Rainer Weiss: 50 yıllık LIGO ve yerçekimi dalgaları

Gerçekçi, alçakgönüllü ve araştırmasını tartışmaya hevesli olan fizikçi Rainer Weiss'la konuşmak son derece kolaydır. Beş yıl önce yaptığı iş ona yarı yarıya kazanç sağlıyordu. 2017 Nobel Fizik Ödülüdiğer yarısı ise "LIGO dedektörüne ve yerçekimsel dalgaların gözlemlenmesine önemli katkıları" nedeniyle Barry Barish ve Kip Thorne'a gidiyor. ABD merkezli Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) Kütleçekim dalgalarının ilk kez 2015 yılında gözlemlendiği yer burası, Albert Einstein'ın asırlık genel görelilik teorisinden kalan son test edilmemiş öngörüyü kesin olarak doğruluyor.

Varlıklarının habercisi olmasına rağmen Einstein'ın kendisi bu dalgaların gözlemlenebilir olabileceğinden şüpheliydi çünkü bunlar son derece zayıftı. Weiss'in lazer interferometri kullanma konusundaki çığır açan fikri nihayet bunu mümkün kıldı Dünya'dan 1.3 milyar ışıkyılı uzaklıktaki iki kara deliğin birleşmesinden yayılan yerçekimi dalgalarının ilk gözlemi – ve LIGO'nun o zamandan beri tespit ettiği çok daha fazlası. Bu, Weiss'in, Nobel'li meslektaşlarının ve diğer pek çok kişinin onlarca yıllık çabasını gerektirdi ve keşif, fizikte bir zirveyi temsil ediyordu ve aynı zamanda astronomide yeni bir çağa da öncülük ediyordu. Gözlemsel astronominin ortaya çıkışından bu yana, evreni çoğunlukla önce görünür ışığı, ardından geniş spektrumdaki elektromanyetik dalgaları gözlemleyerek tarıyorduk. Artık kütleçekim dalgaları birçok kozmik olayı araştırmak için yeni bir yol sağlayabiliyordu. Kütleçekimsel astronominin doğuşundan yalnızca yedi yıl sonra, şimdiden çok değerli yeni bilgiler üretildi.

Nazi Almanyası'ndan Prag üzerinden ABD'ye

Üç Nobel ödülü sahibinden her biri bu başarılara doğru kendi yolunu takip etti. Weiss'in yolu, yetenekli deneysel fizikçilerin nasıl oluştuğunu, yeni bilimsel fikirlerin beklenmedik yönlerden nasıl gelebileceğini ve büyük ölçekli bir fizik deneyini hayata geçirmek için ne kadar azmin gerekli olduğunu gösteriyor.

Weiss, 29 Eylül 1932'de Nazilerin iktidara geldiği sırada Almanya'nın Berlin kentinde doğdu. Weiss'in, Rainer'ın küçük yaşlardan beri “ateşli ve idealist bir komünist” olarak tanımladığı babası Frederick bir doktordu. Bir Yahudi ve Nazi karşıtı bir komünist olan ve görevi kötüye kullanmakla suçlanan bir Nazi doktoruna karşı ifade veren Frederick, Rainer'in annesi Gertrude ona hamileyken Naziler tarafından gözaltına alındı. Ailesinin bazı yerel bağlantıları olan Hıristiyan karısının emriyle Frederick serbest bırakıldı ve Prag'a gönderildi. Rainer doğduktan sonra Gertrude, yeni bebeğiyle birlikte Çekoslovakya'ya Frederick'in yanına gitti; çiftin 1937'de Sybille adında başka bir çocukları oldu.

Ancak 1938 Münih Anlaşması Alman birliklerinin Çekoslovakya'ya girmesine izin verince aile bir kez daha kaçmak zorunda kaldı. Rainer, Nobel biyografisinde şöyle anımsıyor: "Slovakya'da tatildeyken kararı radyodan duyduk ve dünyanın hemen hemen Yahudileri kabul eden her yerine göç etmek üzere vize almak üzere Prag'a giden büyük bir grup insana katıldık." . Aile 1939'da ABD'ye taşındı. O zamanın göçmenlik yasasına göre, bu yalnızca Frederick'in mesleği nedeniyle mümkündü ve Weiss'in ona verdiği adla, St Louis'deki hayırsever Stix ailesinden "çok harika bir kadın" bir kefalet göndermişti. Weisse'lerin topluma yük olmayacağını garanti etmek için.

