Rainer Weiss: 50 de ani de LIGO și unde gravitaționale

Cu picioarele pe pământ, modest și dornic să discute despre cercetările sale, fizicianul Rainer Weiss este remarcabil de ușor de vorbit. În urmă cu cinci ani, munca lui ia câștigat jumătate din 2017 Premiul Nobel pentru Fizică, cu cealaltă jumătate revenind lui Barry Barish și Kip Thorne, pentru „contribuții decisive la detectorul LIGO și observarea undelor gravitaționale”. Cu sediul în SUA Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO) este locul unde undele gravitaționale au fost observate pentru prima dată în 2015, confirmând definitiv ultima predicție rămasă netestată din teoria generală a relativității veche de un secol a lui Albert Einstein.

În ciuda faptului că a prevestit existența lor, Einstein însuși s-a îndoit că aceste unde ar fi vreodată observabile, deoarece sunt extrem de slabe. Ideea revoluționară a lui Weiss de a utiliza interferometria laser a făcut în sfârșit posibil acest lucru prima observație – a undelor gravitaționale emise de la fuziunea a două găuri negre, la 1.3 miliarde de ani lumină distanță de Pământ – și multe altele pe care LIGO le-a detectat de atunci. A fost nevoie de zeci de ani de efort din partea lui Weiss, a colegilor săi Nobel și a multor alții, iar descoperirea a reprezentat un apogeu în fizică care a inaugurat și o nouă eră în astronomie. De la apariția astronomiei observaționale, am scanat universul mai ales prin observarea mai întâi a luminii vizibile, apoi a unui spectru larg de unde electromagnetice. Acum undele gravitaționale au fost capabile să ofere o nouă modalitate de a cerceta multe fenomene cosmice. La numai șapte ani de la nașterea astronomiei gravitaționale, aceasta a produs deja cunoștințe noi și foarte valoroase.

Din Germania nazistă până în SUA, prin Praga

Fiecare dintre cei trei laureați ai premiului Nobel și-a urmat propriul arc către aceste succese. Calea lui Weiss arată cât de talentați se formează fizicieni experimentali, cum pot veni idei științifice noi din direcții neașteptate și cât de perseverență este necesară pentru a duce la bun sfârșit un experiment de fizică la scară largă.

Weiss s-a născut la Berlin, Germania, la 29 septembrie 1932, în timpul ascensiunii naziștilor la putere. Tatăl lui Weiss, Frederick, pe care Rainer îl descrie drept „un comunist înflăcărat și idealist” încă de la o vârstă fragedă, a fost medic. Fiind evreu și comunist anti-nazist, care a depus mărturie împotriva unui medic nazist acuzat de malpraxis, Frederick a fost reținut de naziști când mama lui Rainer, Gertrude, era însărcinată cu el. La ordinul soției sale creștine, a cărei familie avea câteva contacte locale, Frederick a fost eliberat și trimis la Praga. Odată ce Rainer s-a născut, Gertrude a călătorit cu noul ei copil pentru a se alătura lui Frederick în Cehoslovacia, unde cuplul a mai avut un copil, Sybille, în 1937.

Dar când Acordul de la Munchen din 1938 a permis trupelor germane să intre în Cehoslovacia, familia a trebuit să evadeze din nou. „Am auzit decizia la un radio în timp ce eram în vacanță în Slovacia și ne-am alăturat unui grup mare de oameni care se îndreptau spre Praga pentru a încerca să obțină o viză pentru a emigra în aproape orice altă parte din lume care ar accepta evrei”, își amintește Rainer în biografia sa Nobel. . Familia s-a mutat în SUA în 1939. Conform legii imigrației de la acea vreme, acest lucru a fost posibil doar datorită profesiei lui Frederick și pentru că o „femeie foarte minunată”, așa cum o numește Weiss, din familia filantropică Stix din St Louis, a depus o obligațiune. pentru a garanta că Weisses nu ar fi o povară pentru comunitate.

Weiss a crescut în New York City, unde a urmat inițial școala publică. În clasa a cincea, a primit o bursă, prin intermediul unei organizații locale de ajutorare a refugiaților, pentru a se alătura Columbia Grammar School – o școală privată din mijlocul Manhattanului, care la un moment dat era asociată cu pregătirea elevilor pentru Universitatea Columbia. Muzica, știința și istoria erau cursurile sale preferate, iar în adolescență a construit sisteme audio personalizate de înaltă fidelitate sau „hi-fi” pentru iubitorii de muzică clasică.

Interesul și curiozitatea lui l-au adus în cele din urmă la fizică. Căutând o reproducere perfectă a sunetului, Weiss a încercat să elimine electronic zgomotul de fundal pe care un ac de fonograf îl face pe măsură ce se mișcă de-a lungul canelurii într-o înregistrare de modă veche, care a stricat muzica. Dar eforturile lui au eșuat și a decis să meargă la facultate pentru a învăța suficient pentru a-i permite să rezolve problema. Acea educație a început la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT) în 1950.

