ในฐานะนักทดลองคนสำคัญคนหนึ่งที่สร้างแนวคิดและสร้างการทดลองที่ยิ่งใหญ่ที่สุดครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์ นักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบล เรนเนอร์ไวส์เส้นทางสู่ความสำเร็จของมีความโดดเด่น ตอนนี้เขาอายุ 90 เขาคุยด้วย ซิดนีย์ เพอร์โควิตซ์ เกี่ยวกับชีวิตและงานของเขา ตั้งแต่แหล่งที่มาที่ไม่คาดคิดสำหรับแรงบันดาลใจทางวิทยาศาสตร์ไปจนถึงความท้าทายของการทดลองขนาดใหญ่
Rainer Weiss นักฟิสิกส์ที่ติดดิน ถ่อมตัว และกระตือรือร้นที่จะหารือเกี่ยวกับงานวิจัยของเขา พูดคุยด้วยได้ง่ายอย่างน่าทึ่ง เมื่อห้าปีที่แล้ว งานของเขาทำให้เขาได้รับครึ่งหนึ่ง 2017 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์โดยอีกครึ่งหนึ่งตกเป็นของ Barry Barish และ Kip Thorne สำหรับ "การมีส่วนร่วมอย่างเด็ดขาดต่อเครื่องตรวจจับ LIGO และการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วง" ซึ่งมีฐานอยู่ในสหรัฐฯ เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Gravitational-Wave Observatory (LIGO) เป็นที่ซึ่งคลื่นความโน้มถ่วงถูกพบเห็นครั้งแรกในปี 2015 เป็นการยืนยันอย่างชัดเจนถึงคำทำนายสุดท้ายที่ยังไม่ผ่านการทดสอบจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอายุนับศตวรรษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
แม้จะสื่อถึงการมีอยู่ของพวกมัน แต่ไอน์สไตน์เองก็สงสัยว่าคลื่นเหล่านี้จะไม่สามารถสังเกตได้เพราะมันอ่อนแอมาก แนวคิดที่ก้าวหน้าของ Weiss ในการใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมทก็ทำให้เป็นเช่นนั้นได้ในที่สุด การสังเกตครั้งแรก – คลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากการรวมตัวกันของหลุมดำ 1.3 หลุม ซึ่งอยู่ห่างจากโลก XNUMX พันล้านปีแสง – และอีกมากมายที่ LIGO ตรวจพบตั้งแต่นั้นมา Weiss, เพื่อนร่วมงานโนเบลของเขาและคนอื่นๆ ต้องใช้ความพยายามนานหลายทศวรรษ และการค้นพบนี้ถือเป็นจุดสุดยอดในวิชาฟิสิกส์ที่ยังนำไปสู่ยุคใหม่ของดาราศาสตร์อีกด้วย นับตั้งแต่การถือกำเนิดของดาราศาสตร์เชิงสังเกต เราได้สแกนจักรวาลเป็นส่วนใหญ่โดยการสังเกตแสงแรกที่มองเห็นได้ จากนั้นจึงใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในวงกว้าง ขณะนี้คลื่นความโน้มถ่วงสามารถให้วิธีการใหม่ในการตรวจสอบปรากฏการณ์จักรวาลมากมาย เพียงเจ็ดปีหลังจากการกำเนิดของดาราศาสตร์โน้มถ่วง ก็ได้ผลิตความรู้ใหม่อันทรงคุณค่ามากมายแล้ว
จากนาซีเยอรมนีถึงสหรัฐอเมริกา ผ่านทางปราก
ผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้งสามคนต่างเดินตามแนวทางของตนเองไปสู่ความสำเร็จเหล่านี้ เส้นทางของ Weiss แสดงให้เห็นว่านักฟิสิกส์ทดลองที่มีพรสวรรค์ก่อตัวขึ้นได้อย่างไร แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ สามารถมาจากทิศทางที่ไม่คาดคิดได้อย่างไร และความเพียรพยายามอย่างเต็มที่เพื่อให้การทดลองทางฟิสิกส์ขนาดใหญ่บรรลุผล
