Rainer Weiss: 50 år med LIGO og gravitasjonsbølger

Jordnær, upretensiøs og opptatt av å diskutere forskningen sin, fysiker Rainer Weiss er bemerkelsesverdig lett å snakke med. For fem år siden ga arbeidet ham halvparten 2017 Nobelprisen i fysikk, med den andre halvparten til Barry Barish og Kip Thorne, for "avgjørende bidrag til LIGO-detektoren og observasjonen av gravitasjonsbølger". Det USA-baserte Laser Interferometer gravitasjonsbølgeobservatoriet (LIGO) er der gravitasjonsbølger først ble observert i 2015, noe som definitivt bekrefter den siste gjenværende uprøvde spådommen fra Albert Einsteins århundregamle generelle relativitetsteori.

Til tross for at han varslet deres eksistens, tvilte Einstein selv på at disse bølgene noen gang ville være observerbare fordi de er ekstremt svake. Weiss sin banebrytende idé om å bruke laserinterferometri gjorde det endelig mulig første observasjon - av gravitasjonsbølger som sendes ut fra sammenslåingen av to sorte hull, 1.3 milliarder lysår unna Jorden – og de mange flere som LIGO siden har oppdaget. Det tok tiår med innsats fra Weiss, hans Nobel-kolleger og mange andre, og oppdagelsen representerte et høydepunkt innen fysikk som også innledet en ny æra innen astronomi. Siden bruken av observasjonsastronomi hadde vi skannet universet for det meste ved først å observere synlig lys, deretter et bredt spekter av elektromagnetiske bølger. Nå var gravitasjonsbølger i stand til å gi en ny måte å undersøke mange kosmiske fenomener på. Bare syv år etter fødselen av gravitasjonsastronomi har den allerede produsert mye verdifull ny kunnskap.

Fra Nazi-Tyskland til USA, via Praha

Hver av de tre nobelprisvinnerne fulgte sin egen bue mot disse suksessene. Weiss sin vei viser hvordan talentfulle eksperimentelle fysikere dannes, hvordan nye vitenskapelige ideer kan komme fra uventede retninger, og hvordan ren utholdenhet er nødvendig for å få et storskala fysikkeksperiment til å realiseres.

Weiss ble født i Berlin, Tyskland 29. september 1932, under nazistenes maktovertakelse. Weiss far, Frederick, som Rainer beskriver som "en ivrig og idealistisk kommunist" fra ung alder, var lege. Som jøde og anti-nazistisk kommunist, som hadde vitnet mot en nazistisk lege anklaget for feilbehandling, ble Frederick arrestert av nazistene da Rainers mor, Gertrude, var gravid med ham. Etter ordre fra sin kristne kone, hvis familie hadde noen lokale kontakter, ble Frederick løslatt og sendt til Praha. Da Rainer ble født, reiste Gertrude med sin nye baby for å bli med Frederick i Tsjekkoslovakia, hvor paret fikk et nytt barn, Sybille, i 1937.

Men da München-avtalen fra 1938 tillot tyske tropper å gå inn i Tsjekkoslovakia, måtte familien rømme igjen. "Vi hørte avgjørelsen på en radio mens vi var på ferie i Slovakia og sluttet oss til en stor gruppe mennesker på vei mot Praha for å forsøke å få visum for å emigrere til nesten hvor som helst andre steder i verden som ville ta imot jøder," husker Rainer i sin Nobelbiografi . Familien flyttet til USA i 1939. Under immigrasjonsloven på den tiden var dette bare mulig på grunn av Fredericks yrke og fordi en "veldig fantastisk kvinne" som Weiss kaller henne, fra den filantropiske Stix-familien i St. Louis, la ut et bånd. for å garantere at Weisses ikke ville være en byrde for samfunnet.

Weiss er oppvokst i New York City, hvor han opprinnelig gikk på offentlig skole. I femte klasse fikk han et stipend, via en lokal flyktninghjelpeorganisasjon for å være med Columbia Grammar School – en privatskole midt på Manhattan, som i sin tid var forbundet med å forberede elevene på Columbia University. Musikk, vitenskap og historie var favorittkursene hans, og som tenåring bygde han tilpassede high-fidelity- eller "hi-fi"-lydsystemer for elskere av klassisk musikk.

Den interessen og hans egen nysgjerrighet førte ham til slutt til fysikk. På jakt etter perfekt lydgjengivelse prøvde Weiss elektronisk å eliminere bakgrunnsstøyen en fonografnål lager når den beveger seg langs sporet i en gammeldags plate, som skjemmet musikken. Men innsatsen hans mislyktes, og han bestemte seg for å gå på college for å lære nok til at han kunne løse problemet. Den utdannelsen begynte kl Massachusetts Institute of Technology (MIT) i 1950.