Electronică la fizică, printr-un ocol

În calitate de specialist în inginerie electrică la MIT, Weiss trebuia să învețe despre generatoare și linii de transmisie înainte de a putea studia electronica care îl interesa cu adevărat. Acest plan rigid nu era pe gustul lui, așa că în al doilea an a trecut la fizică, pentru că „avea mai puține cerințe” și un curriculum mai flexibil. Dar nici asta nu s-a rezolvat imediat. În 1952, Weiss s-a îndrăgostit de o tânără, o pianistă. Relația nu s-a terminat bine și, cu inima frântă, Weiss a picat toate cursurile și a fost nevoit să părăsească MIT.

Dar nu totul a fost pierdut. Până în primăvara anului 1953, s-a întors la MIT ca tehnician care lucra în Laboratorul cu fascicul atomic al fizicianului Jerrold Zacharias, care dezvoltase primul ceas atomic. „Știința făcută în acel laborator a fost extraordinară”, își amintește Weiss. „Experimentele de acolo au analizat proprietățile atomilor izolați și ale moleculelor neperturbate de sistemele învecinate. Fiecare atom era același cu următorul și era posibil să se pună întrebări fundamentale despre structura lor și interacțiunile care i-au ținut împreună.” Ceea ce a început ca un rol de ajutorare a studenților absolvenți cu proiectele lor de teză a condus în cele din urmă la Weiss să lucreze direct cu Zacharias la dezvoltarea ceas cu fascicul atomic de cesiu, care în cele din urmă avea să fie adoptat ca standard de timp pentru Biroul de Standarde (acum Institutul Național de Standarde și Tehnologie) și Marina SUA.

Sub îndrumarea lui Zacharias, Weiss și-a completat-o ​​pe a lui diplomă de licență în fizică, apoi doctorat în 1962, și a aflat despre experimentarea de înaltă precizie, un fir cheie care a condus la LIGO. O altă temă cheie a apărut atunci când Weiss a lucrat ca asociat de cercetare sub astronom și fizician Robert Dicke la Universitatea Princeton, pe care Weiss îl numește „unul dintre eroii din viața mea”. Dicke și Weiss s-au gândit să dezvolte o versiune modernă a Experimentul lui Eötvös, pentru a înțelege principiul echivalenței relativității generale prin demonstrarea echivalenței masei inerțiale și gravitaționale. Pe măsură ce noua teorie a gravitației a lui Dicke a combinat un câmp scalar cu câmpul tensor al relativității generale, ideea lui a fost să construiască un experiment care ar putea măsura modul în care ar vibra întregul Pământ, dacă ar trece o undă gravitațională. Scopul experimentului a fost de a măsura spectrul radiației gravitaționale scalare, dar au descoperit că sensibilitatea gravimetrului lor cu cuarț a fost sever limitată din cauza zgomotului geofizic. În ciuda faptului că studiul nu a reușit, Weiss a învățat tehnici experimentale pe care Dicke a fost pionier și s-ar dovedi în cele din urmă esențiale pentru LIGO și pentru multe alte experimente de fizică. Într-adevăr, Weiss a descoperit că cei doi ani la Princeton „au fost profund importanți în dezvoltarea mea științifică”.

După ce sa alăturat facultății de fizică a MIT ca profesor asistent în 1964, Weiss a lucrat la un proiect cosmologic care a măsurat spectrul fondului cosmic cu microunde (CMB), relicva Big Bang-ului care încă umple universul. El a contribuit la cercetarea care a stabilit că CMB urmează o curbă practic perfectă a corpului negru cu o temperatură a sursei de 2.7K – a cărei descoperire a condus la o Premiul Nobel 2006 pentru oamenii de știință principal, John Mather și George Smoot.

Măsurarea gravitației într-o sală de clasă

Weiss a continuat să se gândească la undele gravitaționale, mai ales când i s-a cerut să prezinte un curs de relativitate generală la MIT. Acest lucru nu a fost ușor. Matematica relativității generale este descurajantă, iar cursurile care predau subiectul erau mai mult matematice decât fizice. Discutând asta astăzi, Weiss spune: „Nu sunt un teoretician. Sunt instalator... instalator cu vid, instalator electronic, dar instalator.” Așa că el și studenții săi au învățat matematica împreună – dar, în mod neașteptat, mediul său experimental a devenit foarte semnificativ.

