Rainer Weiss: 50 lat LIGO i fal grawitacyjnych

Z fizykiem Rainerem Weissem, twardo stąpającym po ziemi, skromnym i chętnym do dyskusji na temat swoich badań, niezwykle łatwo się rozmawia. Pięć lat temu za swoją pracę zarabiał połowę tej kwoty 2017 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, a druga połowa trafiła do Barry'ego Barisha i Kipa Thorne'a za „zdecydowany wkład w detektor LIGO i obserwację fal grawitacyjnych”. Firma z siedzibą w USA Laserowe Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) to właśnie tam w 2015 roku po raz pierwszy zaobserwowano fale grawitacyjne, co ostatecznie potwierdziło ostatnią nieprzetestowaną przepowiednię ze stuletniej ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.

Pomimo zapowiedzi ich istnienia, sam Einstein wątpił, czy fale te będą kiedykolwiek obserwowalne, ponieważ są niezwykle słabe. Przełomowy pomysł Weissa dotyczący wykorzystania interferometrii laserowej w końcu umożliwił to pierwsza obserwacja – fal grawitacyjnych emitowanych w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur, oddalonych od Ziemi o 1.3 miliarda lat świetlnych – i wiele innych, które LIGO wykrył od tego czasu. Weiss, jego koledzy z Nagrody Nobla i wiele innych osób wymagali dziesięcioleci wysiłków, a odkrycie stanowiło szczyt w fizyce, który zapoczątkował także nową erę w astronomii. Od czasu pojawienia się astronomii obserwacyjnej skanowaliśmy Wszechświat głównie obserwując najpierw światło widzialne, a następnie szerokie spektrum fal elektromagnetycznych. Teraz fale grawitacyjne umożliwiły nowy sposób badania wielu zjawisk kosmicznych. Zaledwie siedem lat po narodzinach astronomii grawitacyjnej zgromadziła ona już wiele cennej nowej wiedzy.

Z nazistowskich Niemiec do USA, przez Pragę

Każdy z trzech laureatów Nagrody Nobla podążał własną drogą ku tym sukcesom. Ścieżka Weissa pokazuje, jak kształtują się utalentowani fizycy eksperymentalni, jak nowe pomysły naukowe mogą narodzić się z nieoczekiwanych kierunków i jak potrzebna jest sama wytrwałość, aby doprowadzić do skutku zakrojony na szeroką skalę eksperyment fizyczny.

Weiss urodził się 29 września 1932 r. w Berlinie w Niemczech, podczas dojścia nazistów do władzy. Ojciec Weissa, Frederick, którego Rainer od najmłodszych lat opisuje jako „zagorzałego i idealistycznego komunistę”, był lekarzem. Jako Żyd i antyhitlerowski komunista, który składał zeznania przeciwko nazistowskiemu lekarzowi oskarżonemu o nadużycia w sztuce, Frederick został przetrzymywany przez nazistów, gdy matka Rainera, Gertruda, była z nim w ciąży. Na polecenie swojej żony, chrześcijanki, której rodzina miała pewne lokalne kontakty, Fryderyk został zwolniony i wysłany do Pragi. Po urodzeniu Rainera Gertrude udała się ze swoim nowym dzieckiem do Fredericka w Czechosłowacji, gdzie w 1937 roku para urodziła kolejne dziecko, Sybille.

Kiedy jednak układ monachijski z 1938 r. pozwolił wojskom niemieckim wkroczyć do Czechosłowacji, rodzina musiała ponownie uciec. „Decyzję usłyszeliśmy w radiu podczas wakacji na Słowacji i dołączyliśmy do dużej grupy osób udających się do Pragi, aby spróbować uzyskać wizę umożliwiającą emigrację do niemal dowolnego miejsca na świecie, które akceptowałoby Żydów” – wspomina Rainer w swojej biografii Nobla . Rodzina przeniosła się do Stanów Zjednoczonych w 1939 r. Zgodnie z ówczesnym prawem imigracyjnym było to możliwe tylko ze względu na zawód Fredericka i dlatego, że „bardzo cudowna kobieta”, jak ją nazywa Weiss, pochodząca z filantropijnej rodziny Stix z St. Louis, przesłała kaucję aby zagwarantować, że Weisses nie będą ciężarem dla społeczności.