Weiss, başlangıçta devlet okuluna gittiği New York'ta büyüdü. Beşinci sınıftayken yerel bir mülteci yardım kuruluşu aracılığıyla burs kazandı ve katılmak üzere Columbia Dilbilgisi Okulu – Manhattan'ın ortasında, bir zamanlar öğrencileri eğitime hazırlamakla ilişkilendirilen özel bir okul Columbia Üniversitesi. Müzik, bilim ve tarih onun en sevdiği derslerdi ve gençliğinde klasik müzik severler için özel yüksek kaliteli veya "hi-fi" ses sistemleri geliştirmişti.

Bu ilgi ve merakı sonunda onu fiziğe yöneltti. Mükemmel ses üretimi arayan Weiss, eski moda bir plaktaki oluk boyunca hareket eden fonograf iğnesinin müziği bozan arka plan gürültüsünü elektronik olarak ortadan kaldırmaya çalıştı. Ancak çabaları başarısız oldu ve sorunu çözmeye yetecek kadar bilgi edinmek için üniversiteye gitmeye karar verdi. Bu eğitim şu tarihte başladı: Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) 1950 içinde.

Bir dolambaçlı yoldan elektronikten fiziğe

MIT'de elektrik mühendisliği bölümü öğrencisi olan Weiss'ın, kendisini gerçekten ilgilendiren elektronik konuları incelemeden önce jeneratörler ve iletim hatları hakkında bilgi sahibi olması bekleniyordu. Bu katı plan onun zevkine uygun değildi ve ikinci yılında fiziğe geçti çünkü "daha az gereksinim vardı" ve daha esnek bir müfredat vardı. Ancak bu da hemen işe yaramadı. 1952'de Weiss, piyanist olan genç bir kadına aşık oldu. İlişki iyi bitmedi ve kalbi kırılan Weiss tüm derslerinde başarısız oldu ve MIT'den ayrılmak zorunda kaldı.

Ama hepsi kaybedilmedi. 1953 baharında MIT'de teknisyen olarak döndü. Fizikçi Jerrold Zacharias'ın Atomik Işın Laboratuvarıilk atom saatini geliştiren kişidir. Weiss, "O laboratuvarda yürütülen bilim mükemmeldi" diye anımsıyor. "Orada yapılan deneyler, izole edilmiş tek atomların ve komşu sistemler tarafından etkilenmeyen moleküllerin özelliklerine bakıyordu. Her atom bir sonrakinin aynısıydı ve yapıları ve onları bir arada tutan etkileşimler hakkında temel sorular sormak mümkündü.” Yüksek lisans öğrencilerine tez projelerinde yardımcı olma rolü olarak başlayan şey, sonunda Weiss'ın Zacharias ile doğrudan çalışarak tez projesini geliştirmesine yol açtı. sezyum atom ışın saati, sonunda bu olmaya devam edecekti Standartlar Bürosu (şu anda Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) ve ABD Donanması için zaman standardı olarak kabul edilmiştir.

Weiss, Zacharias'ın mentorluğu altında eğitimini tamamladı. fizik lisans derecesi, ardından 1962'de doktora derecesive LIGO'ya yol açan önemli bir konu olan yüksek hassasiyetli deneyler hakkında bilgi sahibi oldu. Weiss'ın gökbilimci ve fizikçinin yanında araştırma görevlisi olarak çalışmasıyla bir başka önemli tema daha ortaya çıktı. Princeton Üniversitesi'nde Robert DickeWeiss'in "hayatımdaki kahramanlardan biri" dediği kişi. Dicke ve Weiss bunun modern bir versiyonunu geliştirmeye çalıştılar. Eötvös deneyiEylemsizlik ve çekimsel kütlenin denkliğini kanıtlayarak genel göreliliğin denklik ilkesini anlamak. Dicke'nin yeni kütleçekim teorisi, skaler alanı genel göreliliğin tensör alanıyla birleştirirken, onun fikri, bir kütleçekim dalgasının geçmesi durumunda tüm Dünyanın nasıl titreşeceğini ölçebilecek bir deney inşa etmekti. Deneyin amacı skaler yerçekimi radyasyonunun spektrumunu ölçmekti, ancak kuvars gravimetrelerinin hassasiyetinin jeofizik gürültü nedeniyle ciddi şekilde sınırlı olduğunu buldular. Çalışmanın başarısız olmasına rağmen Weiss, Dicke'nin öncülüğünü yaptığı ve sonuçta LIGO ve diğer birçok fizik deneyi için gerekli olduğu kanıtlanacak deneysel teknikleri öğrendi. Aslında Weiss, Princeton'da geçirdiğim bu iki yılın "bilimsel gelişimim açısından son derece önemli olduğunu" buldu.