După cum explică Weiss, la acel moment Joseph Weber de la Universitatea din Maryland încerca să detecteze undele gravitaționale prin măsurarea modificării lungimii cilindrilor mari de aluminiu ca un val măturat de. Când studenții l-au întrebat pe Weiss despre astfel de măsurători, el a venit cu un pedagogic Gedanken experiment pentru a arăta în principiu cum ar putea fi realizate. Pune două mase la o anumită distanță în spațiul liber, una cu un laser pulsat și cealaltă cu o oglindă. Acum măsurați timpul de călătorie dus-întors al luminii laser - și, prin urmare, distanța. Dacă o undă gravitațională care trece modifică distanța, măsurători de timp suficient de precise ar arăta efectul. Deoarece toate măsurătorile sunt făcute în locația spațiu-timp a laserului, calculul relativității generale devine simplu - de fapt, Weiss l-a atribuit ca o problemă de clasă.

Pretenția de detectare a undelor gravitaționale de către Weber în 1969 nu a fost niciodată replicată, dar exemplul inspirat de munca sa a devenit LIGO. Weiss a îmbunătățit ideea originală adăugând o a doua cale a fasciculului cu o oglindă la un capăt, stabilită în unghi drept față de prima cale într-o formă de „L” cu un separator de fascicul la joncțiune. Acesta este un interferometru Michelson, care a făcut măsurători ultra-precise ale vitezei luminii în experimentul Michelson-Morley din 1887 și, de asemenea, ale spectrului CMB. În relativitatea generală, o undă gravitațională care călătorește perpendicular pe planul brațelor l-ar prelungi pe unul și s-ar contracta pe celălalt, schimbând modul în care undele de lumină din cele două brațe interferează. Acest lucru, a concluzionat Weiss, ar fi mult mai sensibil decât măsurarea timpului de călătorie pe o singură cale.

Weiss își amintește că în vara anului 1971 el „stătea într-o cameră mică calculând toate lucrurile care ar interfera cu acel experiment”, inclusiv sursele de zgomot. Rezultatul său a fost remarcabil: cu brațele lungi de câțiva kilometri, ar fi posibil să se măsoare modificări ale distanței de până la 10.^-18 m – abia o miime din dimensiunea unui proton – deoarece undele gravitaționale care trec solicită spațiul pentru a provoca o tensiune de 10^-21.

Patul de testare și primele observații

Unii dintre colegii lui Weiss erau sceptici în privința undelor gravitaționale, dar el a continuat să-și dezvolte ideea. A primit verificare experimentală atunci când mici interferometri de testare construite în laboratorul său și de un grup german i-au confirmat calculele. Un sprijin mai larg a venit după 1975, când Weiss a reluat legătura cu o cunoştinţă din zilele sale din Princeton, Fizicianul teoretic Caltech Kip Thorne. Văzând potențialul cercetării undelor gravitaționale, Thorne a susținut ideea lui Weiss la Caltech. În 1979, National Science Foundation a finanțat Caltech și MIT pentru a efectua un studiu de fezabilitate al detectării interferometrice. Până în 1990, a susținut LIGO ca operațiune Caltech-MIT cu cel mai mare grant pe care l-a acordat vreodată. Acest lucru a permis construirea unor detectoare identice cu brațe lungi de 4 km la Hanford, Washington și Livingston, Louisiana, pentru studii de coincidență pentru a confirma orice observări. Acestea au încorporat multe concepte tehnice dezvoltate de fizicianul experimental Ronald Drever de la Caltech.

După ce LIGO a început operațiunile în 2002, a atins sensibilitatea prevăzută, dar timp de nouă ani, nu au fost detectate unde gravitaționale. Dispozitivele au fost apoi îmbunătățite semnificativ, cu o mai bună izolare de sursele de zgomot, rezultând „LIGO avansat” (aLIGO) peste cinci ani mai târziu. Cu sensibilitate sporită de 10 ori, activată 14 septembrie 2015, aLIGO a făcut prima observație vreodată a undelor gravitaționale care proveneau de la două găuri negre care se fuzionează – o descoperire miraculoasă, deoarece mașina era încă în curs de calibrare pentru prima rulare oficială (Lumea fizicii 2017; 30 (10) 33).

Câțiva ani mai târziu, mai departe 17 august 2017, aLIGO a făcut prima observație vreodată a undelor gravitaționale de la două stele neutronice care se fuzionează (a participat și detectorul de unde gravitaționale Virgo din Italia). Acestea nu au fost evenimente izolate. Până la sfârșitul ultimei sale activități de observare, care a fost finalizată la sfârșitul anului 2021, aLIGO raportase un total de 90 de observații ale fuziunilor a două găuri negre (majoritatea), două stele neutronice sau o gaură neagră și o stea neutronă. 