ไวส์เกิดในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี เมื่อวันที่ 29 กันยายน พ.ศ. 1932 ในช่วงที่นาซีขึ้นสู่อำนาจ เฟรดเดอริก พ่อของไวส์ ผู้ซึ่งเรนเนอร์อธิบายว่าเป็น “คอมมิวนิสต์ที่กระตือรือร้นและมีอุดมการณ์” ตั้งแต่อายุยังน้อย เคยเป็นแพทย์ ในฐานะชาวยิวและคอมมิวนิสต์ต่อต้านนาซี ผู้ให้การเป็นพยานปรักปรำแพทย์ของนาซีที่ถูกกล่าวหาว่าทุจริตต่อหน้าที่ เฟรดเดอริกถูกพวกนาซีควบคุมตัวไว้เมื่อเกอร์ทรูด แม่ของไรเนอร์ ตั้งท้องกับเขา ตามคำสั่งของภรรยาที่เป็นคริสเตียน ซึ่งครอบครัวของเขามีการติดต่อในท้องถิ่น เฟรดเดอริกได้รับการปล่อยตัวและส่งตัวไปปราก เมื่อเรนเนอร์เกิด เกอร์ทรูดเดินทางพร้อมกับลูกน้อยคนใหม่ของเธอเพื่อไปร่วมงานกับเฟรดเดอริกในเชโกสโลวะเกีย ซึ่งทั้งคู่มีลูกอีกคนชื่อซีบิลในปี 1937
แต่เมื่อข้อตกลงมิวนิกปี 1938 อนุญาตให้กองทหารเยอรมันเข้าสู่เชโกสโลวาเกีย ครอบครัวนี้ก็ต้องหลบหนีอีกครั้ง “เราได้ยินการตัดสินใจทางวิทยุขณะพักร้อนในสโลวาเกีย และเข้าร่วมกับผู้คนกลุ่มใหญ่ที่มุ่งหน้าไปยังกรุงปรากเพื่อพยายามขอวีซ่าเพื่ออพยพไปยังที่อื่นๆ ในโลกที่จะยอมรับชาวยิว” ไรเนอร์เล่าในชีวประวัติโนเบลของเขา . ครอบครัวนี้ย้ายไปอยู่ที่สหรัฐอเมริกาในปี 1939 ภายใต้กฎหมายคนเข้าเมืองในขณะนั้น สิ่งนี้เป็นไปได้เพียงเพราะอาชีพการงานของเฟรดเดอริก และเพราะเป็น “ผู้หญิงที่วิเศษมาก” ตามที่ไวส์เรียกเธอ จากครอบครัว Stix ผู้ใจบุญแห่งเซนต์หลุยส์ ได้สร้างสายสัมพันธ์ เพื่อเป็นหลักประกันว่าชาวไวส์จะไม่เป็นภาระต่อชุมชน
ไวส์เติบโตในนิวยอร์กซิตี้ ซึ่งในตอนแรกเขาเข้าเรียนในโรงเรียนรัฐบาล ในชั้นประถมศึกษาปีที่ XNUMX เขาได้รับทุนการศึกษาผ่านองค์กรบรรเทาทุกข์ผู้ลี้ภัยในท้องถิ่นให้เข้าร่วม โรงเรียนมัธยมโคลัมเบีย – โรงเรียนเอกชนในช่วงกลางแมนฮัตตัน ซึ่งครั้งหนึ่งเกี่ยวข้องกับการเตรียมความพร้อมของนักเรียน มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย. ดนตรี วิทยาศาสตร์ และประวัติศาสตร์เป็นหลักสูตรโปรดของเขา และเมื่อตอนเป็นวัยรุ่น เขาได้สร้างระบบเสียงที่มีความเที่ยงตรงสูงหรือ "hi-fi" แบบกำหนดเองสำหรับผู้ชื่นชอบดนตรีคลาสสิก
ความสนใจและความอยากรู้อยากเห็นของเขาเองทำให้เขาสนใจวิชาฟิสิกส์ในที่สุด ด้วยการค้นหาการสร้างเสียงที่สมบูรณ์แบบ Weiss พยายามกำจัดเสียงรบกวนรอบข้างด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เข็มบันทึกเสียงทำขณะที่มันเคลื่อนที่ไปตามกรู๊ฟในแผ่นเสียงสมัยเก่า ซึ่งทำให้ดนตรีเสียหาย แต่ความพยายามของเขาล้มเหลว และเขาตัดสินใจไปเรียนที่วิทยาลัยเพื่อเรียนรู้มากพอที่จะทำให้เขาสามารถแก้ไขปัญหาได้ การศึกษานั้นเริ่มต้นที่ สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ใน 1950
อิเล็กทรอนิกส์สู่ฟิสิกส์ ผ่านทางอ้อม
ในฐานะสาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้าที่ MIT Weiss ได้รับการคาดหวังให้เรียนรู้เกี่ยวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและสายส่งก่อนที่เขาจะศึกษาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เขาสนใจจริงๆ แผนการที่เข้มงวดนี้ไม่เป็นไปตามรสนิยมของเขา ดังนั้นในปีที่สองเขาจึงเปลี่ยนมาเรียนวิชาฟิสิกส์ เพราะ "มีข้อกำหนดน้อยกว่า" และหลักสูตรที่ยืดหยุ่นมากขึ้น แต่นั่นก็ไม่ได้ผลในทันทีเช่นกัน ในปี 1952 ไวส์ตกหลุมรักหญิงสาวนักเปียโน ความสัมพันธ์ไม่ได้จบลงด้วยดี และด้วยความอกหัก ไวส์ล้มเหลวทุกหลักสูตรและต้องออกจาก MIT