1964 yılında MIT fizik fakültesine yardımcı doçent olarak katıldıktan sonra, Weiss, kozmik mikrodalga arka plan ışını (CMB) spektrumunu ölçen kozmolojik bir proje üzerinde çalıştı.Büyük Patlama'nın hâlâ evreni dolduran kalıntısı. olduğunu ortaya koyan araştırmaya katkıda bulunmuştur. SPK 2.7K kaynak sıcaklığına sahip neredeyse mükemmel bir kara cisim eğrisini takip eder; bunun keşfi, 2006 Nobel ödülü önde gelen bilim insanları John Mather ve George Smoot'a verildi.

Sınıfta yerçekiminin ölçülmesi

Weiss, özellikle MIT'de genel görelilik dersi vermesi istendiğinde, kütleçekim dalgaları hakkında düşünmeye devam etti. Bu kolay olmadı. Genel göreliliğin matematiği göz korkutucudur ve konuyu öğreten dersler fiziksel olmaktan çok matematikseldir. Bugün bunu tartışan Weiss şöyle diyor: “Ben bir teorisyen değilim. Ben bir tesisatçıyım… elektrikli süpürge tesisatçısıyım, elektronik tesisatçıyım ama bir tesisatçıyım.” Böylece o ve öğrencileri matematiği birlikte öğrendiler ama beklenmedik bir şekilde deneysel geçmişi son derece önemli hale geldi.

Weiss'in açıkladığı gibi o zamanlar Maryland Üniversitesi'nden Joseph Weber yer çekimi dalgalarını tespit etmeye çalışıyordu. Büyük alüminyum silindirlerin uzunluğundaki değişimi bir dalganın süpürmesiyle ölçerek. Öğrenciler Weiss'e bu tür ölçümleri sorduğunda Weiss pedagojik bir fikir ortaya attı: düşünceler prensipte nasıl yapılabileceğini gösteren deney. Biri atımlı lazer, diğeri ayna içeren iki kütleyi boş alana biraz mesafeli olarak yerleştirin. Şimdi lazer ışığının gidiş dönüş süresini ve dolayısıyla mesafeyi ölçün. Eğer geçen bir kütleçekim dalgası mesafeyi değiştirirse, yeterince hassas zaman ölçümleri bu etkiyi gösterecektir. Tüm ölçümler lazerin uzay-zaman konumunda yapıldığından, genel görelilik hesaplaması basitleşiyor; aslında Weiss bunu bir sınıf problemi olarak atadı.

Weber'in 1969'da iddia ettiği yerçekimsel dalgaların tespiti hiçbir zaman tekrarlanmadı, ancak eserinin ilham verdiği örnek LIGO'ya dönüştü. Weiss, bir ucunda ayna bulunan, kavşakta bir ışın bölücü ile "L" şeklinde birinci yola dik açılarla yerleştirilmiş ikinci bir ışın yolu ekleyerek orijinal fikri geliştirdi. Bu, 1887 Michelson-Morley deneyinde ışık hızının ve ayrıca CMB spektrumunun son derece hassas ölçümlerini yapan bir Michelson interferometresidir. Genel göreliliğe göre, kolların düzlemine dik olarak ilerleyen bir kütleçekim dalgası, kolların birini uzatıp diğerini daraltarak, iki koldaki ışık dalgalarının girişim biçimini değiştirir. Weiss, bunun tek bir yol boyunca seyahat süresini ölçmekten çok daha hassas olacağı sonucuna vardı.

Weiss, 1971 yazında, gürültü kaynakları da dahil olmak üzere "küçük bir odada oturup bu deneye müdahale edecek her şeyi hesapladığını" hatırlıyor. Elde ettiği sonuç dikkate değerdi: Birkaç kilometre uzunluğundaki kollarla, 10 saniye kadar küçük mesafe değişikliklerini ölçmek mümkün olacaktı.^-18 m - bir protonun ancak binde biri büyüklüğünde - geçen yerçekimi dalgaları uzayı 10'luk bir gerilime neden olacak şekilde zorladığından^-21.

