Rainer Weiss: 50 år av LIGO och gravitationsvågor

Jordnära, anspråkslös och angelägen om att diskutera sin forskning, fysikern Rainer Weiss är anmärkningsvärt lätt att prata med. För fem år sedan gav hans arbete honom hälften 2017 Nobelpriset i fysik, med den andra hälften till Barry Barish och Kip Thorne, för "avgörande bidrag till LIGO-detektorn och observation av gravitationsvågor". USA-baserade Laserinterferometer gravitationsvågobservatoriet (LIGO) är där gravitationsvågor observerades för första gången 2015, vilket definitivt bekräftar den sista kvarvarande oprövade förutsägelsen från Albert Einsteins hundraåriga allmänna relativitetsteori.

Trots att han förebådade deras existens tvivlade Einstein själv på att dessa vågor någonsin skulle kunna observeras eftersom de är extremt svaga. Weiss banbrytande idé att använda laserinterferometri gjorde det äntligen möjligt första observation – av gravitationsvågor som emitteras från sammanslagning av två svarta hål, 1.3 miljarder ljusår från jorden – och de många fler som LIGO har upptäckt sedan dess. Det tog årtionden av ansträngningar från Weiss, hans Nobelkollegor och många andra, och upptäckten representerade en höjdpunkt inom fysiken som också inledde en ny era inom astronomi. Sedan observationsastronomins tillkomst har vi skannat universum mestadels genom att först observera synligt ljus, sedan ett brett spektrum av elektromagnetiska vågor. Nu kunde gravitationsvågor ge ett nytt sätt att undersöka många kosmiska fenomen. Bara sju år efter gravitationsastronomins födelse har den redan producerat mycket värdefull ny kunskap.

Från Nazityskland till USA, via Prag

Var och en av de tre nobelpristagarna följde sin egen båge mot dessa framgångar. Weiss väg visar hur begåvade experimentella fysiker formas, hur nya vetenskapliga idéer kan komma från oväntade håll och hur ren uthållighet krävs för att få ett storskaligt fysikexperiment att förverkligas.

Weiss föddes i Berlin, Tyskland den 29 september 1932, under nazisternas övertagande till makten. Weiss far, Frederick, som Rainer beskriver som "en ivrig och idealistisk kommunist" från en ung ålder, var läkare. Som jude och anti-nazistisk kommunist, som hade vittnat mot en nazistisk läkare anklagad för tjänstefel, greps Frederick av nazisterna när Rainers mamma, Gertrude, var gravid med honom. På uppdrag av sin kristna hustru, vars familj hade några lokala kontakter, släpptes Frederick och skickades till Prag. När Rainer föddes reste Gertrude med sin nya bebis för att ansluta sig till Frederick i Tjeckoslovakien, där paret fick ytterligare ett barn, Sybille, 1937.

Men när Münchenöverenskommelsen 1938 tillät tyska trupper att ta sig in i Tjeckoslovakien, var familjen tvungen att fly ännu en gång. "Vi hörde beslutet på en radio när vi var på semester i Slovakien och anslöt oss till en stor grupp människor på väg mot Prag för att försöka få visum för att emigrera till nästan var som helst annanstans i världen som skulle ta emot judar", minns Rainer i sin Nobelbiografi . Familjen flyttade till USA 1939. Enligt immigrationslagen vid den tiden var detta endast möjligt på grund av Fredericks yrke och på grund av att en "mycket underbar kvinna" som Weiss kallar henne, från den filantropiska Stix-familjen i St Louis, skapade en obligation att garantera att Weisses inte skulle vara en börda för samhället.

Weiss växte upp i New York City, där han först gick i offentlig skola. I femte klass fick han ett stipendium, via en lokal flyktinghjälpsorganisation för att gå med Columbia Grammar School – en privat skola i mitten av Manhattan, som vid en tidpunkt var förknippad med att förbereda eleverna för Columbia University. Musik, vetenskap och historia var hans favoritkurser, och som tonåring byggde han skräddarsydda high-fidelity- eller "hi-fi"-ljudsystem för klassisk musikälskare.

Det intresset och hans egen nyfikenhet förde honom så småningom till fysiken. För att leta efter perfekt ljudåtergivning försökte Weiss elektroniskt eliminera bakgrundsljudet som en grammofonnål gör när den rör sig längs spåret i en gammaldags skiva, vilket förstörde musiken. Men hans ansträngningar misslyckades och han bestämde sig för att gå på college för att lära sig tillräckligt för att göra det möjligt för honom att lösa problemet. Den utbildningen började kl Massachusetts Institute of Technology (MIT) i 1950.