แต่ทั้งหมดก็ไม่สูญหาย ในฤดูใบไม้ผลิของปี พ.ศ. 1953 เขากลับมาที่ MIT ในตำแหน่งช่างเทคนิคที่ทำงานใน ห้องปฏิบัติการลำแสงอะตอมของนักฟิสิกส์ เจอร์โรลด์ ซาคาเรียสที่ได้พัฒนานาฬิกาอะตอมเครื่องแรก “วิทยาศาสตร์ที่ทำในห้องทดลองนั้นยอดเยี่ยมมาก” ไวส์เล่า “การทดลองที่นั่นเป็นการดูคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลเดี่ยวที่แยกได้ซึ่งไม่ถูกรบกวนจากระบบข้างเคียง แต่ละอะตอมจะเหมือนกันกับอะตอมถัดไป และเป็นไปได้ที่จะถามคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างและปฏิสัมพันธ์ที่ยึดพวกมันไว้ด้วยกัน” สิ่งที่เริ่มต้นจากการมีบทบาทช่วยเหลือนักศึกษาที่สำเร็จการศึกษาในโครงการวิทยานิพนธ์ของพวกเขาในที่สุดก็ทำให้ Weiss ทำงานโดยตรงกับ Zacharias ในการพัฒนา นาฬิกาลำแสงอะตอมซีเซียมซึ่งในที่สุดมันก็จะเป็นอย่างนั้น นำมาใช้เป็นมาตรฐานของเวลาสำหรับสำนักมาตรฐาน (ปัจจุบันคือสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ) และกองทัพเรือสหรัฐฯ
ภายใต้การให้คำปรึกษาของเศคาริยาส ไวส์ก็สำเร็จการศึกษา ปริญญาตรีฟิสิกส์ จากนั้นเป็นปริญญาเอกในปี พ.ศ. 1962และเรียนรู้เกี่ยวกับการทดลองที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งเป็นหัวข้อหลักที่นำไปสู่ LIGO ประเด็นสำคัญอีกประการหนึ่งเกิดขึ้นเมื่อไวส์ทำงานเป็นผู้ร่วมวิจัยภายใต้นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ Robert Dicke จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันซึ่งไวส์เรียกว่า “หนึ่งในฮีโร่ในชีวิตของฉัน” Dicke และ Weiss มองการพัฒนาเวอร์ชันที่ทันสมัยของ การทดลองของเอียตวอสเพื่อทำความเข้าใจหลักการสมมูลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยการพิสูจน์ความสมมูลของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง เนื่องจากทฤษฎีความโน้มถ่วงใหม่ของ Dicke รวมสนามสเกลาร์เข้ากับสนามเทนเซอร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แนวคิดของเขาคือการสร้างการทดลองที่สามารถวัดได้ว่าโลกทั้งใบจะสั่นสะเทือนอย่างไร เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านไปได้ จุดมุ่งหมายของการทดลองคือการวัดสเปกตรัมของรังสีความโน้มถ่วงแบบสเกลาร์ แต่พวกเขาพบว่าความไวของกราวิมิเตอร์ควอตซ์ถูกจำกัดอย่างมากเนื่องจากสัญญาณรบกวนทางธรณีฟิสิกส์ แม้ว่าการศึกษาจะไม่ประสบผลสำเร็จ แต่ไวส์ก็ได้เรียนรู้เทคนิคการทดลองที่ Dicke เป็นผู้บุกเบิก และท้ายที่สุดก็พิสูจน์ได้ว่าจำเป็นสำหรับ LIGO และการทดลองทางฟิสิกส์อื่นๆ อีกมากมายเช่นกัน อันที่จริง Weiss พบว่าช่วงสองปีที่ Princeton “มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ของฉัน”
หลังจากเข้าร่วมคณะฟิสิกส์ของ MIT ในตำแหน่งผู้ช่วยศาสตราจารย์ในปี พ.ศ. 1964 ไวส์ทำงานในโครงการจักรวาลวิทยาที่วัดสเปกตรัมของพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB)โบราณวัตถุแห่งบิ๊กแบงที่ยังเต็มจักรวาล ทรงมีส่วนสนับสนุนการวิจัยก่อตั้งว่า CMB ตามเส้นโค้งวัตถุสีดำที่สมบูรณ์แบบโดยมีอุณหภูมิแหล่งกำเนิด 2.7K ซึ่งการค้นพบนี้นำไปสู่ รางวัลโนเบลประจำปี 2006 สำหรับนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำ ได้แก่ John Mather และ George Smoot.
