الفلك

ما هي عتبة الكشف عن موجات الجاذبية لليغو؟

ما هي عتبة الكشف عن موجات الجاذبية لليغو؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

منذ الآن تم اكتشاف نجمين نيوترونيين يندمجان عبر موجات الجاذبية ، كنت أتساءل ما هي عتبة الكشف الحالية التي يمكن أن تحققها كاشفات LIGO.

بالنظر إلى أن أول أجسام تمت ملاحظتها كانت عبارة عن ثقبين أسودين بكتلة مجمعة تزيد عن 60 كتلة شمسية ، وقد اكتشفوا الآن نجمين نيوترونيين يبلغ مجموع كتلتهما حوالي 3 كتل شمسية فقط ، كنت أتساءل ما هي العتبة التي يمكن أن تكتشفها هذه الكواشف بالفعل .

من الواضح أن هناك نجومًا أكبر بكثير تدور حول بعضها البعض ، لكن حجمها وبعدها يجعل من الصعب للغاية اكتشاف موجات الجاذبية. إذن ، ما هي الكتل وما هي المسافات التي نتوقع اكتشافها في المستقبل؟


أخشى أن هذا ليس واضحًا

سعة إشارة إجهاد موجة الجاذبية من ثنائي مدمج مدمج (نجم نيوترون أو ثقب أسود) هو $$ h sim 10 ^ {- 22} left ( frac {M} {2.8M _ { odot}} right ) ^ {5/3} left ( frac {0.01 { rm s}} {P} right) ^ {2/3} left ( frac {100 { rm Mpc}} {d} right ) ، $$ حيث $ M $ هو الكتلة الكلية للنظام في الكتل الشمسية ، و $ P $ هي الفترة المدارية اللحظية بالثواني و $ d $ هي المسافة في 100s من Mpc. $ h sim 10 ^ {- 22} $ هو رقم معقول لحساسية LIGO لإجهاد موجة الجاذبية حيث يكون أكثر حساسية (عند ترددات 30-300 هرتز).

لذلك يمكنك أن ترى أنه لزيادة إمكانية الملاحظة يمكنك زيادة الكتلة أو تقليل الفترة أو تقليل المسافة.

لكن ها هي المضاعفات. LIGO حساس فقط بين حوالي 30-300 هرتز وترددات GW مرتين التردد المداري. وبالتالي لا يمكنك تقصير الفترة إلى شيء صغير جدًا لأنه يقع خارج نطاق تردد LIGO ولا يمكنك أيضًا زيادة الكتلة إلى شيء أكبر بكثير من الثقوب السوداء التي تم رؤيتها بالفعل لأنها تندمج قبل أن تتمكن من الوصول إلى مدار مرتفع بما يكفي الترددات المراد رؤيتها. (معدل التكرار عند الاندماج هو $ propto M ^ {- 1} $).

التعقيد الآخر هو أن تطور الإشارات يكون أسرع عند الكتل الأقل. أي أن معدل تغير التردد والسعة يزدادان بسرعة مع الكتلة الكلية. هذا هو السبب في أن الاندماج الأخير للنجم النيوتروني كان قابلاً للاكتشاف لمدة 100 ثانية بواسطة LIGO ، في حين أن عمليات اندماج الثقوب السوداء الأكثر ضخامة يمكن رؤيتها لمدة ثانية واحدة فقط. ولكن ما يعنيه هذا هو أن لديك عددًا أقل من دورات إشارة الثقب الأسود التي يمكن "إضافتها" لتحسين الإشارة إلى الضوضاء ، مما يعني أن المصادر ذات الكتلة الأعلى أقل يمكن اكتشافه مما قد يقترحه تطبيق بسيط للصيغة التي قدمتها أعلاه. هناك تعقيد آخر وهو أن هناك عاملًا هندسيًا يعتمد على كيفية توجيه المصدر وأجهزة الكشف فيما يتعلق ببعضها البعض.