Elektronik till fysik, via en omväg

Som elektrotekniker vid MIT förväntades Weiss lära sig om generatorer och transmissionsledningar innan han kunde studera den elektronik som verkligen intresserade honom. Denna stela plan var inte i hans smak, så under sitt andra år bytte han till fysik, eftersom "den hade färre krav" och en mer flexibel läroplan. Men det gick inte direkt heller. 1952 blev Weiss kär i en ung kvinna, en pianist. Förhållandet slutade inte bra, och hjärtkrossad misslyckades Weiss på alla sina kurser och var tvungen att lämna MIT.

Men allt var inte förlorat. På våren 1953 återvände han till MIT som en tekniker som arbetade i Atomic Beam Laboratory av fysikern Jerrold Zacharias, som hade utvecklat den första atomuret. "Vetenskapen som gjordes i det laboratoriet var utsökt," minns Weiss. "Experimenten där tittade på egenskaperna hos isolerade enstaka atomer och molekyler som inte störs av närliggande system. Varje atom var densamma som nästa och det var möjligt att ställa grundläggande frågor om deras struktur och de interaktioner som höll dem samman." Det som började som en roll som hjälpte doktorander med deras examensarbeten ledde så småningom till att Weiss arbetade direkt med Zacharias för att utveckla cesium atomstråleklocka, vilket så småningom skulle fortsätta att bli antagen som tidsnorm för Bureau of Standards (nu National Institute of Standards and Technology) och US Navy.

Under Zacharias mentorskap fullbordade Weiss sitt kandidatexamen i fysik, sedan doktorsexamen 1962, och lärde sig om experiment med hög precision, en nyckeltråd som ledde till LIGO. Ytterligare ett nyckeltema uppstod när Weiss arbetade som forskarassistent under astronom och fysiker Robert Dicke vid Princeton University, som Weiss kallar "en av hjältarna i mitt liv". Dicke och Weiss tittade på att utveckla en modern version av Eötvös experiment, att förstå ekvivalensprincipen för allmän relativitet genom att bevisa ekvivalensen av tröghets- och gravitationsmassa. Eftersom Dickes nya gravitationsteori kombinerade ett skalärt fält med tensorfältet för allmän relativitet, var hans idé att bygga ett experiment som kunde mäta hur hela jorden skulle vibrera, om en gravitationsvåg skulle passera. Syftet med experimentet var att mäta spektrumet av skalär gravitationsstrålning, men de fann att känsligheten hos deras kvartsgravimeter var kraftigt begränsad på grund av geofysiskt brus. Trots att studien misslyckades, lärde sig Weiss experimentella tekniker som Dicke hade banat väg för, och som i slutändan skulle visa sig vara avgörande för LIGO och många andra fysikexperiment också. Faktum är att Weiss fann att de två åren på Princeton "var mycket viktiga i min vetenskapliga utveckling".

Efter att ha gått med i MITs fysikfakultet som biträdande professor 1964, Weiss arbetade på ett kosmologiskt projekt som mätte spektrumet av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), reliken från Big Bang som fortfarande fyller universum. Han bidrog till forskningen som fastställde att CMB följer en praktiskt taget perfekt svartkroppskurva med en källtemperatur på 2.7K – upptäckten av vilken ledde till en 2006 Nobelpris till de ledande forskarna, John Mather och George Smoot.

Mätning av gravitationen i ett klassrum

Weiss fortsatte att tänka på gravitationsvågor, särskilt när han blev ombedd att presentera en kurs i allmän relativitetsteori vid MIT. Det här var inte lätt. Den allmänna relativitetsteoriens matematik är skrämmande, och kurser som lärde ut ämnet var mer matematiska än fysiska. När han diskuterar det i dag, säger Weiss: "Jag är ingen teoretiker. Jag är en rörmokare...en vakuumrörmokare, en elektronisk rörmokare, men en rörmokare." Så han och hans elever lärde sig matematiken tillsammans – men oväntat blev hans experimentella bakgrund mycket betydelsefull.