การวัดแรงโน้มถ่วงในห้องเรียน
ไวส์ยังคงคิดถึงคลื่นความโน้มถ่วงต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเขาถูกขอให้นำเสนอหลักสูตรทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ MIT นี่ไม่ใช่เรื่องง่าย คณิตศาสตร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นเรื่องที่น่ากังวล และหลักสูตรที่สอนวิชานี้ก็เป็นวิชาทางคณิตศาสตร์มากกว่าวิชาฟิสิกส์ ไวส์กล่าวถึงเรื่องนี้ในวันนี้ว่า "ฉันไม่ใช่นักทฤษฎี ฉันเป็นช่างประปา…ช่างประปาสุญญากาศ ช่างประปาไฟฟ้า แต่เป็นช่างประปา” ดังนั้นเขาและนักเรียนจึงเรียนคณิตศาสตร์ร่วมกัน แต่โดยไม่คาดคิด ภูมิหลังด้านการทดลองของเขามีความสำคัญอย่างมาก
ดังที่ไวส์อธิบายในขณะนั้น Joseph Weber จากมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์พยายามตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงความยาวของกระบอกอะลูมิเนียมขนาดใหญ่ตามคลื่นที่พัดผ่าน เมื่อนักเรียนถามไวส์เกี่ยวกับการวัดดังกล่าว เขาก็เกิดการสอนขึ้นมา เกดังเก้น การทดลองเพื่อแสดงโดยหลักการว่าสามารถทำได้อย่างไร วางมวลสองตัวให้ห่างกันในระยะหนึ่งในพื้นที่ว่าง ก้อนหนึ่งใช้พัลซ์เลเซอร์ และอีกก้อนหนึ่งมีกระจก ตอนนี้วัดระยะเวลาการเดินทางไปกลับของแสงเลเซอร์ – และระยะทางด้วย หากคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านไปเปลี่ยนระยะทาง การวัดเวลาที่แม่นยำเพียงพอจะแสดงผลลัพธ์ดังกล่าว เนื่องจากการวัดทั้งหมดทำที่ตำแหน่งอวกาศ-เวลาของเลเซอร์ การคำนวณสัมพัทธภาพทั่วไปจึงตรงไปตรงมา ที่จริงแล้ว Weiss กำหนดให้มันเป็นปัญหาประเภทหนึ่ง
แผนตั้งแต่เนิ่นๆ จนถึงผลลัพธ์สุดท้าย
การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เวเบอร์อ้างว่าในปี พ.ศ. 1969 ไม่เคยถูกทำซ้ำ แต่ตัวอย่างผลงานของเขาที่ได้รับแรงบันดาลใจได้ขยายไปสู่ LIGO ไวส์ปรับปรุงแนวคิดดั้งเดิมด้วยการเพิ่มทางเดินลำแสงที่สองโดยมีกระจกอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง โดยตั้งเป็นมุมฉากกับทางเดินแรกในรูปตัว “L” โดยมีตัวแยกลำแสงที่ทางแยก นี่คืออินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ของไมเคิลสัน ซึ่งทำการวัดความเร็วแสงได้อย่างแม่นยำเป็นพิเศษในการทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์ในปี พ.ศ. 1887 และสเปกตรัม CMB ด้วย ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คลื่นความโน้มถ่วงที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับระนาบของแขนข้างหนึ่งจะยาวขึ้นและหดตัวอีกข้างหนึ่ง ซึ่งเปลี่ยนวิธีที่คลื่นแสงในแขนทั้งสองข้างเข้ามารบกวน Weiss สรุปว่าจะมีความไวมากกว่าการวัดเวลาการเดินทางตามเส้นทางเดียวมาก
ไวส์เล่าว่าในฤดูร้อนปี 1971 เขา "นั่งอยู่ในห้องเล็กๆ กำลังคำนวณสิ่งต่างๆ ที่อาจรบกวนการทดลองนั้น" รวมถึงแหล่งกำเนิดเสียงด้วย ผลลัพธ์ของเขาน่าทึ่งมาก ด้วยแขนที่ยาวหลายกิโลเมตร จึงสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในระยะทางที่เล็กเพียง 10 ได้-18 m ซึ่งแทบจะหนึ่งในพันของขนาดของโปรตอน เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านไปเน้นอวกาศจนเกิดความเครียด 10-21.