Weiss wychował się w Nowym Jorku, gdzie początkowo uczęszczał do szkoły publicznej. W piątej klasie otrzymał stypendium za pośrednictwem lokalnej organizacji zajmującej się pomocą uchodźcom Gimnazjum w Kolumbii – prywatna szkoła na środkowym Manhattanie, która kiedyś kojarzona była z przygotowaniem uczniów do studiów Columbia University. Jego ulubionymi przedmiotami były muzyka, nauki ścisłe i historia. Jako nastolatek budował niestandardowe systemy audio o wysokiej wierności lub „hi-fi” dla miłośników muzyki klasycznej.

To zainteresowanie i własna ciekawość ostatecznie doprowadziły go do fizyki. Poszukując doskonałej reprodukcji dźwięku, Weiss próbował elektronicznie wyeliminować szum tła wytwarzany przez igłę gramofonową poruszającą się wzdłuż rowka staromodnej płyty, co zepsuło muzykę. Jednak jego wysiłki zawiodły i zdecydował się pójść na studia, aby nauczyć się wystarczająco dużo, aby móc rozwiązać problem. Edukacja ta rozpoczęła się o godz Massachusetts Institute of Technology (MIT) w 1950 roku.

Elektronika do fizyki objazdem

Jako absolwent elektrotechniki na MIT oczekiwano, że Weiss nauczy się generatorów i linii przesyłowych, zanim będzie mógł studiować elektronikę, która go naprawdę interesuje. Ten sztywny plan nie przypadł mu do gustu, więc na drugim roku przeszedł na fizykę, ponieważ „miała mniejsze wymagania” i bardziej elastyczny program nauczania. Ale to też nie od razu zadziałało. W 1952 roku Weiss zakochał się w młodej kobiecie, pianistce. Związek nie zakończył się dobrze i załamany Weiss nie zaliczył wszystkich kursów i musiał opuścić MIT.

Ale nie wszystko było stracone. Wiosną 1953 powrócił do MIT jako technik pracujący w Laboratorium wiązki atomowej fizyka Jerrolda Zachariasa, który skonstruował pierwszy zegar atomowy. „Nauka prowadzona w tym laboratorium była znakomita” – wspomina Weiss. „Przeprowadzone tam eksperymenty dotyczyły właściwości izolowanych pojedynczych atomów i cząsteczek, które nie były zakłócane przez sąsiednie układy. Każdy atom był taki sam jak następny i można było zadać podstawowe pytania dotyczące ich struktury i interakcji, które je spajały”. To, co zaczęło się od pomagania studentom w realizacji projektów magisterskich, ostatecznie doprowadziło do tego, że Weiss współpracował bezpośrednio z Zachariasem nad opracowaniem zegar atomowy cezu, co ostatecznie miało trwać przyjęty jako standard czasu dla Biura Normalizacyjnego (obecnie Narodowego Instytutu Standardów i Technologii) oraz Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.

Pod okiem Zachariasa Weiss ukończył swój uzyskał tytuł licencjata z fizyki, a następnie doktorat w 1962 ri dowiedział się o wysoce precyzyjnych eksperymentach, co jest kluczowym wątkiem, który doprowadził do powstania LIGO. Kolejny kluczowy temat pojawił się, gdy Weiss pracował jako pracownik naukowy pod kierunkiem astronoma i fizyka Roberta Dicke’a z Uniwersytetu Princeton, którego Weiss nazywa „jednym z bohaterów mojego życia”. Dicke i Weiss zastanawiali się nad opracowaniem nowoczesnej wersji Eksperyment Eötvösa, aby zrozumieć zasadę równoważności ogólnej teorii względności poprzez udowodnienie równoważności masy bezwładnościowej i grawitacyjnej. Ponieważ nowa teoria grawitacji Dicke'a łączyła pole skalarne z polem tensorowym ogólnej teorii względności, jego pomysł polegał na zbudowaniu eksperymentu, który mógłby zmierzyć, jak cała Ziemia będzie wibrować, gdyby przeszła obok niej fala grawitacyjna. Celem eksperymentu był pomiar widma skalarnego promieniowania grawitacyjnego, ale odkryli, że czułość ich grawimetru kwarcowego była poważnie ograniczona ze względu na szum geofizyczny. Pomimo niepowodzenia badania, Weiss nauczył się technik eksperymentalnych, których był pionierem Dicke, i które ostatecznie okazały się niezbędne w LIGO, a także w wielu innych eksperymentach fizycznych. Rzeczywiście, Weiss stwierdził, że te dwa lata w Princeton „były niezwykle ważne dla mojego rozwoju naukowego”.