حسنًا ، هذه تعقيدات ، لكن لا يزال من الممكن استخدام الصيغة كتقريب. لذلك إذا أخذنا إشارة GW170817 ، كانت الكتلة الإجمالية حوالي 2.8 مليون دولار _ { odot} دولار ، وكان المصدر عند 40 ميجا لكل قناة ، لذلك عند ترددات 200 هرتز (تقابل فترة 0.01 ثانية) ربما كنت تتوقع إشارة إجهاد حوالي 3 دولارات مرة 10 ^ {- 22} دولار. أعطى هذا إشارة يمكن اكتشافها بسهولة. تشير ورقة الاكتشاف (Abbot et al. 2017) إلى أن "الأفق" للكشف عن LIGO-Livingston كان يقارب 218 Mpc و 107 Mic لـ LIGO-Hanford. نظرًا لأن المصدر كان أقرب بكثير من هذه الأرقام ، فليس من المستغرب أن يكون الاكتشاف قويًا.

بأخذ الصيغة أعلاه وفترة مدارية ثابتة مقدارها 0.01 ثانية ، يمكننا أن نرى أن المسافة الأفقية ستتسع مثل $ sim M ^ {5/3} $. لذلك يمكن رؤية قيمة ثنائية للثقب الأسود بقيمة 10 مليون دولار _ { odot} + 10 مليون _ { odot} دولارًا بقيمة 218 دولارًا مرة (20 / 2.8) ^ {5/3} = 5.7 دولارًا لكل نقرة (سيكون هذا تقديرًا مبالغًا فيه من قِبل عامل قليل بسبب مسألة سرعة التطور نحو الاندماج التي ناقشتها أعلاه).

يمكن قراءة المزيد من المناقشات الفنية والمناقشات الفنية هنا ، على الرغم من أن هذا قد انتهى بسنتين وقد تم تمديد وصول LIGO بنحو خمسة أضعاف منذ إجراء هذه الحسابات.


يوضح الشكل 1 من هذه الورقة مسافة الأفق (المسافة التي سيتم اكتشاف إشارة علوية مستقطبة دائريًا عند SNR 8) للأنظمة ذات الكتلة الأكبر حتى الكتلة الإجمالية 1000 كتلة شمسية ، بافتراض البحث باستخدام قوالب اندماج ثنائي مضغوطة. بالنسبة للكتل الأعلى ، يكون اتساع الإشارة أكبر بشكل عام ، لكنهم يندمجون عند ترددات أقل ، وبالتالي فإن عمر الإشارات يكون عمومًا أقصر في النطاق الحساس للكاشفات. نظرًا لأنها أقصر ، فإنها تبدو أيضًا ، للأسف ، أشبه بفئات مواطن الخلل في الآلات ، لذلك إذا لم تكن بهذه القوة (أعلى بقليل من الحد الأدنى من SNR 8 تقريبًا) ، يمكن أن يكون مستوى الخلفية كبيرًا ويؤدي إلى انخفاض أهمية أي مرشحين.


ما هي عتبة الكشف عن موجات الجاذبية لليغو؟ - الفلك

ال مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية (ليغو) عبارة عن تجربة فيزيائية واسعة النطاق ومرصد مصمم لاكتشاف موجات الجاذبية الكونية ولتطوير عمليات رصد الموجات الثقالية كأداة فلكية. [1] تم بناء مرصدين كبيرين في الولايات المتحدة بهدف الكشف عن موجات الجاذبية عن طريق قياس التداخل بالليزر. تستخدم هذه المراصد مرايا متباعدة عن بعضها بأربعة كيلومترات قادرة على اكتشاف تغير أقل من واحد على عشرة آلاف من قطر شحنة البروتون. [2]

تم تمويل مراصد LIGO الأولية من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) وتم تصميمها وبنائها وتشغيلها بواسطة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. [3] [4] قاموا بجمع البيانات من 2002 إلى 2010 ولكن لم يتم الكشف عن موجات الجاذبية.