เตียงทดสอบและการสังเกตครั้งแรก
เพื่อนร่วมงานของไวส์บางคนไม่เชื่อเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง แต่เขายังคงพัฒนาแนวคิดของเขาต่อไป ได้รับการตรวจสอบเชิงทดลองเมื่ออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ทดสอบขนาดเล็กที่สร้างขึ้นในห้องทดลองของเขาและโดยกลุ่มชาวเยอรมันเจาะลึกการคำนวณของเขา การสนับสนุนที่กว้างขวางมากขึ้นเกิดขึ้นหลังปี 1975 เมื่อไวส์ได้ติดต่อกับคนรู้จักตั้งแต่สมัยพรินซ์ตันอีกครั้ง คิป ธอร์น นักฟิสิกส์ทฤษฎีของคาลเทค. เมื่อมองเห็นศักยภาพในการวิจัยคลื่นความโน้มถ่วง Thorne จึงสนับสนุนแนวคิดของ Weiss ที่ Caltech ในปี 1979 มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ให้ทุนแก่ Caltech และ MIT เพื่อดำเนินการศึกษาความเป็นไปได้ของการตรวจจับแบบอินเทอร์เฟอโรเมตริก ภายในปี 1990 ทางบริษัทได้สนับสนุน LIGO ในฐานะการดำเนินงานของ Caltech-MIT ด้วยทุนสนับสนุนที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้างเครื่องตรวจจับที่เหมือนกันซึ่งมีแขนยาว 4 กม แฮนฟอร์ด วอชิงตัน และลิฟวิงสตัน ลุยเซียนาเพื่อการศึกษาเรื่องบังเอิญเพื่อยืนยันการพบเห็น สิ่งเหล่านี้รวมเอาแนวคิดทางเทคนิคมากมายที่พัฒนาโดยนักฟิสิกส์ทดลอง โรนัลด์ เดรเวอร์ จากคาลเทค
ไทม์ไลน์ของ LIGO
- ทศวรรษ 1970– 1980 หลังจากการศึกษาความเป็นไปได้ของ Rainer Weiss เกี่ยวกับเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ขนาดกิโลเมตร มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติให้ทุนแก่ Caltech และ MIT เพื่อการศึกษาต่อไป จากนั้นจึงก่อตั้ง LINK เป็นโครงการร่วมกันของพวกเขา
- 1990 1999- การก่อสร้าง LIGO ที่แฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน และเมืองลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา ได้รับการอนุมัติ ได้รับทุน และแล้วเสร็จ LIGO เปิดตัวในปี 1999
- 2002 2010- LIGO เริ่มดำเนินการ การวิจัยเริ่มต้นที่ความไวของการออกแบบเบื้องต้น แต่ไม่พบคลื่นความโน้มถ่วง ความร่วมมือเริ่มต้นด้วยการ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ราศีกันย์ ในอิตาลี.
- 2011 2017- LIGO ได้รับการอัปเดตเป็น LIGO ขั้นสูง พร้อมความไวที่ดีขึ้น 10 เท่า; การสังเกตการดำเนินการ O1 และ O2 ตามมาในปี 2015–2016 และ 2016–2017 ตามลำดับ
- 14 กันยายน 2015 LIGO ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกจากหลุมดำสองแห่งที่รวมตัวกัน
- 17 2017 สิงหาคม LIGO/Virgo ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนสองดวงที่รวมตัวกันเป็นครั้งแรก เหตุการณ์นี้ยังมีการติดตามโดยดาราศาสตร์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
- 3 2017 ตุลาคม Rainer Weiss, Barry Barish และ Kip Thorne ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2017.
