Rainer Weiss: 50 aastat LIGO-d ja gravitatsioonilaineid

Füüsik Rainer Weiss, kes on maalähedane, tagasihoidlik ja soovib oma uurimistööd arutada, on märkimisväärselt lihtne rääkida. Viis aastat tagasi teenis tema töö talle poole vähem 2017. aasta Nobeli füüsikaauhind, teine ​​pool läks Barry Barishile ja Kip Thorne'ile "otsustava panuse eest LIGO detektorisse ja gravitatsioonilainete vaatlemisse". USA-s asuv Laserinterferomeetri gravitatsioonilaine vaatluskeskus (LIGO) See on koht, kus gravitatsioonilaineid vaadeldi esmakordselt 2015. aastal, kinnitades lõplikult viimast järelejäänud kontrollimata ennustust Albert Einsteini sajandivanusest üldisest relatiivsusteooriast.

Vaatamata nende olemasolu ennustamisele kahtles Einstein ise, kas need lained on kunagi jälgitavad, kuna need on äärmiselt nõrgad. Weissi läbimurdeline idee kasutada laserinterferomeetriat tegi selle lõpuks võimalikuks esimene vaatlus – gravitatsioonilainetest, mis kiirguvad Maast 1.3 miljardi valgusaasta kaugusel kahe musta augu ühinemisel – ja palju muud, mida LIGO on pärast seda tuvastanud. Weissil, tema Nobeli kolleegidel ja paljudel teistel kulus aastakümneid pingutusi ning avastus kujutas endast füüsika tippu, mis juhatas sisse ka uue ajastu astronoomias. Vaatlusastronoomia tekkimisest saadik olime universumit skaneerinud peamiselt esmalt nähtava valguse, seejärel laia spektri elektromagnetlainete vaatlemisega. Nüüd suutsid gravitatsioonilained pakkuda uue viisi paljude kosmiliste nähtuste uurimiseks. Vaid seitse aastat pärast gravitatsiooniastronoomia sündi on see juba andnud palju väärtuslikke uusi teadmisi.

Natsi-Saksamaalt Praha kaudu USA-sse

Igaüks kolmest Nobeli preemia laureaadist järgis nende õnnestumiste suunas oma kaaret. Weissi tee näitab, kuidas kujunevad andekad eksperimentaalfüüsikud, kuidas uued teaduslikud ideed võivad tulla ootamatutest suundadest ja kuidas on vaja laiaulatusliku füüsikaeksperimendi elluviimiseks tohutut visadust.

Weiss sündis Saksamaal Berliinis 29. septembril 1932 natside võimuletuleku ajal. Weissi isa Frederick, keda Rainer kirjeldab noorest peale kui "tulnukat ja idealistlikku kommunisti", oli arst. Juudi ja natsivastase kommunistina, kes andis tunnistusi väärkäitumises süüdistatava natsiarsti vastu, peeti Frederick natside poolt kinni, kui Raineri ema Gertrude oli temast rase. Tema kristlasest naise, kelle perekonnal olid kohalikud kontaktid, korraldusel Frederick vabastati ja saadeti Prahasse. Kui Rainer sündis, reisis Gertrude oma uue beebiga Tšehhoslovakkiasse Fredericki juurde, kus paaril sündis 1937. aastal teine ​​laps Sybille.

Kuid kui 1938. aasta Müncheni leping lubas Saksa vägedel Tšehhoslovakkiasse siseneda, pidi perekond veel kord põgenema. "Kuulsime seda otsust raadiost Slovakkias puhkusel olles ja ühinesime suure hulga inimestega, kes suundusid Praha poole, et püüda saada viisat, et emigreeruda peaaegu kõikjale maailmas, kus juute vastu võetakse," meenutab Rainer oma Nobeli biograafias. . Perekond kolis USA-sse 1939. aastal. Tollase immigratsiooniseaduse kohaselt oli see võimalik ainult tänu Fredericki elukutsele ja seetõttu, et üks "väga imeline naine", nagu Weiss teda kutsub, St Louis'i heategevuslikust Stixide perekonnast, pani võlakirja. garanteerida, et Weissid ei oleks kogukonnale koormaks.