Po dołączeniu do wydziału fizyki MIT jako adiunkt w 1964 r. Weiss pracował nad projektem kosmologicznym, w ramach którego zmierzono widmo kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), relikt Wielkiego Wybuchu, który wciąż wypełnia wszechświat. Brał udział w badaniach, które wykazały, że CMB podąża za praktycznie idealną krzywą ciała doskonale czarnego przy temperaturze źródła 2.7 K – odkrycie tego doprowadziło do: Nagroda Nobla 2006 dla czołowych naukowców, Johna Mathera i George'a Smoota.

Pomiar grawitacji w klasie

Weiss nadal myślał o falach grawitacyjnych, zwłaszcza gdy poproszono go o poprowadzenie wykładu z ogólnej teorii względności w MIT. To nie było łatwe. Matematyka ogólnej teorii względności jest zniechęcająca, a kursy, które nauczały tego przedmiotu, były bardziej matematyczne niż fizyczne. Omawiając to dzisiaj, Weiss mówi: „Nie jestem teoretykiem. Jestem hydraulikiem... hydraulikiem próżniowym, hydraulikiem elektronicznym, ale hydraulikiem. Zatem on i jego uczniowie wspólnie uczyli się matematyki, ale nieoczekiwanie jego doświadczenie eksperymentalne zyskało ogromne znaczenie.

Jak wyjaśnia Weiss, w tamtym czasie Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland próbował wykryć fale grawitacyjne mierząc zmianę długości dużych aluminiowych cylindrów w miarę przemieszczania się fali. Kiedy uczniowie zapytali Weissa o takie pomiary, ten zaproponował pedagogiczną odpowiedź myśli eksperyment, aby pokazać w zasadzie, jak można je wykonać. Umieść dwie masy w pewnej odległości od siebie w wolnej przestrzeni, jedną za pomocą lasera pulsacyjnego, a drugą za pomocą lustra. Teraz zmierz czas podróży światła laserowego w obie strony – a tym samym odległość. Jeśli przechodząca fala grawitacyjna zmienia odległość, wystarczająco dokładne pomiary czasu wykazałyby ten efekt. Ponieważ wszystkie pomiary dokonywane są w czasoprzestrzennym położeniu lasera, obliczenia ogólnej teorii względności stają się proste – w rzeczywistości Weiss przypisał to jako problem klasowy.

Twierdzenia Webera dotyczące wykrycia fal grawitacyjnych w 1969 r. nigdy nie zostały powtórzone, ale przykład zainspirowany jego pracą przekształcił się w LIGO. Weiss ulepszył pierwotny pomysł, dodając drugą ścieżkę wiązki z lustrem na jednym końcu, ustawioną pod kątem prostym do pierwszej ścieżki w kształcie litery „L” z rozdzielaczem wiązki na skrzyżowaniu. Jest to interferometr Michelsona, który dokonał niezwykle precyzyjnych pomiarów prędkości światła w eksperymencie Michelsona-Morleya z 1887 r., a także widma KMPT. Zgodnie z ogólną teorią względności fala grawitacyjna przemieszczająca się prostopadle do płaszczyzny ramion wydłużałaby jedno i skracała drugie, zmieniając sposób, w jaki interferują fale świetlne w obu ramionach. To, podsumował Weiss, byłoby znacznie bardziej czułe niż pomiar czasu podróży pojedynczą ścieżką.

Weiss wspomina, jak latem 1971 roku „siedział w małym pokoju, obliczając wszystkie rzeczy, które mogłyby zakłócić eksperyment”, w tym źródła hałasu. Jego wynik był niezwykły: przy ramionach długich na kilka kilometrów możliwe byłoby zmierzenie zmian odległości rzędu zaledwie 10^-18 m – zaledwie jedna tysięczna wielkości protonu – gdy przechodzące fale grawitacyjne naprężają przestrzeń, powodując odkształcenie 10^-21.