بدأ مشروع LIGO المتقدم لتعزيز أجهزة كشف LIGO الأصلية في عام 2008 ولا يزال يتلقى الدعم من NSF ، مع مساهمات مهمة من مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا في المملكة المتحدة ، وجمعية ماكس بلانك في ألمانيا ، ومجلس الأبحاث الأسترالي. [5] [6] بدأت الكواشف المحسنة العمل في عام 2015. تم الإبلاغ عن اكتشاف موجات الجاذبية في عام 2016 من قبل LIGO Scientific Collaboration (LSC) و Virgo Collaboration بمشاركة دولية من العلماء من العديد من الجامعات والمؤسسات البحثية. يتم تنظيم العلماء المشاركين في المشروع وتحليل البيانات الخاصة بعلم فلك الموجات الثقالية من قبل LSC ، والتي تضم أكثر من 1000 عالم في جميع أنحاء العالم ، [7] [8] [9] بالإضافة إلى 440.000 مستخدم نشط في Einstein @ Home اعتبارًا من كانون الأول (ديسمبر) 2016 [تحديث]. [10]

LIGO هو أكبر مشروع طموح تموله مؤسسة العلوم الوطنية. [11] [12] في عام 2017 ، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لكل من راينر فايس وكيب ثورن وباري سي باريش "لمساهماتهم الحاسمة في كاشف ليجو ومراقبة موجات الجاذبية". [13]

يتم إجراء الملاحظات في "يدير". اعتبارًا من كانون الأول (ديسمبر) 2019 [تحديث] ، أجرى ليجو 3 أشواط ، وأجرى 50 اكتشافًا لموجات الجاذبية. يتم إجراء صيانة وترقيات لأجهزة الكشف بين عمليات التشغيل. الجولة الأولى ، O1 ، التي امتدت من 12 سبتمبر 2015 إلى 19 يناير 2016 ، حققت أول 3 اكتشافات ، وجميع عمليات اندماج الثقوب السوداء. الجولة الثانية ، O2 ، التي استمرت من 30 نوفمبر 2016 إلى 25 أغسطس 2017 ، حققت 8 اكتشافات و 7 عمليات اندماج للثقب الأسود وأول اندماج نجم نيوتروني. [14] الجولة الثالثة ، O3 ، بدأت في 1 أبريل 2019 ، وهي مقسمة (حتى الآن) إلى O3a ، من 1 أبريل إلى 30 سبتمبر 2019 ، و O3b ، من 1 نوفمبر 2019 [15] حتى تم تعليقها في مارس 2020 بسبب إلى COVID-19. [16]


ما هو الشيء الرائع بخصوص موجات الجاذبية؟

أول شيء مهم في اكتشاف LIGO المباشر لموجات الجاذبية هو أنه حدث على الإطلاق.

لكن أولاً ، دعنا نعود قليلاً ونتحدث عن ألبرت أينشتاين. لقد كان رجلاً ذكيًا و [مدش] اكتشف الكثير من الأشياء الدقيقة حقًا حول الكون ، بما في ذلك أن الفضاء ليس خلفية ثابتة وصلبة ، مثل المسرح الذي تلعب فيه الأحداث الكونية. بدلاً من ذلك ، أظهر أينشتاين أن الفضاء مرن ويتأثر بالأشياء والأحداث بداخله. تخلق الأجسام الضخمة منحنيات في الفضاء ، مثل الطريقة التي تنحني بها كرة البولينج مرتبة عند وضعها فوقها.

(أظهر أينشتاين أيضًا أن المكان والزمان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا و [مدش] كلاهما خيوط في النسيج العالمي الذي أسماه الزمكان. سوف نتستر على هذه العلاقة من أجل الإيجاز.)

إذن ما علاقة هذا بموجات الجاذبية؟ إذا كان بإمكان جسم ضخم أن ينحني الزمكان ، فإن تحريك جسم ضخم يمكن أن يخلق تموجات في الزمكان. فكر في زورق يتحرك عبر بحيرة ، يرسل موجات عبر سطح الماء أو مطرقة تضرب البرميل ، وتحدث اهتزازات على السطح.