Weiss kasvas üles New Yorgis, kus ta algselt käis riigikoolis. Viiendas klassis sai ta kohaliku pagulaste abiorganisatsiooni kaudu stipendiumi, et sellega liituda Columbia gümnaasium – erakool Manhattani keskel, mis omal ajal oli seotud õpilaste ettevalmistamisega Columbia University. Muusika, teadus ja ajalugu olid tema lemmikkursused ning teismelisena ehitas ta klassikalise muusika austajatele kohandatud kõrgsageduslikke või "hi-fi" helisüsteeme.

See huvi ja tema enda uudishimu viisid ta lõpuks füüsika juurde. Täiuslikku heli taasesitust otsides püüdis Weiss elektrooniliselt kõrvaldada taustamüra, mida fonograafi nõel vanamoodsal plaadil mööda soont liikudes tekitab, mis muusikat rikkus. Kuid tema jõupingutused ebaõnnestusid ja ta otsustas minna kolledžisse, et õppida piisavalt, et probleem lahendada. See haridus algas kl Massachusettsi Tehnoloogiainstituut (MIT) aastal 1950.

Elektroonikast füüsikasse ümbersõidu kaudu

MIT-i elektrotehnika peaerialana pidi Weiss õppima generaatoreid ja ülekandeliine, enne kui ta sai õppida elektroonikat, mis teda tõeliselt huvitas. See jäik plaan ei olnud tema maitse, mistõttu läks ta teisel kursusel üle füüsikale, sest “sellel oli vähem nõudeid” ja paindlikum õppekava. Kuid ka see ei õnnestunud kohe. 1952. aastal armus Weiss nooresse naisesse, pianisti. Suhe ei lõppenud hästi ja südamest valutuna kukkus Weiss kõigil kursustel läbi ja pidi MIT-st lahkuma.

Kuid kõik polnud kadunud. 1953. aasta kevadeks naasis ta MIT-i tehnikuna Füüsik Jerrold Zachariase aatomikiire laboratoorium, kes oli välja töötanud esimese aatomkella. "Selles laboris tehtav teadus oli suurepärane, " meenutab Weiss. "Sealsetes katsetes vaadeldi isoleeritud üksikute aatomite ja molekulide omadusi, mida naabersüsteemid ei häiri. Iga aatom oli sama mis järgmine ja nende struktuuri ja vastastikmõjude kohta, mis neid koos hoidsid, oli võimalik esitada põhimõttelisi küsimusi. See, mis sai alguse abist abiturientide lõputööprojektides, viis lõpuks selleni, et Weiss töötas Zachariasega otse tseesiumi aatomikiire kell, mis lõpuks nii saab võeti vastu Standardibüroo (nüüd National Institute of Standards and Technology) ja USA mereväe ajastandardina.

Sakariase juhendamisel lõpetas Weiss oma füüsika bakalaureusekraad, seejärel doktorikraadi 1962. aastalja õppis tundma ülitäpset eksperimenteerimist, mis on LIGO-ni viinud põhilõng. Veel üks võtmeteema tekkis siis, kui Weiss töötas astronoomi ja füüsiku käe all teadurina. Robert Dicke Princetoni ülikoolis, keda Weiss nimetab "üheks mu elu kangelaseks". Dicke ja Weiss uurisid selle kaasaegse versiooni väljatöötamist Eötvösi eksperiment, et mõista üldrelatiivsusteooria samaväärsuse põhimõtet, tõestades inertsiaal- ja gravitatsioonimassi samaväärsust. Kuna Dicke'i uus gravitatsiooniteooria ühendas skalaarvälja üldrelatiivsusteooria tensorväljaga, oli tema ideeks ehitada eksperiment, mis võiks mõõta, kuidas kogu Maa vibreerib, kui gravitatsioonilaine möödub. Katse eesmärk oli mõõta skalaarse gravitatsioonikiirguse spektrit, kuid nad leidsid, et nende kvartsgravimeetri tundlikkus oli geofüüsikalise müra tõttu tõsiselt piiratud. Vaatamata sellele, et uuring ebaõnnestus, õppis Weiss Dicke’i teerajajaks olevaid eksperimentaalseid tehnikaid, mis lõppkokkuvõttes osutuvad LIGO ja ka paljude teiste füüsikakatsete jaoks hädavajalikuks. Tõepoolest, Weiss leidis, et need kaks aastat Princetonis "olid minu teaduse arengus väga olulised".