Stanowisko testowe i pierwsze obserwacje

Niektórzy koledzy Weissa byli sceptyczni wobec fal grawitacyjnych, ale on nadal rozwijał swój pomysł. Otrzymał weryfikację eksperymentalną, gdy małe interferometry testowe zbudowane w jego laboratorium i przez niemiecką grupę potwierdziły jego obliczenia. Szersze poparcie pojawiło się po 1975 r., kiedy Weiss ponownie nawiązał kontakt ze znajomym z czasów Princeton, Fizyk teoretyczny z Caltech, Kip Thorne. Widząc potencjał badań fal grawitacyjnych, Thorne poparł pomysł Weissa w Caltech. W 1979 r National Science Foundation sfinansował Caltech i MIT przeprowadzenie studium wykonalności detekcji interferometrycznej. Do 1990 r. wspierała LIGO jako operację Caltech-MIT największą dotacją, jaką kiedykolwiek przyznała. Pozwoliło to na zbudowanie identycznych detektorów z ramionami o długości 4 km Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w Luizjanie, w celu przeprowadzenia badań koincydencji w celu potwierdzenia wszelkich obserwacji. Obejmowały one wiele koncepcji technicznych opracowanych przez fizyków doświadczalnych Ronalda Drevera z Caltech.

Po rozpoczęciu działalności LIGO w 2002 r. osiągnął przewidywaną czułość, ale przez dziewięć lat nie wykryto żadnych fal grawitacyjnych. Urządzenia zostały następnie znacznie ulepszone, uzyskując lepszą izolację od źródeł hałasu, w wyniku czego „zaawansowany LIGO” (aLIGO) ponad pięć lat później. Z 10-krotnie zwiększoną czułością, wł 14 września 2015, aLIGO dokonał pierwszej w historii obserwacji fal grawitacyjnych pochodzących z dwóch łączących się czarnych dziur – było to cudowne odkrycie, ponieważ maszyna wciąż była kalibrowana do pierwszego oficjalnego uruchomienia (Świat Fizyki 2017; 30 (10) 33).

Kilka lat później ok 17 sierpnia 2017 r. aLIGO dokonał pierwszej w historii obserwacji fal grawitacyjnych dwóch łączących się gwiazd neutronowych (uczestniczył także detektor fal grawitacyjnych Virgo we Włoszech). Nie były to odosobnione zdarzenia. Do końca ostatniej serii obserwacji, która zakończyła się pod koniec 2021 r., aLIGO zgłosiło łącznie 90 obserwacji połączenia dwóch czarnych dziur (większość), dwóch gwiazd neutronowych lub czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. 

Patrząc wstecz, patrząc w przyszłość

Kiedy zastanawiamy się nad tymi pierwszymi siedmioma latami astronomii grawitacyjnej, Weiss jest pełen radości. „Myślę, że LIGO odniosło ogromny sukces” – mówi, chwaląc w szczególności sposób, w jaki potwierdza ogólną teorię względności i astrofizykę czarnych dziur. Wyniki LIGO pokazują, że rozumiemy czarne dziury na tyle dobrze, aby przewidzieć szczegóły ich interakcji między dwoma ciałami, co w ramach ogólnej teorii względności jest równie trudne do obliczenia, jak problem trzech ciał w fizyce klasycznej. Kolejnym osiągnięciem jest katalog interakcji LIGO pomiędzy czarnymi dziurami o różnych masach, który dostarcza wskazówek, w jaki sposób mogą one formować się w supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk.