- 2019 2020- สังเกตการวิ่ง O3
- 7 พฤศจิกายน 2021 ผลลัพธ์จาก O3 โดยมีเหตุการณ์จาก O1 และ O2 ทั้งหมด 90 เหตุการณ์ตั้งแต่ปี 2015 สิ่งเหล่านี้คือการรวมตัวกันของหลุมดำหรือดาวนิวตรอนแบบไบนารี หรือหลุมดำและดาวนิวตรอน
- มีนาคม วันที่เริ่มต้นที่วางแผนไว้สำหรับ สังเกตการวิ่ง O4.
หลังจากที่ LIGO เริ่มดำเนินการในปี 2002 ก็บรรลุความไวตามที่คาดการณ์ไว้ แต่เป็นเวลาเก้าปีแล้วที่ตรวจไม่พบคลื่นความโน้มถ่วง จากนั้นอุปกรณ์ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ โดยสามารถแยกจากแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนได้ดีขึ้น ส่งผลให้ “ลิโกขั้นสูง” (aLIGO) กว่าห้าปีต่อมา ด้วยความไวที่เพิ่มขึ้น 10 เท่า เปิด 14 กันยายน 2015, อลิโก ทำการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากหลุมดำสองหลุมมารวมกันเป็นครั้งแรก ถือเป็นการค้นพบที่น่าอัศจรรย์ในขณะที่เครื่องยังอยู่ในการปรับเทียบสำหรับการวิ่งอย่างเป็นทางการครั้งแรก (โลกฟิสิกส์ 2017; 30 (10) 33).
ไม่กี่ปีต่อมา. 17 สิงหาคม 2017 aLIGO ทำการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอน XNUMX ดวงที่รวมตัวกันเป็นครั้งแรก (เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของราศีกันย์ในอิตาลีก็เข้าร่วมด้วย) เหตุการณ์เหล่านี้ไม่ใช่เหตุการณ์เดี่ยวๆ เมื่อสิ้นสุดการสังเกตการณ์ครั้งล่าสุดซึ่งเสร็จสิ้นในปลายปี 2021 aLIGO ได้รายงานผลรวมของ การสำรวจ 90 ครั้งเกี่ยวกับการควบรวมของหลุมดำ XNUMX หลุม (ส่วนใหญ่) ดาวนิวตรอน XNUMX ดวง หรือหลุมดำ XNUMX ดวงและดาวนิวตรอน XNUMX ดวง.
มองย้อนกลับไปมองไปข้างหน้า
เมื่อใคร่ครวญดาราศาสตร์โน้มถ่วงในช่วงเจ็ดปีแรกนี้ ไวส์รู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่ง “ผมคิดว่า LIGO ประสบความสำเร็จอย่างมาก” เขากล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งว่ามันตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและฟิสิกส์ดาราศาสตร์หลุมดำได้อย่างไร ผลการวิจัยของ LIGO แสดงให้เห็นว่าเราเข้าใจหลุมดำดีพอที่จะทำนายรายละเอียดของปฏิสัมพันธ์ระหว่างสองร่างของพวกมัน ซึ่งภายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นคำนวณได้ยากพอๆ กับปัญหาสามร่างในฟิสิกส์คลาสสิก ผลลัพธ์อีกประการหนึ่งคือรายการปฏิสัมพันธ์ของ LIGO ระหว่างหลุมดำที่มีมวลต่างกัน ซึ่งให้เบาะแสว่าพวกมันอาจก่อตัวเป็นหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีได้อย่างไร
ไวส์ยังกล่าวถึงเหตุการณ์หนึ่งที่ “ก่อให้เกิดความปั่นป่วนครั้งใหญ่ที่สุด [และ] ผลิตวิทยาศาสตร์มากมายจนเหลือเชื่อ” ดาวนิวตรอนสองดวงที่ชนกันซึ่งสังเกตได้ในปี พ.ศ. 2017 ก็ได้ก่อให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นกัน ตั้งแต่รังสีแกมมาไปจนถึงคลื่นวิทยุ ซึ่งติดตามโดยหอดูดาวทั่วโลก (ดู "ผู้ส่งสารแห่งจักรวาลใหม่” โดย อิมเร บาร์ตอส) ตัวอย่างที่สำคัญของดาราศาสตร์ "หลายผู้ส่งสาร" ทำให้ได้ตำแหน่งที่แม่นยำสำหรับเหตุการณ์นี้ แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาระหว่างกันทำให้เกิดทองคำและแพลทินัม ทำให้เข้าใจใหม่ว่าดาวฤกษ์สร้างธาตุหนักได้อย่างไร ยืนยันว่าคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางด้วยความเร็วแสงอย่างแน่นอน และเป็นวิธีใหม่ในการวัดค่าคงที่ของฮับเบิล และอาจช่วยลดความไม่แน่นอนเกี่ยวกับมูลค่าของมันในปัจจุบัน