كان مرصد موجات الجاذبية بالليزر ، المعروف باسم LIGO ، أول تجربة على الإطلاق للكشف المباشر عن هذه التموجات في الزمكان ، لذا فهي أول دليل مادي مباشر على وجودها بالفعل. جاء أول اكتشاف لها في سبتمبر 2015 ، بعد 100 عام من تنبؤ أينشتاين بوجودها لأول مرة. لقد مرت 40 عامًا أيضًا منذ أن بدأ الناس العمل على التعويذات المبكرة للتقنية التي يستخدمها ليجو لاكتشاف موجات الجاذبية.

لذا فإن هذه التموجات في الزمكان تؤكد نظرية أينشتاين (على الرغم من أنها ثبت بالفعل أنها محكمة الإغلاق إلى حد ما). إن موجات الجاذبية هي مثال صارخ للنسبية العامة في الماضي ، تلك الأمثلة المتطرفة كانت موجودة فقط على الورق ، في العالم النظري. يمكن أن تساعد البيانات العلماء دائمًا في معرفة المزيد عن الكون ، وإذا كانت نظرية أينشتاين بحاجة إلى تعديل (لجعلها متوافقة مع ميكانيكا الكم ، على سبيل المثال) ، فمن الممكن أن يجد LIGO مكانًا. (قال المدير التنفيذي لـ LIGO إنه يشك في أن يجد LIGO هذه الأنواع من التشققات أو يخسر نهايات في نظرية أينشتاين ، لكنه احتمال.)


مستقبل مشرق لعلم فلك الموجات الثقالية

على الرغم من أنها تبدو سريالية ، فقد أصبح اكتشاف موجات الجاذبية الآن أمرًا شائعًا ، بعد خمس سنوات فقط من الاكتشاف الأول في سبتمبر 2015. مع 50 اكتشافًا لموجات الجاذبية ، أصبحنا أكثر قدرة على استكشاف مجموعات الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية في جميع أنحاء العالم. الكون (انظر هذا الملخص). تزيد الاكتشافات الإضافية لموجات الجاذبية من فهمنا للنظرية النسبية العامة (انظر هذا الملخص).

يبدو مستقبل علم فلك الموجات الثقالية واعدًا بشكل متزايد بعد إضافة 39 حدثًا من الأشهر الستة الأولى من فترة المراقبة O3. تحليل الجزء الثاني من O3 (يسمى O3b) قيد التقدم حاليًا وسيوسع كتالوجنا المتنامي لموجات الجاذبية العابرة. بعد O3 ، ستخضع الكاشفات لتحسينات هندسية إضافية لزيادة الوصول إلى الفيزياء الفلكية في الوقت المناسب لجولة الرصد الرابعة. بينما ننتظر التحسينات الآلية وبناء كواشف جديدة ، سيستمر مجتمع الموجات الثقالية في استكشاف طبيعة الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية في جميع أنحاء الكون.


ملاحظات

آثار إشارة أول كشف مؤكد لموجة الجاذبية. تم صنع القمصان للاحتفال بالاكتشاف ، وهذا المؤلف محظوظ بما يكفي لامتلاكه.

تم إجراء أول اكتشاف مباشر لموجة الجاذبية في الرابع عشر من سبتمبر 2015 ، وتم الكشف عنها بواسطة مرصدي ليجو في ذلك الوقت. منذ ذلك الحين ، تم إجراء العديد من الملاحظات الناجحة ، حيث سجل تشغيل المراقبة الأحدث 55 اكتشافًا قبل أن يتم تقليصه بواسطة COVID-19. مع تأكيد وجود موجات الجاذبية من خلال المراقبة المباشرة ، فإن العمل مستمر لفهم الظواهر بشكل أفضل. يأتي كل اكتشاف من حدث نجمي مختلف ، ويلقي مزيدًا من الضوء على العمليات الفيزيائية الأساسية في اللعب. كان أكبر اكتشاف حتى الآن من 21 مايو 2019 ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى اندماج ثقبين أسودين. تتم مقارنة البيانات بين مرصدي LIGO ، بالإضافة إلى منشأة مماثلة في إيطاليا باسم VIRGO ، للمساعدة في تحديد مصدر أي موجات يتم ملاحظتها.