Pärast liitumist MIT-i füüsikateaduskonnaga assistendina 1964. aastal, Weiss töötas kosmoloogilise projekti kallal, mis mõõtis kosmilise mikrolaine tausta (CMB) spektrit., Suure Paugu reliikvia, mis täidab siiani universumit. Ta aitas kaasa uuringule, mis tuvastas, et CMB järgib peaaegu täiuslikku musta keha kõverat lähtetemperatuuriga 2.7 K – mille avastamine viis 2006 Nobeli preemia juhtivatele teadlastele John Matherile ja George Smootile.

Gravitatsiooni mõõtmine klassiruumis

Weiss jätkas gravitatsioonilainete üle mõtlemist, eriti kui tal paluti MIT-is esitada üldrelatiivsusteooria kursus. See ei olnud lihtne. Üldrelatiivsusteooria matemaatika on hirmuäratav ja seda ainet õpetavad kursused olid pigem matemaatilised kui füüsilised. Seda täna arutades ütleb Weiss: "Ma ei ole teoreetik. Ma olen torulukksepp… vaakumtorulukksepp, elektrooniline torulukksepp, aga torumees. Nii õppis ta ja tema õpilased matemaatikat koos, kuid ootamatult muutus tema eksperimentaalne taust väga oluliseks.

Nagu Weiss selgitab, tol ajal Joseph Weber Marylandi ülikoolist püüdis gravitatsioonilaineid tuvastada mõõtes suurte alumiiniumsilindrite pikkuse muutust lainetisena. Kui õpilased Weissilt selliste mõõtmiste kohta küsisid, mõtles ta välja pedagoogilise gedanken katsetada, et näidata, kuidas neid põhimõtteliselt teha saab. Asetage vabasse ruumi kaks massi, millest üks on impulsslaseriga ja teine ​​peegliga. Nüüd mõõtke laservalguse edasi-tagasi liikumisaega – ja seega ka kaugust. Kui mööduv gravitatsioonilaine muudab kaugust, näitavad mõju piisavalt täpsed ajamõõtmised. Kuna kõik mõõtmised tehakse laseri ruumi-aja asukohas, muutub üldrelatiivsusteooria arvutamine lihtsaks – tegelikult määras Weiss selle klassiprobleemiks.

Weberi väidetavat gravitatsioonilainete tuvastamist 1969. aastal ei korratud kunagi, kuid tema töö inspireeritud näide kasvas välja LIGO-ks. Weiss täiustas algset ideed, lisades teise kiirte tee, mille ühes otsas on peegel, mis on seatud täisnurga alla esimese teega L-kujuliselt ja ristmikul kiirjaguriga. See on Michelsoni interferomeeter, mis tegi 1887. aasta Michelson-Morley katses ülitäpseid valguse kiiruse ja ka CMB spektri mõõtmisi. Üldrelatiivsusteoorias pikendaks käte tasapinnaga risti liikuv gravitatsioonilaine ühte ja tõmbaks teist kokku, muutes seda, kuidas kahe käe valguslained segavad. See, järeldas Weiss, oleks palju tundlikum kui ühe teekonna läbimise aja mõõtmine.

Weiss meenutab, kuidas ta 1971. aasta suvel "istus väikeses toas ja arvutas välja kõik asjad, mis seda katset segaksid", sealhulgas müraallikad. Tema tulemus oli märkimisväärne: mitme kilomeetri pikkuste kätega oleks võimalik mõõta vahemaa muutusi juba 10.^-18 m – vaevalt üks tuhandik prootoni suurusest – kuna mööduvad gravitatsioonilained pingestavad ruumi, põhjustades 10-kordse pinge^-21.