Test yatağı ve ilk gözlemler

Weiss'in meslektaşlarından bazıları kütleçekim dalgaları konusunda şüpheciydi ama Weiss fikrini geliştirmeye devam etti. Laboratuarında oluşturulan küçük test interferometreleri ve bir Alman grup tarafından yapılan hesaplamalar doğrulandığında deneysel olarak doğrulandı. Weiss'ın Princeton günlerinden bir tanıdığıyla yeniden bağlantı kurduğu 1975'ten sonra daha geniş bir destek geldi. Caltech teorik fizikçisi Kip Thorne. Yerçekimi dalgası araştırmalarının potansiyelini gören Thorne, Caltech'te Weiss'in fikrini destekledi. 1979 yılında Ulusal Bilim Vakfı İnterferometrik tespitin fizibilite çalışmasını yürütmek için Caltech ve MIT'ye fon sağladı. 1990 yılına gelindiğinde şimdiye kadar verdiği en büyük hibe ile LIGO'yu Caltech-MIT operasyonu olarak destekledi. Bu, 4 km uzunluğunda kollara sahip aynı dedektörlerin yapımına izin verdi. Hanford, Washington ve Livingston, LouisianaHerhangi bir gözlemin doğrulanması amacıyla tesadüf çalışmaları için. Bunlar deneysel fizikçi tarafından geliştirilen birçok teknik kavramı içeriyordu. Caltech'ten Ronald Drever.

LIGO, 2002 yılında faaliyete geçtikten sonra öngörülen hassasiyete ulaştı ancak dokuz yıl boyunca hiçbir kütleçekim dalgası tespit edilmedi. Cihazlar daha sonra önemli ölçüde iyileştirildi ve gürültü kaynaklarından daha iyi izolasyon sağlandı. “gelişmiş LIGO” (aLIGO) beş yıldan fazla bir süre sonra. Hassasiyet 10 kat artırıldığında 14 Eylül 2015, aLIGO Birleşen iki kara delikten gelen kütleçekim dalgalarına ilişkin ilk gözlemi gerçekleştirdi; makine henüz ilk resmi çalışma için kalibre edilmekte olduğundan mucizevi bir keşifti (Fizik dünyası 2017; 30 (10) 33).

Birkaç yıl sonra, 17 Ağustos 2017, aLIGO, birleşen iki nötron yıldızından gelen kütleçekim dalgalarının ilk gözlemini yaptı (İtalya'daki Başak yerçekimsel dalga dedektörü de katıldı). Bunlar münferit olaylar değildi. 2021'in sonlarında tamamlanan son gözlem çalışmasının sonunda aLIGO, toplam İki kara deliğin (çoğunluk), iki nötron yıldızının veya bir kara delik ve bir nötron yıldızının birleşmesine ilişkin 90 gözlem. 

Geriye bakmak, ileriye bakmak

Yerçekimi astronomisinin bu ilk yedi yılını düşünürken Weiss çok sevinçli. "LIGO'nun muazzam bir başarı elde ettiğini düşünüyorum" diyor ve özellikle genel görelilik ve kara delik astrofiziğinin nasıl doğrulandığını övüyor. LIGO'nun sonuçları, kara delikleri, genel görelilik kapsamında hesaplanması klasik fizikteki üç cisim problemi kadar zor olan iki cisim etkileşiminin ayrıntılarını tahmin edebilecek kadar iyi anladığımızı gösteriyor. Bir diğer sonuç ise LIGO'nun, galaksilerin merkezlerinde süper kütleli kara deliklere nasıl dönüşebileceklerine dair ipuçları veren, değişen kütlelerdeki kara delikler arasındaki etkileşimler kataloğudur.

Weiss ayrıca "en büyük heyecana neden olan ve inanılmaz derecede fazla bilim üreten" belirli bir olaya dikkat çekiyor. 2017'de gözlemlenen iki çarpışan nötron yıldızı, dünya çapındaki gözlemevleri tarafından takip edilen, gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar elektromanyetik radyasyon da üretti (bkz. "Yeni bir kozmik haberciImre Bartos tarafından). "Çoklu haberci" astronomisinin bu önemli örneği, olayın kesin konumunu ortaya çıkardı; etkileşimin altın ve platini ürettiğini gösterdi ve yıldızların nasıl ağır elementler oluşturduğuna dair yeni bilgiler verdi; yerçekimi dalgalarının tam olarak ışık hızında ilerlediğini doğruladı; Hubble sabitini ölçmenin yeni bir yolunu sağladı ve belki de onun değeri hakkındaki mevcut belirsizlikleri ortadan kaldırdı.

