βαρυτικό κύμα που ταξιδεύει κάθετα στο επίπεδο των βραχιόνων θα επιμήκυνε το ένα και θα συσπούσε το άλλο, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο παρεμβάλλονται τα κύματα φωτός στους δύο βραχίονες. Αυτό, συμπέρανε ο Weiss, θα ήταν πολύ πιο ευαίσθητο από τη μέτρηση του χρόνου ταξιδιού σε ένα μόνο μονοπάτι.
Ο Weiss θυμάται πώς το καλοκαίρι του 1971 «κάθισε σε ένα μικρό δωμάτιο και υπολόγιζε όλα τα πράγματα που θα παρέμβουν σε αυτό το πείραμα», συμπεριλαμβανομένων των πηγών θορύβου. Το αποτέλεσμά του ήταν αξιοσημείωτο: με βραχίονες μήκους πολλών χιλιομέτρων, θα ήταν δυνατό να μετρηθούν οι αλλαγές σε απόσταση τόσο μικροσκοπικές όσο 10-18 m – μόλις το ένα χιλιοστό του μεγέθους ενός πρωτονίου – καθώς ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα πιέζει το διάστημα για να προκαλέσει μια τάση 10-21.
Δοκιμαστικό κρεβάτι και πρώτες παρατηρήσεις
Μερικοί από τους συναδέλφους του Weiss ήταν δύσπιστοι για τα βαρυτικά κύματα, αλλά συνέχισε να αναπτύσσει την ιδέα του. Έλαβε πειραματική επαλήθευση όταν μικρά δοκιμαστικά παρεμβολόμετρα που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριό του και από μια γερμανική ομάδα επιβεβαίωσαν τους υπολογισμούς του. Ευρύτερη υποστήριξη ήρθε μετά το 1975, όταν ο Weiss επανασυνδέθηκε με έναν γνωστό από τα χρόνια του Πρίνστον, το Ο θεωρητικός φυσικός του Caltech Kip Thorne. Βλέποντας τις δυνατότητες για έρευνα βαρυτικών κυμάτων, ο Thorne υποστήριξε την ιδέα του Weiss στο Caltech. Το 1979 το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών χρηματοδότησε την Caltech και το MIT για τη διεξαγωγή μελέτης σκοπιμότητας συμβολομετρικής ανίχνευσης. Μέχρι το 1990 υποστήριξε το LIGO ως επιχείρηση του Caltech-MIT με τη μεγαλύτερη επιχορήγηση που είχε δώσει ποτέ. Αυτό επέτρεψε την κατασκευή πανομοιότυπων ανιχνευτών με βραχίονες μήκους 4 km Hanford, Ουάσιγκτον και Λίβινγκστον, Λουιζιάνα, για μελέτες σύμπτωσης για επιβεβαίωση τυχόν εμφανίσεων. Αυτά ενσωμάτωσαν πολλές τεχνικές έννοιες που αναπτύχθηκαν από πειραματικό φυσικό Ronald Drever από το Caltech.
Ένα χρονοδιάγραμμα LIGO
- Δεκαετίες 1970–1980 Μετά τη μελέτη σκοπιμότητας του Rainer Weiss για ένα συμβολόμετρο λέιζερ χιλιομετρικής κλίμακας, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών χρηματοδοτεί την Caltech και το MIT για περαιτέρω μελέτη και στη συνέχεια καθιερώνει ΛΙΓΟ ως κοινό τους έργο.
- 1990-1999 Εγκρίνεται, χρηματοδοτείται και ολοκληρώνεται η κατασκευή του LIGO στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Το LIGO εγκαινιάζεται το 1999.
- 2002-2010 Το LIGO ξεκινά τη λειτουργία του. Η έρευνα ξεκινά με την αρχική ευαισθησία σχεδιασμού, αλλά δεν παρατηρούνται βαρυτικά κύματα. η συνεργασία ξεκινά με το Παρθένος συμβολόμετρο στην Ιταλία.
- 2011-2017 Το LIGO ενημερώθηκε σε προηγμένο LIGO, με 10 φορές καλύτερη ευαισθησία. ακολουθούν οι σειρές παρατήρησης O1 και O2 το 2015–2016 και 2016–2017, αντίστοιχα.
- 14 2015 Σεπτέμβριο Το LIGO ανιχνεύει πρώτα βαρυτικά κύματα, από δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται.