Elektronikk til fysikk, via en omvei

Som hovedfag i elektroteknikk ved MIT ble det forventet at Weiss skulle lære om generatorer og overføringslinjer før han kunne studere elektronikken som virkelig interesserte ham. Denne stive planen var ikke i hans smak, så i sitt andre år byttet han til fysikk, fordi "den hadde færre krav" og en mer fleksibel læreplan. Men det gikk heller ikke umiddelbart. I 1952 ble Weiss forelsket i en ung kvinne, en pianist. Forholdet endte ikke bra, og hjerteskjærende mislyktes Weiss på alle kursene og måtte forlate MIT.

Men alt var ikke tapt. Våren 1953 vendte han tilbake til MIT som en tekniker som jobbet i Atomic Beam Laboratory av fysiker Jerrold Zacharias, som hadde utviklet den første atomklokken. "Vitenskapen som ble utført i det laboratoriet var utsøkt," husker Weiss. "Eksperimentene der så på egenskapene til isolerte enkeltatomer og molekyler som ikke ble forstyrret av nabosystemer. Hvert atom var det samme som det neste, og det var mulig å stille grunnleggende spørsmål om deres struktur og interaksjonene som holdt dem sammen.» Det som startet som en rolle for å hjelpe studenter med oppgaveprosjektene deres, førte til slutt til at Weiss jobbet direkte med Zacharias om å utvikle cesium atomstråleklokke, som til slutt skulle fortsette å være vedtatt som tidsstandard for Bureau of Standards (nå National Institute of Standards and Technology) og US Navy.

Under Zacharias mentorskap fullførte Weiss sitt fysikk bachelorgrad, deretter en doktorgrad i 1962, og lærte om eksperimentering med høy presisjon, en nøkkeltråd som førte til LIGO. Et ytterligere sentralt tema dukket opp da Weiss jobbet som forskningsmedarbeider under astronom og fysiker Robert Dicke ved Princeton University, som Weiss kaller «en av heltene i livet mitt». Dicke og Weiss så på å utvikle en moderne versjon av Eötvös eksperiment, for å forstå ekvivalensprinsippet for generell relativitet ved å bevise ekvivalensen av treghet og gravitasjonsmasse. Da Dickes nye gravitasjonsteori kombinerte et skalarfelt med tensorfeltet til generell relativitet, var ideen hans å bygge et eksperiment som kunne måle hvordan hele jorden ville vibrere, dersom en gravitasjonsbølge skulle passere. Målet med eksperimentet var å måle spekteret av skalar gravitasjonsstråling, men de fant ut at følsomheten til deres kvartsgravimeter var sterkt begrenset på grunn av geofysisk støy. Til tross for at studien ikke var vellykket, lærte Weiss eksperimentelle teknikker som Dicke hadde vært banebrytende for, og som til slutt skulle vise seg å være avgjørende for LIGO, og mange andre fysikkeksperimenter også. Faktisk fant Weiss ut at de to årene på Princeton "var svært viktige i min vitenskapelige utvikling".

Etter at han begynte på MIT fysikkfakultetet som adjunkt i 1964, Weiss jobbet med et kosmologisk prosjekt som målte spekteret til den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), relikvien fra Big Bang som fortsatt fyller universet. Han bidro til forskningen som slo fast at CMB følger en tilnærmet perfekt svartkroppskurve med en kildetemperatur på 2.7K – oppdagelsen av denne førte til en 2006 Nobelpris for de ledende forskerne, John Mather og George Smoot.

Måling av tyngdekraften i et klasserom

Weiss fortsatte å tenke på gravitasjonsbølger, spesielt da han ble bedt om å presentere et kurs i generell relativitet ved MIT. Dette var ikke lett. Matematikken i generell relativitet er skremmende, og kurs som underviste i faget var mer matematiske enn fysiske. Når han diskuterer det i dag, sier Weiss: "Jeg er ikke en teoretiker. Jeg er en rørlegger...en vakuumrørlegger, en elektronisk rørlegger, men en rørlegger." Så han og elevene hans lærte matematikken sammen – men uventet ble hans eksperimentelle bakgrunn svært betydelig.