Yerçekimi astronomisinin geleceği sorulduğunda Weiss'in coşkusu daha da artıyor. Bir bileşen şu olacaktır: Kozmik Kaşif interferometresi, tarafından önerildi Matthew Evans ve Nergis Mavalvala MIT'de. Weiss, 40 km uzunluğundaki kollarıyla gelişmiş LIGO'dan 10 kat daha hassas olacak bu yeni nesil cihazı güçlü bir şekilde destekliyor. Avrupalı ​​bilim insanları üçgeni düşünüyor Einstein Teleskopu 10 km uzunluğunda kollara sahip ve Avrupa Uzay Ajansı üçgenin fırlatılmasını öneriyor Lazer İnterferometre Uzay Anteni (LISA) 2030'larda. Birbirinden 2.5 milyon km uzaklıkta bulunan ve lazerler ve aynalar taşıyan üç uzay aracı, aşırı duyarlı bir dedektör oluşturacaktır.

Her dedektör, yayılan nesnenin kütlesine ters orantılı olarak değişen yerçekimi dalgalarının farklı frekanslarına yanıt verecektir. Düzenli astronomi, çeşitli gök olaylarını incelemek için elektromanyetik spektrumun farklı kısımlarını kullandığı gibi, farklı kütleçekimsel olay sınıflarını tespit etmek için ayarlanmış yerçekimsel gözlemevlerini görmeye başlıyoruz. Kara delikler için olasılıklar, küçük varsayımsal ilkel kara deliklerin araştırılmasından süper kütleli kara deliklerin galaksilerin oluşumuyla nasıl ilişkili olduğunu anlamaya kadar uzanır. Nötron yıldızlarının birleşmesinden kaynaklanan kütleçekim dalgaları, yıldızların evrimi ve yoğun nükleer madde hakkındaki bilgimizi derinleştirecek. Elektromanyetik dalgaların kendileri hakkında ortaya çıkardıkları şeyleri tamamlamak için pulsarlardan da ortaya çıkabilirler. Daha spekülatif olarak bazı araştırmacılar, çoklu haberci yöntemlerinin kendi galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğin gerçekten solucan deliğinin bir ucu olup olmadığını gösterebileceğini öne sürüyor.

Weiss'i bu yakında çıkacak dedektörlerle ilgili en çok heyecanlandıran şey, onların "alanı kozmolojiye, yani tüm evrenin incelenmesine getirerek muhteşem bir bilim yapabilecekleri" olmasıdır. Açıkladığı gibi, Rus teorisyen Alexei Starobinskiǐ Eğer kozmosu bir boşluk dalgalanması başlatmışsa, o zaman evren hızlı bir kozmik şişmeye maruz kalırken, hayal edilemeyecek hızlanmanın çok sayıda düşük frekanslı kütleçekimsel dalga üreteceğini gösterdi. Kozmik arka plan radyasyonu gibi, bunlar da evrensel bir arka plan kalıntısı oluşturabilir, ancak Büyük Patlama'ya çok yakın bir zamandan kaynaklanır ve karanlık maddenin yaratılışı gibi erken süreçler hakkında yeni bilgiler taşır. Bu dalgaları tespit etmek zor olabilir, ancak araştırmacılar fizik, astronomi ve kozmolojideki bazı büyük sorulara cevap bulmak için yeni bir araç oluşturacak yer ve uzay tabanlı dedektörlerin bir kombinasyonunu planlıyorlar.

Ancak uzun kariyeri ve gelecekteki araştırmaları üzerine düşünürken Weiss, "Ben o tür bir adam değilim" diyerek olayları özetlemek istemiyor. Son bir seslendirme yapmamak hayal kırıklığı yaratabilir ama Rainer Weiss, LIGO'yu başarılı bir şekilde inşa etme konusunda on yıllardır süren kararlılığı, yerçekimsel dalga bilimini daha da ilerletme vizyonu ve her ikisine olan bulaşıcı tutkusuyla, zaten anlamlı bir şekilde şunları söyledi: söylemesi gereken her şeyi.