تمكن القدرة على اكتشاف موجات الجاذبية من التحقيق في الظواهر التي كان من الصعب الوصول إليها باستخدام علم الفلك البصري أو الكهرومغناطيسي التقليدي.

قبل LIGO ، لم يكن & # 8217t نعرف حقًا عدد الثقوب السوداء الثنائية الموجودة في الكون & # 8230 يمكنك & # 8217t رؤيتها حقًا. ما هو حساس لـ LIGO هو تلك اللحظة الأخيرة حيث يتم دمجهم… نقوم ببعض الأشياء الرائعة من خلال توزيع الثقوب السوداء الثنائية & # 8230 يمكن توزيعها بشكل متناحي عبر الكون ، أو قد يكون هناك المزيد من الثقوب السوداء في أنظمة معينة.

مع مرور المزيد من القياسات وتطور النظريات الفيزيائية ، قد تلقي البيانات التي تم جمعها من المشروع مزيدًا من الأفكار حول بنية الكون نفسه.

تجربة LIGO هي مثال رائع على مستوى التطور المطلوب لاستكشاف الظواهر في طليعة الفيزياء. في كثير من الأحيان ، هناك فارق كبير بين النظريات المقترحة والتأكيدات التجريبية الناجحة في هذه الحالة ، مر قرن كامل قبل أن يتم اكتشاف موجات الجاذبية مباشرة. إنه عمل شاق يفكك أسرار الكون ، ولكن كما هو الحال دائمًا ، يقف العلماء على أهبة الاستعداد لمواجهة التحدي.


الفلك

جنبًا إلى جنب مع موجات الجاذبية ، من المتوقع أن ينبعث انفجار قوي من أشعة غاما عندما يندمج نجمان نيوترونيان ثنائيان. إن الكشف عن انفجار أشعة جاما بالتزامن مع الكشف عن موجات الجاذبية من مصدر إلهام سيؤكد هذه الفرضية.

تعد الثنائيات المدمجة الملهمة التي تتكون من ثقوب سوداء و / أو نجوم نيوترونية واحدة من أكثر المصادر الواعدة لإشعاع الجاذبية للجيل الأول من كاشفات موجات الجاذبية ، مثل LIGO. على نطاق زمني يبلغ 10 7 سنوات ، يفقد النظام الثنائي المضغوط الطاقة عن طريق إصدار موجات الجاذبية مما يتسبب في دوران مكوناته معًا بشكل حلزوني. عندما يتقلص المدار ، فإنه يدور وتقل الفترة. مع LIGO ، نبحث عن موجات الجاذبية التي ستنبعث خلال العشرات من الثواني الأخيرة من هذا المنبه. تدور النجوم مئات المرات في الثانية على مسافة تفصل عشرات الكيلومترات قبل أن تغرق معًا. يمكن للجيل الأول من الكاشفات أن يراقب أنظمة النجوم الثنائية النيوترونية ذات نسبة إشارة إلى ضوضاء معقولة تصل إلى حوالي 20 Mpc ، بمعدل تقديري يمكن أن يصل إلى واحد كل 1.5 سنة ، على الرغم من أن المعدل الحقيقي غير معروف ويمكن أن يكون أقل .

يُعتقد أن اندماج النجم النيوتروني وثنائيات الثقب الأسود (NS-BH) هو السالف الواعد لانفجارات أشعة جاما قصيرة الصلابة. سيوفر الاكتشاف المباشر لموجات الجاذبية المرتبطة بـ GRB دليلًا مقنعًا على هذه الفرضية ، مما يحل اللغز طويل الأمد الخاص بأصل GRB قصير الصلابة. ومع ذلك ، من المرجح أن تكون موجات الجاذبية من مثل هذه الأنظمة معقدة. يؤدي اقتران الزخم الزاوي المداري لثنائي NS-BH بدوران الثقب الأسود إلى تسريع الثنائي. يمثل التعديل الناتج لشكل الموجة تحديات كبيرة للكشف ، مما يزيد من أبعاد مساحة معلمة الشكل الموجي بترتيب من حيث الحجم.