- 17 2017 Αύγουστο Το LIGO/Virgo ανιχνεύει για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα από δύο συγχωνευμένα αστέρια νετρονίων. Το γεγονός παρακολουθείται επίσης από την αστρονομία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
- 3 2017 Οκτωβρίου Οι Rainer Weiss, Barry Barish και Kip Thorne απονέμονται με το Νόμπελ Φυσικής 2017.
- 2019-2020 Παρατηρώντας το τρέξιμο O3.
- 7 Νοεμβρίου 2021 Τα αποτελέσματα από το O3, με αυτά από το O1 και το O2, συνολικά 90 συμβάντα από το 2015. Πρόκειται για δυαδικές συγχωνεύσεις μαύρων οπών, ή άστρων νετρονίων ή μιας μαύρης τρύπας και ενός αστέρα νετρονίων.
- Μάρτιος 2023 Προγραμματισμένη ημερομηνία έναρξης για παρατηρώντας το τρέξιμο O4.
Μετά την έναρξη λειτουργίας του LIGO το 2002, πέτυχε την προβλεπόμενη ευαισθησία, αλλά για εννέα χρόνια δεν ανιχνεύθηκαν βαρυτικά κύματα. Οι συσκευές στη συνέχεια βελτιώθηκαν σημαντικά, με καλύτερη απομόνωση από πηγές θορύβου, με αποτέλεσμα "προηγμένο LIGO" (aLIGO) πάνω από πέντε χρόνια αργότερα. Με 10 φορές ενισχυμένη ευαισθησία, ενεργοποιημένη 14 Σεπτεμβρίου 2015, aLIGO έκανε την πρώτη παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων που προέρχονταν από δύο συγχωνευμένες μαύρες τρύπες – μια θαυματουργή ανακάλυψη καθώς το μηχάνημα βαθμονομούνταν ακόμη για την πρώτη επίσημη λειτουργία (Κόσμος Φυσικής 2017? 30 (10) 33).
Λίγα χρόνια αργότερα, στις Στις 17 Αυγούστου 2017, το aLIGO πραγματοποίησε την πρώτη παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων από δύο συγχωνευμένα αστέρια νετρονίων (συμμετείχε και ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων Virgo στην Ιταλία). Αυτά δεν ήταν μεμονωμένα γεγονότα. Μέχρι το τέλος της τελευταίας παρατήρησής του, η οποία ολοκληρώθηκε στα τέλη του 2021, το aLIGO είχε αναφέρει συνολικά 90 παρατηρήσεις συγχωνεύσεων δύο μαύρων οπών (η πλειοψηφία), δύο αστέρων νετρονίων ή μιας μαύρης τρύπας και ενός αστέρα νετρονίων.
Κοιτάζοντας πίσω, κοιτάζοντας μπροστά
Όταν συλλογίζεται αυτά τα πρώτα επτά χρόνια της βαρυτικής αστρονομίας, ο Weiss χαίρεται. «Νομίζω ότι το LIGO ήταν μια τεράστια επιτυχία», λέει, επαινώντας ιδιαίτερα τον τρόπο με τον οποίο επικυρώνει τη γενική σχετικότητα και την αστροφυσική της μαύρης τρύπας. Τα αποτελέσματα του LIGO δείχνουν ότι κατανοούμε τις μαύρες τρύπες αρκετά καλά για να προβλέψουμε τις λεπτομέρειες της αλληλεπίδρασής τους με δύο σώματα, η οποία στη γενική σχετικότητα είναι τόσο δύσκολο να υπολογιστεί όσο το πρόβλημα των τριών σωμάτων στην κλασική φυσική. Ένα άλλο αποτέλεσμα είναι ο κατάλογος αλληλεπιδράσεων του LIGO μεταξύ μαύρων οπών διαφορετικών μαζών, ο οποίος δίνει ενδείξεις για το πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών.
Ο Weiss ξεχωρίζει επίσης ένα συγκεκριμένο γεγονός που «προκάλεσε τη μεγαλύτερη αναταραχή [και] παρήγαγε τόση επιστήμη που είναι απίστευτο». Τα δύο συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων που παρατηρήθηκαν το 2017 δημιούργησαν επίσης ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, από ακτίνες γάμμα έως ραδιοκύματα, η οποία παρακολουθήθηκε από παρατηρητήρια σε όλο τον κόσμο (βλ. "Ένας νέος κοσμικός αγγελιοφόρος” του Ίμρε Μπάρτος). Αυτό το χαρακτηριστικό παράδειγμα αστρονομίας «πολυαγγελιοφόρου» έδωσε μια ακριβή τοποθεσία για το συμβάν. έδειξε ότι η αλληλεπίδραση παρήγαγε χρυσό και πλατίνα, δίνοντας νέα εικόνα για το πώς τα αστέρια δημιουργούν βαριά στοιχεία. επιβεβαίωσε ότι τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν ακριβώς με την ταχύτητα του φωτός. και παρείχε έναν νέο τρόπο για τη μέτρηση της σταθεράς Hubble και ίσως για να ξεκουραστούν οι τρέχουσες αβεβαιότητες σχετικά με την τιμή της.