Som Weiss forklarer, på den tiden Joseph Weber fra University of Maryland prøvde å oppdage gravitasjonsbølger ved å måle endringen i lengde på store aluminiumssylindre som en bølge feid forbi. Da elevene spurte Weiss om slike målinger, kom han med en pedagogisk tanker eksperiment for å vise i prinsippet hvordan de kunne lages. Sett to masser et stykke fra hverandre i ledig plass, en med pulserende laser og den andre med speil. Mål nå reisetiden for laserlyset tur-retur – og dermed avstanden. Hvis en passerende gravitasjonsbølge endrer avstanden, vil tilstrekkelig nøyaktige tidsmålinger vise effekten. Siden alle målinger er gjort på plass-tid-plasseringen til laseren, blir den generelle relativitetsberegningen enkel - faktisk tilordnet Weiss det som et klasseproblem.

Webers påståtte påvisning av gravitasjonsbølger i 1969 ble aldri replikert, men eksemplet hans arbeid inspirerte vokste til LIGO. Weiss forbedret den opprinnelige ideen ved å legge til en andre strålebane med et speil i den ene enden, satt i rette vinkler på den første banen i en "L"-form med en stråledeler i krysset. Dette er et Michelson-interferometer, som gjorde ultrapresise målinger av lysets hastighet i Michelson-Morley-eksperimentet fra 1887 og også av CMB-spekteret. I generell relativitetsteori vil en gravitasjonsbølge som beveger seg vinkelrett på armplanet forlenge den ene og trekke den andre sammen, og endre hvordan lysbølgene i de to armene forstyrrer. Dette, konkluderte Weiss, ville være langt mer følsomt enn å måle reisetid langs en enkelt sti.

Weiss husker hvordan han sommeren 1971 "satte seg i et lite rom og beregnet alle tingene som ville forstyrre eksperimentet", inkludert støykilder. Resultatet hans var bemerkelsesverdig: med armer flere kilometer lange, ville det være mulig å måle endringer i avstand så små som 10^-18 m – knapt en tusendel av størrelsen til et proton – når en passerende gravitasjonsbølge stresser rommet for å forårsake en tøyning på 10^-21.

Testseng og første observasjoner

Noen av Weiss' kolleger var skeptiske til gravitasjonsbølger, men han fortsatte å utvikle ideen sin. Den fikk eksperimentell bekreftelse da små testinterferometre bygget i laboratoriet hans og av en tysk gruppe utførte beregningene hans. Større støtte kom etter 1975, da Weiss gjenopptok kontakten med en bekjent fra hans Princeton-dager, Caltech teoretisk fysiker Kip Thorne. Thorne så potensialet for gravitasjonsbølgeforskning, forkjempet Weiss' idé ved Caltech. I 1979 National Science Foundation finansierte Caltech og MIT for å gjennomføre en mulighetsstudie av interferometrisk deteksjon. I 1990 støttet den LIGO som en Caltech-MIT-operasjon med det største tilskuddet det noen gang hadde gitt. Dette tillot konstruksjon av identiske detektorer med armer 4 km lange kl Hanford, Washington og Livingston, Louisiana, for tilfeldighetsstudier for å bekrefte eventuelle observasjoner. Disse inkorporerte mange tekniske konsepter utviklet av eksperimentell fysiker Ronald Drever fra Caltech.

Etter at LIGO startet sin virksomhet i 2002, oppnådde den den forutsagte følsomheten, men i ni år ble ingen gravitasjonsbølger oppdaget. Enhetene ble deretter betydelig forbedret, med bedre isolasjon fra støykilder, noe som resulterte i "avansert LIGO" (aLIGO) over fem år senere. Med følsomhet forbedret 10 ganger, på 14. september 2015, aLIGO gjorde den første observasjonen noensinne av gravitasjonsbølger som kom fra to sammenslående sorte hull - en mirakuløs oppdagelse da maskinen fortsatt ble kalibrert for den første offisielle kjøringen (Fysikkens verden 2017; 30 (10) 33).

Noen år senere, på 17. august 2017 gjorde aLIGO den første observasjonen noensinne av gravitasjonsbølger fra to sammenslående nøytronstjerner (Jomfruens gravitasjonsbølgedetektor i Italia deltok også). Dette var ikke isolerte hendelser. Ved slutten av sin siste observasjonskjøring, som ble fullført sent i 2021, hadde aLIGO rapportert totalt 90 observasjoner av sammenslåinger av to sorte hull (de fleste), to nøytronstjerner eller et svart hull og en nøytronstjerne. 