تعد LSC / Virgo Compact Binary Coalescence Group مسؤولة عن البحث عن موجات الجاذبية التي تنتجها مصادر Inspiral باستخدام تقنيات التصفية المتطابقة. يتعاون أعضاء مجموعة سيراكيوز مع أعضاء آخرين في مجموعة Compact Binary Coalescence Group لتطوير وتنفيذ واستخدام خوارزميات غربلة ضوضاء كاشف الموجات الثقالية للإشارات الفلكية ، ودراسة النسبية والفيزياء الفلكية التي يمكن الحصول عليها من الاكتشاف. نحن مهتمون بشكل خاص بتطوير تقنيات البحث للثنائيات الدوارة الموصوفة أعلاه ، بالإضافة إلى المساهمة في عمليات البحث عن النجم الثنائي النيوتروني والثقب الأسود الثنائي.


يدعي العلماء اكتشاف مثير لموجات الجاذبية وإعلان عصر جديد في علم الفلك

مرصد موجات الجاذبية بالليزر في هانفورد ، واشنطن. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا / LIGO Lab

في 6 مايو 1981 ، قام الفيزيائيان كيب ثورن وجيرميا أوستريكر بالمراهنة * . إذا تم اكتشاف موجات الجاذبية خارج الأرض قبل 1 يناير 2000 ، من قبل مجموعتين تجريبيتين على الأقل ، فإن ثورن سيفوز بالرهان وحالة من النبيذ الأحمر. إذا لم يكن كذلك ، فسيحصل عليه أوستريكر. كما يحدث ، كان ثورن & # 8217 يشم رائحة النصر إذا قرروا الانتظار 16 عامًا أخرى.

في مؤتمر صحفي في واشنطن العاصمة في 11 فبراير ، أعلن تعاون عالمي من العلماء والمهندسين رسميًا أنهم اكتشفوا موجات الجاذبية ، وتموجات الطاقة المتطايرة عبر نسيج الزمكان.

قال أبهاي أشتيكار ، مدير معهد فيزياء وهندسة الجاذبية في جامعة ولاية بنسلفانيا: "أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية من خلال التعاون العلمي في LIGO هو اكتشاف مذهل لأنه يفتح نافذة جديدة تمامًا على الكون". "سيكشف عن أسرار من أبعد مناطق الكون لا يمكننا الوصول إليها عن طريق علم الفلك التقليدي."

بصرف النظر عن الفهم الأفضل لكيفية تطور واندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء ، سيسمح هذا الاكتشاف لعلماء الفلك بمقارنتها بالتنبؤات التي قدمتها نظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة. باختصار ، ستساعد مثل هذه الدراسات في تحديد ما إذا كانت النظرية تقدم صورة مثالية للجاذبية. تم نشره لأول مرة منذ 100 عام.

في الشهر الذي يسبق الإعلان ، كانت الشائعات حول تفاصيل الاكتشاف منتشرة وكان يتم الترحيب بها مرارًا وتكرارًا على أنها "ضخمة" ، حيث كتب مارتن ريس ، المملكة المتحدة والفلك الملكي رقم 8217 ، أنه سيكون & # 8220s تسليط الضوء العلمي على العقد & # 8221. إذا تم التحقق من صحتها من خلال تجارب أخرى في المستقبل - على الرغم من أن التعاون يدعي نتيجة موثوقة للغاية - فقد يكون 11 فبراير 2016 هو اليوم الأول من عصر علم فلك الموجات الثقالية.

والوقت الذي تم فيه إجراء الملاحظة ، المعينة GW150914 ، كان 14 سبتمبر 2015 ، الساعة 3.21 مساءً بتوقيت الهند القياسي ، بواسطة مرصد موجات الجاذبية بالليزر المتقدم للتداخل الليزري (aLIGO) في هانفورد ، واشنطن ، وليفينجستون ، لويزيانا. يتم تمويل المراصد من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية. تستند مبادئ عملهم إلى الأفكار التي صاغها ثورن ورينر فايس ورونالد دريفير في الثمانينيات.