Τα πολλά άτομα πίσω από το LIGO
Το έγγραφο που αναγγέλλει την πρώτη παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων (Φυσ. Rev. Lett. 116 061102) συντάχθηκε από τους Rainer Weiss, Kip Thorne, Barry Barish και περίπου 1000 άλλους επιστήμονες και μηχανικούς από όλο τον κόσμο. Ο Weiss ξεκίνησε την ομιλία του για το Νόμπελ στη Στοκχόλμη το 2017 λέγοντας «οι τρεις μας δεν θα ήμασταν καθόλου εδώ» χωρίς αυτή την τεράστια ομαδική προσπάθεια. Στην πραγματικότητα, ο Weiss λυπάται που το βραβείο Νόμπελ δεν θα μπορούσε με κάποιο τρόπο να τιμήσει όλους τους εμπλεκόμενους.
Ο Βάις εκτιμά προσωπικά και τους συναδέλφους του με το Νόμπελ. Ήταν το «μάντρα» του Thorne, λέει ο Weiss, ότι τα βαρυτικά κύματα θα μας έδειχναν εντελώς νέα πράγματα. Η δέσμευση του Thorne στην αξία αυτής της έρευνας και η εργασία του σχετικά με τη σχετική θεωρία ήταν απαραίτητα για το LIGO. Ο Weiss πιστεύει επίσης ότι ο Barish, ο οποίος ήταν διευθυντής του έργου LIGO, παρείχε την ηγεσία που μετέτρεψε τις επιστημονικές ιδέες σε ένα λειτουργικό παρατηρητήριο. Βασιζόμενος στην εμπειρία του με πειράματα μεγάλης κλίμακας στη φυσική υψηλής ενέργειας, ο Barish πήρε τις κρίσιμες διαχειριστικές και τεχνικές αποφάσεις που προώθησαν την κατασκευή του LIGO.
Η Weiss θέλει επίσης να τονίσει την τεράστια επίδραση πολλών γυναικών συνεργατών στο LIGO. Αυτά περιλαμβάνουν Η αναπληρώτρια κοσμήτορας της Georgia Tech Laura Cadonati, ο οποίος προήδρευσε της επιτροπής που επικύρωσε επίσημα τα πρώτα δεδομένα βαρυτικών κυμάτων του LIGO. Η ομάδα της τώρα σαρώνει δεδομένα LIGO για σημαντικά νέα αποτελέσματα. Επίσης στο Georgia Tech, Deirdre Shoemaker (τώρα στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν) πραγματοποίησε προσομοιώσεις σε υπολογιστή αλληλεπιδράσεων μαύρης τρύπας, ενώ Η Βίκυ Καλογερά στο Πανεπιστήμιο Northwestern, ένας πρώιμος πιστός στην αξία της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, υπολόγισε την επικράτηση των συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας και άστρων νετρονίων ως πηγές αυτών των κυμάτων. Ο φυσικός του MIT Nergis Mavalvala έπαιξε α μεγάλο ρόλο στην εισαγωγή της τεχνικής «συμπιεσμένου φωτός» για τη μείωση του κβαντικού θορύβου στο aLIGO και συνέβαλε στην ιδέα ενός νέου, πολύ αναβαθμισμένου Cosmic Explorer ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων.