Privind înapoi, privind înainte

Când se gândește la acești primi șapte ani de astronomie gravitațională, Weiss se bucură. „Cred că LIGO a avut un succes extraordinar”, spune el, lăudând în special modul în care validează relativitatea generală și astrofizica găurilor negre. Rezultatele LIGO arată că înțelegem suficient de bine găurile negre pentru a prezice detaliile interacțiunii lor cu două corpuri, care în cadrul relativității generale este la fel de dificil de calculat ca problema celor trei corpuri din fizica clasică. Un alt rezultat este catalogul LIGO de interacțiuni între găurile negre de mase diferite, care oferă indicii cu privire la modul în care s-ar putea forma în găurile negre supermasive din centrele galaxiilor.

Weiss evidențiază, de asemenea, un anumit eveniment care „a provocat cea mai mare agitație [și] a produs atât de multă știință încât este de necrezut”. Cele două stele neutronice care se ciocnesc observate în 2017 au generat și radiații electromagnetice, de la raze gamma până la unde radio, care au fost urmărite de observatoarele din întreaga lume (vezi  Un nou mesager cosmic” de Imre Bartos). Acest prim exemplu de astronomie „multi-mesager” a oferit o locație precisă pentru eveniment; a arătat că interacțiunea a produs aur și platină, oferind o nouă perspectivă asupra modului în care stelele produc elemente grele; a confirmat că undele gravitaționale călătoresc exact cu viteza luminii; și a oferit o nouă modalitate de a măsura constanta Hubble și, probabil, de a pune capăt incertitudinilor actuale cu privire la valoarea acesteia.

Entuziasmul lui Weiss crește atunci când este întrebat despre viitorul astronomiei gravitaționale. O componentă ar fi interferometru Cosmic Explorer, sugerat de Matthew Evans și Nergis Mavalvala la MIT. Weiss susține cu tărie acest dispozitiv de ultimă generație, ale cărui brațe lungi de 40 km l-ar face de 10 ori mai sensibil decât LIGO avansat. Oamenii de știință europeni iau în considerare triunghiul Telescopul Einstein cu brațe lungi de 10 km, iar Agenția Spațială Europeană propune lansarea triunghiulară Antenă spațială cu interferometru laser (LISA) în anii 2030. Cele trei nave spațiale ale sale – distanțate la 2.5 milioane de km și purtând lasere și oglinzi – ar forma un detector hipersensibil.

Fiecare detector va răspunde la frecvențe diferite ale undelor gravitaționale, care depind invers de masa obiectului radiant. Așa cum astronomia obișnuită folosește diferite părți ale spectrului electromagnetic pentru a studia fenomene cerești variate, așa că începem să vedem observatoare gravitaționale reglate pentru a detecta diferite clase de evenimente gravitaționale. Pentru găurile negre, posibilitățile variază de la căutarea unor mici găuri negre primordiale ipotetice până la înțelegerea modului în care găurile negre supermasive sunt legate de formarea galaxiilor. Undele gravitaționale de la fuziunea stelelor neutronice ne vor aprofunda cunoștințele despre evoluția stelară și materia nucleară densă. Ele pot apărea și din pulsari pentru a completa ceea ce undele electromagnetice dezvăluie despre ei. Mai speculativ, unii cercetători sugerează că metodele multi-mesager ar putea arăta dacă gaura neagră supermasivă din centrul propriei noastre galaxii este într-adevăr un capăt al unei găuri de vierme.

Ceea ce îl entuziasmează cel mai mult pe Weiss cu privire la aceste detectoare viitoare este că ar putea „face știință spectaculoasă, aducând domeniul în cosmologie, studiul întregului univers”. După cum explică el, teoreticianul rus Alexei Starobinskiǐ a arătat că, dacă o fluctuație a vidului a început cosmosul, atunci, pe măsură ce universul a suferit o inflație cosmică rapidă, accelerația de neimaginat ar produce o mulțime de unde gravitaționale de joasă frecvență. La fel ca radiația cosmică de fond, acestea ar forma un fundal universal rezidual, dar provenind dintr-o perioadă foarte apropiată de Big Bang și purtând noi informații despre procesele timpurii precum crearea materiei întunecate. Aceste valuri ar fi dificil de detectat, dar cercetătorii plănuiesc o combinație de detectoare terestre și spațiale care ar forma un nou instrument pentru a ataca unele mari întrebări din fizică, astronomie și cosmologie.

Dar, în timp ce reflectă asupra carierei sale lungi și cercetărilor viitoare, Weiss nu dorește să rezuma lucrurile spunând simplu „Nu sunt genul ăsta de tip”. S-ar putea să fie dezamăgitor să nu aibă un sunet final, dar apoi, în angajamentul său de zeci de ani de a construi cu succes LIGO, în viziunea sa de a avansa în continuare știința undelor gravitaționale și în pasiunea sa contagioasă pentru ambele, Rainer Weiss a spus deja în mod elocvent. tot ce trebuie să spună.