Katselaud ja esimesed vaatlused

Mõned Weissi kolleegid olid gravitatsioonilainete suhtes skeptilised, kuid ta jätkas oma idee arendamist. See sai eksperimentaalse kontrolli, kui tema laboris ja Saksa rühma ehitatud väikesed katseinterferomeetrid tegid tema arvutused. Laiem toetus tekkis pärast 1975. aastat, kui Weiss võttis uuesti ühendust oma Princetoni päevilt pärit tuttavaga. Caltechi teoreetiline füüsik Kip Thorne. Nähes gravitatsioonilainete uurimise potentsiaali, toetas Thorne Weissi ideed Caltechis. Aastal 1979 National Science Foundation rahastas Caltechi ja MIT-i interferomeetrilise tuvastamise teostatavusuuringu läbiviimiseks. 1990. aastaks toetas see LIGO-d Caltech-MIT-i operatsioonina suurima toetusega, mida see kunagi andnud oli. See võimaldas ehitada identseid detektoreid 4 km pikkuste kätega Hanford, Washington ja Livingston, Louisiana, juhuste kokkulangevuse uuringute jaoks, mis kinnitavad mis tahes vaatlusi. Need hõlmasid paljusid tehnilisi kontseptsioone, mille oli välja töötanud eksperimentaalfüüsik Ronald Drever Caltechist.

Pärast LIGO tegevust 2002. aastal saavutas see prognoositud tundlikkuse, kuid üheksa aasta jooksul ei tuvastatud gravitatsioonilaineid. Seejärel täiustati seadmeid märkimisväärselt, isoleeriti paremini müraallikatest, mille tulemuseks oli "täiustatud LIGO" (aLIGO) üle viie aasta hiljem. 10 korda suurendatud tundlikkusega, sees 14. september 2015, ALIGO tegi kõigi aegade esimese vaatluse gravitatsioonilainete kohta, mis pärinesid kahest ühinenud mustast august – see oli imeline avastus, kuna masinat alles kalibreeriti esimeseks ametlikuks sõiduks (Füüsika maailm 2017; 30 (10) 33).

Paar aastat hiljem, edasi 17. augustil 2017 tegi aLIGO kõigi aegade esimese vaatluse kahe ühineva neutrontähe gravitatsioonilainete kohta (osales ka Itaalia gravitatsioonilainedetektor Virgo). Need ei olnud üksikud sündmused. Oma viimase vaatlustsükli lõpuks, mis lõppes 2021. aasta lõpus, oli aLIGO teatanud kokku 90 vaatlust kahe musta augu (enamik), kahe neutrontähe või musta augu ja neutrontähe ühinemise kohta. 

Vaadates tagasi, vaadates ette

Neid esimest seitset gravitatsiooniastronoomia aastat mõeldes juubeldab Weiss. "Ma arvan, et LIGO on olnud tohutu edu, " ütleb ta, kiites eriti seda, kuidas see kinnitab üldist relatiivsust ja mustade aukude astrofüüsikat. LIGO tulemused näitavad, et me mõistame mustad augud piisavalt hästi, et ennustada nende kahe keha vastasmõju üksikasju, mida üldrelatiivsusteoorias on sama raske arvutada kui klassikalise füüsika kolme keha probleemi. Teine tulemus on LIGO erineva massiga mustade aukude vastastikmõjude kataloog, mis annab vihjeid selle kohta, kuidas need võivad moodustuda galaktikate keskpunktides supermassiivseteks mustadeks aukudeks.

Weiss toob välja ka ühe konkreetse sündmuse, mis "tekitas suurimat segadust [ja] andis nii palju teadust, et see on uskumatu". 2017. aastal vaadeldud kaks põrkuvat neutrontähte tekitasid ka elektromagnetkiirgust alates gammakiirgusest kuni raadiolaineteni, mida jälgisid vaatluskeskused üle maailma (vt. "Uus kosmiline sõnumitooja” autor Imre Bartos). See "mitme sõnumitooja" astronoomia suurepärane näide andis sündmuse täpse asukoha; näitas, et vastasmõju andis kulda ja plaatinat, andes uue ülevaate sellest, kuidas tähed teevad raskeid elemente; kinnitas, et gravitatsioonilained liiguvad täpselt valguse kiirusel; ja andis uue viisi Hubble'i konstandi mõõtmiseks ja võib-olla leevendada praegust ebakindlust selle väärtuse suhtes.