Som Weiss förklarar, på den tiden Joseph Weber från University of Maryland försökte upptäcka gravitationsvågor genom att mäta förändringen i längd av stora aluminiumcylindrar som en våg som svepas förbi. När eleverna frågade Weiss om sådana mätningar kom han på en pedagogisk tankar experiment för att i princip visa hur de kunde göras. Lägg två massor en bit ifrån varandra i fritt utrymme, en med pulsad laser och den andra med spegel. Mät nu laserljusets restid tur och retur – och därmed avståndet. Om en passerande gravitationsvåg ändrar avståndet, skulle tillräckligt exakta tidsmätningar visa effekten. Eftersom alla mätningar görs på plats-tid-platsen för lasern, blir den allmänna relativitetsberäkningen okomplicerad – i själva verket tilldelade Weiss det som ett klassproblem.

Webers påstådda upptäckt av gravitationsvågor 1969 upprepades aldrig, men exemplet som hans arbete inspirerade växte till LIGO. Weiss förbättrade den ursprungliga idén genom att lägga till en andra strålbana med en spegel i ena änden, inställd i rät vinkel mot den första banan i en "L"-form med en stråldelare i korsningen. Detta är en Michelson-interferometer, som gjorde ultraexakta mätningar av ljusets hastighet i 1887 Michelson-Morley-experimentet och även av CMB-spektrumet. I allmän relativitetsteori skulle en gravitationsvåg som rör sig vinkelrätt mot armarnas plan förlänga den ena och dra ihop den andra, vilket förändrar hur ljusvågorna i de två armarna stör. Detta, drog Weiss slutsatsen, skulle vara mycket känsligare än att mäta restid längs en enda väg.

Weiss minns hur han sommaren 1971 "satt i ett litet rum och beräknade alla saker som skulle störa det experimentet" inklusive bullerkällor. Hans resultat var anmärkningsvärt: med flera kilometer långa armar skulle det vara möjligt att mäta förändringar i avstånd så små som 10^-18 m – knappt en tusendel av en protons storlek – när en passerande gravitationsvåg stressar rymden för att orsaka en töjning på 10^-21.

Testbädd och första observationer

Några av Weiss kollegor var skeptiska till gravitationsvågor men han fortsatte att utveckla sin idé. Den fick experimentell verifiering när små testinterferometrar byggda i hans labb och av en tysk grupp gjorde hans beräkningar. Bredare stöd kom efter 1975, när Weiss återknöt kontakten med en bekant från sin Princeton-tid, Caltechs teoretiske fysiker Kip Thorne. Thorne såg potentialen för gravitationsvågforskning och försvarade Weiss idé på Caltech. År 1979 National Science Foundation finansierat Caltech och MIT för att genomföra en förstudie av interferometrisk detektion. År 1990 stödde det LIGO som en Caltech-MIT-verksamhet med det största bidraget någonsin gett. Detta möjliggjorde konstruktionen av identiska detektorer med armar 4 km långa kl Hanford, Washington och Livingston, Louisiana, för tillfällighetsstudier för att bekräfta eventuella observationer. Dessa inkorporerade många tekniska koncept utvecklade av experimentell fysiker Ronald Drever från Caltech.

Efter att LIGO startade sin verksamhet 2002 uppnådde den den förutspådda känsligheten, men under nio år upptäcktes inga gravitationsvågor. Enheterna förbättrades sedan avsevärt, med bättre isolering från bruskällor, vilket resulterade i "avancerad LIGO" (aLIGO) över fem år senare. Med känslighet förstärkt 10 gånger, på 14 september 2015, aLIGO gjorde den första observationen någonsin av gravitationsvågor som kom från två sammanslagna svarta hål – en mirakulös upptäckt eftersom maskinen fortfarande kalibrerades för den första officiella körningen (Fysikvärlden 2017; 30 (10) 33).

Några år senare, på 17 augusti 2017 gjorde aLIGO den första observationen någonsin av gravitationsvågor från två sammanslagna neutronstjärnor (Jungfruns gravitationsvågsdetektor i Italien deltog också). Det var inte enstaka händelser. I slutet av sin sista observationskörning, som slutfördes i slutet av 2021, hade aLIGO rapporterat totalt 90 observationer av sammanslagningar av två svarta hål (de flesta), två neutronstjärnor eller ett svart hål och en neutronstjärna. 