ผู้คนมากมายที่อยู่เบื้องหลัง LIGO
บทความประกาศการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก (ร่างกาย. Rev. Lett. 116 061102) ร่วมเขียนโดย Rainer Weiss, Kip Thorne, Barry Barish และนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรอีกกว่า 1000 คนจากทั่วโลก Weiss เริ่มสุนทรพจน์รางวัลโนเบลในกรุงสตอกโฮล์มในปี 2017 โดยกล่าวว่า “เราสามคนคงไม่อยู่ที่นี่เลย” หากไม่มีความพยายามเป็นกลุ่มก้อนใหญ่นี้ ในความเป็นจริง Weiss รู้สึกเสียใจที่รางวัลโนเบลไม่สามารถให้เกียรติทุกคนที่เกี่ยวข้องได้
ไวส์รู้สึกซาบซึ้งเป็นการส่วนตัวต่อเพื่อนร่วมงานโนเบลของเขาเช่นกัน ไวส์กล่าวว่า “มนต์” ของ Thorne ที่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะแสดงให้เราเห็นสิ่งใหม่ๆ อย่างแน่นอน ความมุ่งมั่นของ Thorne ต่อคุณค่าของงานวิจัยนี้และงานของเขาในทฤษฎีที่เกี่ยวข้องมีความสำคัญต่อ LIGO ไวส์ยังคิดว่าบาริชซึ่งเป็นผู้อำนวยการโครงการ LIGO ได้มอบความเป็นผู้นำที่เปลี่ยนความคิดทางวิทยาศาสตร์ให้กลายเป็นหอดูดาวที่ใช้งานได้ จากประสบการณ์ของเขากับการทดลองขนาดใหญ่ในฟิสิกส์พลังงานสูง Barish ได้ทำการตัดสินใจด้านการบริหารจัดการและทางเทคนิคที่สำคัญ ซึ่งขับเคลื่อนการก่อสร้างของ LIGO ไปข้างหน้า
นอกจากนี้ Weiss ยังกระตือรือร้นที่จะเน้นย้ำถึงผลกระทบอันใหญ่หลวงของผู้ร่วมงานหญิงหลายคนที่ LIGO เหล่านี้ได้แก่ ลอรา คาโดนาติ รองคณบดีของจอร์เจีย เทคซึ่งเป็นประธานคณะกรรมการที่ตรวจสอบข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงแรกของ LIGO อย่างเป็นทางการ ขณะนี้กลุ่มของเธอสแกนข้อมูล LIGO เพื่อหาผลลัพธ์ใหม่ที่สำคัญ นอกจากนี้ที่จอร์เจียเทค ช่างทำรองเท้าเดียร์เดร (ปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน) ได้ทำการจำลองปฏิสัมพันธ์ของหลุมดำด้วยคอมพิวเตอร์ในขณะนั้น Vicky Kalogera จากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์นซึ่งเป็นผู้เชื่อในช่วงแรกๆ ในคุณค่าของการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ได้คำนวณความชุกของการรวมตัวของหลุมดำและดาวนิวตรอนเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นเหล่านั้น เนอร์จิส มาวัลวาลา นักฟิสิกส์ของ MIT เล่น บทบาทใหญ่ ในการแนะนำเทคนิค "แสงบีบ" เพื่อลดสัญญาณรบกวนควอนตัมใน aLIGO และมีส่วนทำให้เกิดแนวคิดใหม่ที่ได้รับการอัปเกรดอย่างมากมาย นักสำรวจจักรวาล เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
ความกระตือรือร้นของไวส์เพิ่มมากขึ้นเมื่อถูกถามเกี่ยวกับอนาคตของดาราศาสตร์โน้มถ่วง องค์ประกอบหนึ่งก็จะเป็น อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของ Cosmic Explorer, แนะนำโดย แมทธิว อีแวนส์ และ เนอร์จิส มาวัลวาลา ที่เอ็มไอที Weiss สนับสนุนอุปกรณ์เจเนอเรชันใหม่นี้อย่างยิ่ง ซึ่งมีแขนยาว 40 กม. ซึ่งจะทำให้มีความไวมากกว่า LIGO ขั้นสูงถึง 10 เท่า นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปกำลังพิจารณารูปสามเหลี่ยม กล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ ด้วยแขนยาว 10 กม. และองค์การอวกาศยุโรปเสนอให้ปล่อยยานรูปสามเหลี่ยม เสาอากาศอวกาศเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (ลิซ่า) ในช่วงปี 2030 ยานอวกาศสามลำของมันซึ่งอยู่ห่างจากกัน 2.5 ล้านกิโลเมตรและมีเลเซอร์และกระจกจะก่อให้เกิดเครื่องตรวจจับที่มีความไวสูง