Ο ενθουσιασμός του Weiss μεγαλώνει όταν ρωτήθηκε για το μέλλον της βαρυτικής αστρονομίας. Ένα συστατικό θα ήταν το Συμβολόμετρο Cosmic Explorer, ΠΡΟΤΕΙΝΕΤΑΙ ΑΠΟ Μάθιου Έβανς και Νέργης Μαβαλβάλα στο MIT. Η Weiss υποστηρίζει σθεναρά αυτή τη συσκευή επόμενης γενιάς, της οποίας οι βραχίονες μήκους 40 km θα την καθιστούσαν 10 φορές πιο ευαίσθητη από το προηγμένο LIGO. Οι Ευρωπαίοι επιστήμονες εξετάζουν το τριγωνικό Τηλεσκόπιο Αϊνστάιν με βραχίονες μήκους 10 χιλιομέτρων, και ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος προτείνει την εκτόξευση του τριγωνικού Διαστημική κεραία παρεμβολόμετρου λέιζερ (LISA) τη δεκαετία του 2030. Τα τρία διαστημόπλοιά του – σε απόσταση 2.5 εκατομμυρίων χλμ μεταξύ τους και που φέρουν λέιζερ και καθρέφτες – θα σχημάτιζαν έναν υπερευαίσθητο ανιχνευτή.
Κάθε ανιχνευτής θα ανταποκρίνεται σε διαφορετικές συχνότητες βαρυτικών κυμάτων, οι οποίες εξαρτώνται αντιστρόφως από τη μάζα του αντικειμένου που ακτινοβολεί. Όπως η κανονική αστρονομία χρησιμοποιεί διαφορετικά μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος για να μελετήσει ποικίλα ουράνια φαινόμενα, έτσι αρχίζουμε να βλέπουμε βαρυτικά παρατηρητήρια συντονισμένα για να ανιχνεύουν διαφορετικές κατηγορίες βαρυτικών γεγονότων. Για τις μαύρες τρύπες, οι δυνατότητες κυμαίνονται από την αναζήτηση μικρών υποθετικών αρχέγονων μαύρων τρυπών έως την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σχετίζονται με το σχηματισμό γαλαξιών. Τα βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση αστέρων νετρονίων θα εμβαθύνουν τις γνώσεις μας για την αστρική εξέλιξη και την πυκνή πυρηνική ύλη. Μπορεί επίσης να προκύψουν από πάλσαρ για να συμπληρώσουν αυτά που αποκαλύπτουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα για αυτά. Πιο εικαστικά, ορισμένοι ερευνητές προτείνουν ότι οι μέθοδοι πολλαπλών αγγελιοφόρων μπορεί να δείξουν εάν η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας είναι πραγματικά το ένα άκρο μιας σκουληκότρυπας.
Αυτό που ενθουσιάζει περισσότερο τον Weiss για αυτούς τους επερχόμενους ανιχνευτές είναι ότι θα μπορούσαν «να κάνουν θεαματική επιστήμη φέρνοντας το πεδίο στην κοσμολογία, τη μελέτη ολόκληρου του σύμπαντος». Όπως εξηγεί, ο Ρώσος θεωρητικός Αλεξέι Σταρομπίνσκιǐ έχει δείξει ότι εάν μια διακύμανση κενού άρχιζε τον κόσμο, τότε καθώς το σύμπαν υποβλήθηκε σε γρήγορο κοσμικό πληθωρισμό, η ασύλληπτη επιτάχυνση θα παρήγαγε πολλά βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας. Όπως η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, αυτές θα σχημάτιζαν ένα υπολειπόμενο παγκόσμιο υπόβαθρο, αλλά προερχόμενο από μια εποχή πολύ κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη και μεταφέροντας νέες πληροφορίες για πρώιμες διαδικασίες όπως η δημιουργία της σκοτεινής ύλης. Αυτά τα κύματα θα ήταν δύσκολο να ανιχνευθούν, αλλά οι ερευνητές σχεδιάζουν έναν συνδυασμό επίγειων και διαστημικών ανιχνευτών που θα αποτελέσουν ένα νέο εργαλείο για να επιτεθούν σε ορισμένα μεγάλα ερωτήματα στη φυσική, την αστρονομία και την κοσμολογία.
Αλλά καθώς αναλογίζεται τη μακροχρόνια καριέρα του και τη μελλοντική του έρευνα, ο Weiss δεν θέλει να συνοψίσει τα πράγματα λέγοντας απλώς «Δεν είμαι τέτοιος τύπος». Μπορεί να είναι απογοητευτικό να μην έχουμε ένα τελευταίο ήχο, αλλά στη συνέχεια, στη δεκαετία δέσμευσή του για την επιτυχή κατασκευή του LIGO, στο όραμά του για περαιτέρω πρόοδο της επιστήμης των βαρυτικών κυμάτων και στο μεταδοτικό πάθος του και για τα δύο, ο Rainer Weiss έχει ήδη πει εύγλωττα. όλα όσα χρειάζεται να πει.