Weiss wyróżnia także jedno szczególne wydarzenie, które „wywołało największe zamieszanie [i] dało tyle wiedzy naukowej, że jest to niewiarygodne”. Dwie zderzające się gwiazdy neutronowe zaobserwowane w 2017 roku również wygenerowały promieniowanie elektromagnetyczne, od promieni gamma po fale radiowe, które było śledzone przez obserwatoria na całym świecie (patrz "Nowy kosmiczny posłaniec”Imre Bartosa). Ten doskonały przykład astronomii „wielu posłańców” pozwolił na określenie dokładnej lokalizacji wydarzenia; pokazało, że w wyniku interakcji powstało złoto i platyna, co dało nowy wgląd w to, w jaki sposób gwiazdy wytwarzają ciężkie pierwiastki; potwierdził, że fale grawitacyjne poruszają się dokładnie z prędkością światła; i zapewnił nowy sposób pomiaru stałej Hubble'a i być może rozwiał obecne niepewności co do jej wartości.

Entuzjazm Weissa rośnie, gdy pyta się go o przyszłość astronomii grawitacyjnej. Jednym z elementów byłby Interferometr Cosmic Explorer, sugerowany przez Matthew Evans i Narcyz Mavalvala w MIT. Weiss mocno wspiera urządzenie nowej generacji, którego ramiona o długości 40 km sprawią, że będzie 10 razy czulsze od zaawansowanego LIGO. Europejscy naukowcy rozważają trójkąt Teleskop Einsteina z ramionami o długości 10 km, a Europejska Agencja Kosmiczna proponuje wystrzelenie trójkąta Antena kosmiczna interferometru laserowego (LISA) w latach trzydziestych XXI wieku. Trzy statki kosmiczne – oddalone od siebie o 2030 miliona km i wyposażone w lasery i lustra – utworzyłyby niezwykle czuły detektor.

Każdy detektor będzie reagował na różne częstotliwości fal grawitacyjnych, które zależą odwrotnie od masy promieniującego obiektu. Podobnie jak zwykła astronomia wykorzystuje różne części widma elektromagnetycznego do badania różnorodnych zjawisk niebieskich, tak zaczynamy dostrzegać obserwatoria grawitacyjne dostrojone do wykrywania różnych klas zdarzeń grawitacyjnych. W przypadku czarnych dziur możliwości sięgają od poszukiwania małych, hipotetycznych pierwotnych czarnych dziur po zrozumienie związku supermasywnych czarnych dziur z powstawaniem galaktyk. Fale grawitacyjne powstałe z łączenia się gwiazd neutronowych pogłębią naszą wiedzę na temat ewolucji gwiazd i gęstej materii jądrowej. Mogą również powstawać z pulsarów, uzupełniając to, co ujawniają na ich temat fale elektromagnetyczne. Bardziej spekulacyjnie, niektórzy badacze sugerują, że metody wykorzystujące wielu posłańców mogą wykazać, czy supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki jest w rzeczywistości jednym z końców tunelu czasoprzestrzennego.

To, co najbardziej ekscytuje Weissa w nadchodzących detektorach, to fakt, że mogą one „prowadzić spektakularną naukę, wprowadzając tę ​​dziedzinę do kosmologii, czyli badania całego wszechświata”. Jak wyjaśnia, rosyjski teoretyk Aleksiej Starobińskiǐ pokazało, że jeśli wahania próżni zapoczątkowały powstanie kosmosu, to gdy Wszechświat przeszedł szybką kosmiczną inflację, niewyobrażalne przyspieszenie wytworzyłoby wiele fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości. Podobnie jak kosmiczne promieniowanie tła, tworzyłoby to szczątkowe uniwersalne tło, ale pochodzące z czasów bardzo bliskich Wielkiego Wybuchu i niosące nowe informacje o wczesnych procesach, takich jak powstawanie ciemnej materii. Fale te byłyby trudne do wykrycia, ale badacze planują połączenie detektorów naziemnych i kosmicznych, które utworzyłyby nowe narzędzie do odpowiedzi na ważne pytania z fizyki, astronomii i kosmologii.

Jednak zastanawiając się nad swoją długą karierą i przyszłymi badaniami, Weiss nie chce podsumowywać wszystkiego stwierdzeniem: „Nie jestem takim facetem”. Brak ostatniego kęsa mógłby być rozczarowujący, ale w swoim trwającym od kilkudziesięciu lat zaangażowaniu w pomyślną budowę LIGO, w swojej wizji dalszego rozwoju nauki o falach grawitacyjnych i w swojej zaraźliwej pasji do obu, Rainer Weiss wymownie powiedział już: wszystko, co ma do powiedzenia.