เครื่องตรวจจับแต่ละเครื่องจะตอบสนองต่อความถี่ที่แตกต่างกันของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุที่แผ่รังสีผกผัน เช่นเดียวกับที่ดาราศาสตร์ปกติใช้ส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ท้องฟ้าต่างๆ ดังนั้นเราจึงเริ่มเห็นหอสังเกตการณ์โน้มถ่วงที่ปรับแต่งเพื่อตรวจจับเหตุการณ์แรงโน้มถ่วงประเภทต่างๆ สำหรับหลุมดำ ความเป็นไปได้มีตั้งแต่การค้นหาหลุมดำดึกดำบรรพ์เล็กๆ ไปจนถึงการทำความเข้าใจว่าหลุมดำมวลมหาศาลเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของกาแลคซีอย่างไร คลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนที่รวมตัวกันจะทำให้เรามีความรู้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวิวัฒนาการของดาวฤกษ์และสสารนิวเคลียร์หนาแน่น พวกมันยังอาจเกิดขึ้นจากพัลซาร์เพื่อเสริมสิ่งที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปิดเผยเกี่ยวกับพวกมัน นักวิจัยบางคนแนะนำว่าวิธีการส่งสารหลายตัวอาจแสดงให้เห็นว่าหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีของเรานั้นเป็นปลายด้านหนึ่งของรูหนอนจริงๆ หรือไม่
สิ่งที่ทำให้ Weiss ตื่นเต้นมากที่สุดเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับที่กำลังจะมีขึ้นเหล่านี้ก็คือ พวกเขาสามารถ "สร้างวิทยาศาสตร์ที่น่าทึ่งโดยนำสาขานี้มาสู่จักรวาลวิทยา ซึ่งเป็นการศึกษาจักรวาลทั้งหมด" ตามที่เขาอธิบายนักทฤษฎีชาวรัสเซีย อเล็กเซย์ สตาโรบินสกี้ǐ ได้แสดงให้เห็นว่าถ้าความผันผวนของสุญญากาศเริ่มต้นจักรวาล จากนั้นในขณะที่จักรวาลมีการพองตัวของจักรวาลอย่างรวดเร็ว ความเร่งที่ไม่สามารถจินตนาการได้จะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำจำนวนมาก เช่นเดียวกับการแผ่รังสีพื้นหลังคอสมิก สิ่งเหล่านี้จะสร้างพื้นหลังสากลที่ตกค้าง แต่กำเนิดมาจากเวลาที่อยู่ใกล้บิ๊กแบงมากและนำข้อมูลใหม่เกี่ยวกับกระบวนการในยุคแรก ๆ เช่นการสร้างสสารมืด คลื่นเหล่านี้ตรวจจับได้ยาก แต่นักวิจัยกำลังวางแผนผสมผสานเครื่องตรวจจับภาคพื้นดินและอวกาศ เพื่อสร้างเครื่องมือใหม่ในการโจมตีคำถามสำคัญๆ ในสาขาฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ และจักรวาลวิทยา
แต่ในขณะที่เขาไตร่ตรองถึงอาชีพการงานอันยาวนานและการวิจัยในอนาคต ไวส์ไม่ต้องการสรุปโดยพูดง่ายๆ ว่า "ฉันไม่ใช่คนแบบนั้น" มันอาจจะน่าผิดหวังที่ไม่มีการรับฟังครั้งสุดท้าย แต่ในความมุ่งมั่นที่ยาวนานหลายทศวรรษของเขาในการสร้าง LIGO ให้ประสบความสำเร็จ ในวิสัยทัศน์ของเขาในการพัฒนาวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น และในความหลงใหลในการติดต่อสื่อสารทั้งสองอย่าง Rainer Weiss ได้กล่าวอย่างมีคารมคมคายแล้ว ทุกสิ่งที่เขาต้องการจะพูด