Ser tillbaka, ser framåt

När Weiss överväger dessa första sju år av gravitationsastronomi, jublar Weiss. "Jag tror att LIGO har varit en enorm framgång", säger han och berömmer särskilt hur den validerar allmän relativitetsteori och svarthålsastrofysik. LIGOs resultat visar att vi förstår svarta hål tillräckligt bra för att förutsäga detaljerna i deras tvåkroppsinteraktion, vilket inom generell relativitetsteori är lika svårt att beräkna som trekroppsproblemet i klassisk fysik. Ett annat resultat är LIGOs katalog över interaktioner mellan svarta hål med varierande massa, som ger ledtrådar om hur de kan bildas i supermassiva svarta hål i galaxernas centrum.

Weiss pekar också ut en speciell händelse som "orsakade den största uppståndelsen [och] producerade så mycket vetenskap att det är otroligt". De två kolliderande neutronstjärnorna som observerades 2017 genererade också elektromagnetisk strålning, från gammastrålar till radiovågor, som spårades av observatorier runt om i världen (se "En ny kosmisk budbärare” av Imre Bartos). Detta utmärkta exempel på "multi-budbärare" astronomi gav en exakt plats för händelsen; visade att interaktionen producerade guld och platina, vilket gav ny insikt om hur stjärnor gör tunga grundämnen; bekräftade att gravitationsvågor färdas exakt med ljusets hastighet; och tillhandahöll ett nytt sätt att mäta Hubble-konstanten och kanske vila nuvarande osäkerheter om dess värde.

Weiss entusiasm växer när han frågas om framtiden för gravitationsastronomin. En komponent skulle vara Cosmic Explorer interferometer, föreslaget av Matthew Evans och Narcissus Mavalvala vid MIT. Weiss stöder starkt denna nästa generations enhet, vars 40 km långa armar skulle göra den 10 gånger känsligare än avancerad LIGO. Europeiska forskare överväger triangulären Einstein teleskop med 10 km långa armar, och Europeiska rymdorganisationen föreslår att triangulären skjuts upp Laserinterferometer Space Antenna (LISA) på 2030-talet. Dess tre rymdfarkoster – placerade 2.5 miljoner km från varandra och bär lasrar och speglar – skulle bilda en hyperkänslig detektor.

Varje detektor kommer att reagera på olika frekvenser av gravitationsvågor, som beror omvänt på massan av det utstrålande föremålet. På samma sätt som vanlig astronomi använder olika delar av det elektromagnetiska spektrumet för att studera olika himmelska fenomen, så börjar vi se gravitationsobservatorier som är inställda för att upptäcka olika klasser av gravitationshändelser. För svarta hål sträcker sig möjligheterna från att söka små hypotetiska ursvarta hål till att förstå hur supermassiva svarta hål är relaterade till bildandet av galaxer. Gravitationsvågor från sammanslagna neutronstjärnor kommer att fördjupa vår kunskap om stjärnutveckling och tät kärnämne. De kan också uppstå från pulsarer för att komplettera vad elektromagnetiska vågor avslöjar om dem. Mer spekulativt föreslår vissa forskare att metoder med flera budbärare kan visa om det supermassiva svarta hålet i mitten av vår egen galax verkligen är ena änden av ett maskhål.

Det som mest upphetsar Weiss med dessa kommande detektorer är att de kunde "göra spektakulär vetenskap genom att föra fältet in i kosmologin, studiet av hela universum." Som han förklarar, den ryska teoretikern Alexei Starobinskiǐ har visat att om en vakuumfluktuation startade kosmos, då universum genomgick snabb kosmisk inflation, skulle den ofattbara accelerationen producera massor av lågfrekventa gravitationsvågor. Liksom den kosmiska bakgrundsstrålningen skulle dessa bilda en kvarvarande universell bakgrund, men härrörande från en tid mycket nära Big Bang och bär ny information om tidiga processer som skapandet av mörk materia. Dessa vågor skulle vara svåra att upptäcka, men forskare planerar en kombination av mark- och rymdbaserade detektorer som skulle utgöra ett nytt verktyg för att attackera några stora frågor inom fysik, astronomi och kosmologi.

Men när han reflekterar över sin långa karriär och framtida forskning, vill Weiss inte sammanfatta saker och ting genom att bara säga "Jag är inte den typen av kille." Det kan vara en besvikelse att inte ha ett sista sound-bite men sedan, i sitt decennier långa engagemang för att framgångsrikt bygga LIGO, i sin vision om att ytterligare avancera gravitationsvågsvetenskapen och i sin smittsamma passion för båda, har Rainer Weiss redan vältaligt sagt allt han behöver säga.