Ser tilbake, ser fremover

Når han betrakter disse første syv årene med gravitasjonsastronomi, er Weiss jublende. «Jeg synes LIGO har vært en enorm suksess,» sier han, og berømmer spesielt hvordan den validerer generell relativitetsteori og astrofysikk i svarte hull. LIGOs resultater viser at vi forstår sorte hull godt nok til å forutsi detaljene i deres tokroppsinteraksjon, som innenfor generell relativitetsteori er like vanskelig å beregne som trekroppsproblemet i klassisk fysikk. Et annet resultat er LIGOs katalog over interaksjoner mellom sorte hull med varierende masse, som gir ledetråder om hvordan de kan danne seg til de supermassive sorte hullene i sentrum av galakser.

Weiss trekker også frem en spesiell hendelse som "skapte den største oppstanden [og] produserte så mye vitenskap at det er utrolig". De to kolliderende nøytronstjernene som ble observert i 2017 genererte også elektromagnetisk stråling, fra gammastråler til radiobølger, som ble sporet av observatorier rundt om i verden (se "En ny kosmisk budbringer” av Imre Bartos). Dette ypperste eksemplet på "multi-budbringer" astronomi ga en nøyaktig plassering for begivenheten; viste at samspillet produserte gull og platina, og ga ny innsikt i hvordan stjerner lager tunge grunnstoffer; bekreftet at gravitasjonsbølger reiser nøyaktig med lysets hastighet; og ga en ny måte å måle Hubble-konstanten og kanskje legge til rette for gjeldende usikkerhet om verdien.

Weiss sin entusiasme vokser når han blir spurt om fremtiden til gravitasjonsastronomi. En komponent vil være Cosmic Explorer interferometer, foreslått av Matthew Evans og Nergis Mavalvala ved MIT. Weiss støtter sterkt denne neste generasjons enheten, hvis 40 km lange armer ville gjøre den 10 ganger mer følsom enn avansert LIGO. Europeiske forskere vurderer trekantet Einstein teleskop med 10 km lange armer, og European Space Agency foreslår oppskyting av trekanten Laser interferometer romantenne (LISA) på 2030-tallet. Dens tre romfartøyer - med en avstand på 2.5 millioner km fra hverandre og bærer lasere og speil - ville danne en hypersensitiv detektor.

Hver detektor vil reagere på forskjellige frekvenser av gravitasjonsbølger, som avhenger omvendt av massen til det utstrålende objektet. På samme måte som vanlig astronomi bruker forskjellige deler av det elektromagnetiske spekteret til å studere varierte himmelfenomener, så begynner vi å se gravitasjonsobservatorier innstilt for å oppdage forskjellige klasser av gravitasjonshendelser. For sorte hull spenner mulighetene fra å søke små hypotetiske primordiale sorte hull til å forstå hvordan supermassive sorte hull er relatert til dannelsen av galakser. Gravitasjonsbølger fra sammenslående nøytronstjerner vil utdype vår kunnskap om stjernenes utvikling og tett kjernefysisk materie. De kan også oppstå fra pulsarer for å utfylle hva elektromagnetiske bølger avslører om dem. Mer spekulativt antyder noen forskere at multi-messenger-metoder kan vise om det supermassive sorte hullet i sentrum av vår egen galakse virkelig er den ene enden av et ormehull.

Det som gleder Weiss mest med disse kommende detektorene, er at de kunne "utføre spektakulær vitenskap ved å bringe feltet inn i kosmologi, studiet av hele universet." Som han forklarer, den russiske teoretikeren Alexei Starobinskiǐ har vist at hvis en vakuumfluktuasjon startet kosmos, da universet gjennomgikk rask kosmisk inflasjon, ville den ufattelige akselerasjonen produsere massevis av lavfrekvente gravitasjonsbølger. I likhet med den kosmiske bakgrunnsstrålingen, vil disse danne en gjenværende universell bakgrunn, men stammer fra en tid veldig nær Big Bang og bærer ny informasjon om tidlige prosesser som dannelsen av mørk materie. Disse bølgene ville være vanskelige å oppdage, men forskere planlegger en kombinasjon av bakke- og rombaserte detektorer som vil danne et nytt verktøy for å angripe noen store spørsmål innen fysikk, astronomi og kosmologi.

Men mens han reflekterer over sin lange karriere og fremtidige forskning, ønsker ikke Weiss å oppsummere ting med å si bare "Jeg er ikke den typen." Det kan være skuffende å ikke ha en siste lydbit, men så, i sin flere tiår lange forpliktelse til å lykkes med å bygge LIGO, i sin visjon om ytterligere å fremme gravitasjonsbølgevitenskap, og i sin smittende lidenskap for begge, har Rainer Weiss allerede veltalende sagt alt han trenger å si.