Weissi entusiasm kasvab, kui temalt küsitakse gravitatsiooniastronoomia tuleviku kohta. Üks komponent oleks Cosmic Exploreri interferomeeter, soovitas Matthew Evans ja Nergis Mavalvala MIT-is. Weiss toetab tugevalt seda järgmise põlvkonna seadet, mille 40 km pikkused käed muudaksid selle 10 korda tundlikumaks kui täiustatud LIGO. Euroopa teadlased kaaluvad kolmnurkset Einsteini teleskoop 10 km pikkuste relvadega ja Euroopa Kosmoseagentuur teeb ettepaneku kolmnurkne lennutada Laserinterferomeetri ruumiantenn (LISA) 2030. aastatel. Selle kolm kosmoselaeva, mis asuvad üksteisest 2.5 miljoni km kaugusel ja kannavad lasereid ja peegleid, moodustaksid ülitundliku detektori.

Iga detektor reageerib erinevatele gravitatsioonilainete sagedustele, mis sõltuvad pöördvõrdeliselt kiirgava objekti massist. Nii nagu tavaline astronoomia kasutab erinevate taevanähtuste uurimiseks elektromagnetilise spektri erinevaid osi, hakkame nägema gravitatsiooniobservatooriume, mis on häälestatud erinevate gravitatsioonisündmuste klasside tuvastamiseks. Mustade aukude puhul ulatuvad võimalused väikeste hüpoteetiliste ürgsete mustade aukude otsimisest kuni mõistmiseni, kuidas ülimassiivsed mustad augud on seotud galaktikate tekkega. Liituvate neutrontähtede gravitatsioonilained süvendavad meie teadmisi tähtede evolutsiooni ja tiheda tuumaaine kohta. Need võivad tekkida ka pulsaridest, et täiendada seda, mida elektromagnetlained nende kohta paljastavad. Spekulatiivsemalt viitavad mõned teadlased, et mitme sõnumitooja meetodid võivad näidata, kas meie enda galaktika keskmes asuv ülimassiivne must auk on tõesti ussiaugu üks ots.

Weissi erutab nende tulevaste detektorite puhul kõige rohkem see, et nad võiksid „teha suurejoonelist teadust, viies selle valdkonna kosmoloogiasse, kogu universumi uurimisse”. Nagu ta selgitab, vene teoreetik Aleksei Starobinskiǐ on näidanud, et kui vaakumi kõikumine käivitaks kosmose, siis kuna universum läbis kiire kosmilise inflatsiooni, tekitaks kujuteldamatu kiirendus palju madala sagedusega gravitatsioonilaineid. Sarnaselt kosmilise taustkiirgusega moodustaksid need universaalse jääkfooni, kuid pärinevad Suure Paugu lähedalt ja kannavad uut teavet varajaste protsesside kohta, nagu tumeaine teke. Neid laineid oleks raske tuvastada, kuid teadlased kavandavad maapealsete ja kosmosedetektorite kombinatsiooni, mis moodustaks uue tööriista, et rünnata mõningaid suuri küsimusi füüsikas, astronoomias ja kosmoloogias.

Kuid oma pika karjääri ja tulevase uurimistöö üle mõtiskledes ei taha Weiss asju kokku võtta, öeldes lihtsalt: "Ma ei ole selline mees." Võib olla pettumus, kui tal pole lõplikku helihammustust, kuid Rainer Weiss on oma aastakümneid kestnud pühendumuses edukalt LIGO ülesehitamisele, nägemuses gravitatsioonilainete teaduse edasisest edendamisest ja nakkavast kirest mõlema vastu juba kõnekalt öelnud. kõik, mis tal öelda on.