تؤدي جاذبية الأجسام الضخمة في الكون إلى تشويه شكل الزمكان من حولها. تتأثر حركة الأجسام الأخرى في المنطقة المجاورة بهذا التشوه ويشعرون به كقوة الجاذبية. ساعد عمل أينشتاين بالإضافة إلى مجموعة من علماء الرياضيات والفيزياء الآخرين في أوائل القرن العشرين في توضيح هذه الصورة على أنها طريقة عمل الجاذبية.

ومع ذلك ، كانت نظرية النسبية العامة لأينشتاين هي التي تنبأت أنه عندما تتسارع الأجسام الضخمة ، فإنها تسبب اضطرابات في الزمكان تنتشر في الخارج وفي جميع أنحاء الكون. هذه الاضطرابات هي مظاهر فقدان الأجسام لطاقة الجاذبية ، والطاقة التي يتم حملها في شكل موجات الجاذبية. عندما تتحرك الموجات عبر السلسلة المتصلة ، فإنها تشوه المسافات مؤقتًا في المناطق التي تمر من خلالها.

تم إنشاء مشروع LIGO في عام 1992 لاكتشاف هذه التشوهات العابرة ، وتم ترقيته إلى صورة رمزية "متقدمة" أكثر حساسية ، aLIGO ، بحلول عام 2014. لكل من مراصده تصميم مشترك: نفقان طويلان متصلان في قمة الرأس ، على شكل "L". يطلق مصدر في القمة نبضة ليزر أسفل كل نفق وينتظر انعكاسها مرة أخرى بواسطة مرآة في النهاية. عندما تعود النبضات إلى التجمع ، فإنها تشكل نمط تداخل مسجل بواسطة الكاشف. في حالة عدم وجود موجة جاذبية ، يكون التداخل مدمرًا تمامًا ويرسم الكاشف فراغًا.

عندما تمر موجة الجاذبية عبر aLIGO ، فإنها تتقلص مؤقتًا (وبالتناوب) وتوسع طول الذراعين بمقدار ضئيل. نتيجة لذلك ، ينتهي أحد نبضات الليزر بالسير لمسافة أطول من الأخرى. عندما يجتمعون مرة أخرى ، تكون نبضة واحدة خارج الخطوة قليلاً بالنسبة إلى الأخرى ويكون تداخلهم & # 8217t مدمرًا. يقدم الكاشف نمط تداخل. وفقًا لإعلان 11 فبراير ، هذا ما حدث في 14 سبتمبر 2015.

محاكاة GW150914 بواسطة مجموعة النسبية العددية في معهد جورجيا للتكنولوجيا.

وفقًا للبيانات الصادرة ، من المحتمل أن تكون الموجات قد نشأت من زوج من الثقوب السوداء على بعد 1.2-1.3 مليار سنة ضوئية. كانا يدوران حول بعضهما البعض ، حيث وصلت سرعتهما إلى حوالي 180 مليون متر في الثانية ، وفي النهاية اندمجا لتشكيل ثقب أسود أكبر. بينما كانوا يزنون في البداية 29 و 36 كتلة شمسية ، كان وزن الوحش الناتج 62 كتلة شمسية. تم إطلاق الكتل الشمسية الثلاث المتبقية (ما يعادل 178.7 مليار تريليون تريليون جول من الطاقة) كموجات ثقالية أثناء الاندماج وما تلاه من حلقة ، عندما يستقر الناتج ليشكل شكلًا مستقرًا. امتد الحدث بأكمله لبضع ثوان ، مما يعني - كما برز ثورن خلال المؤتمر الصحفي - أن خرج الطاقة كان 50 مرة أكثر من ناتج جميع النجوم في الكون مجتمعة.

& # 8220 أروع شيء بالنسبة لي هو أن الإشارة انبعثت منذ حوالي 1.3 مليار سنة. في ذلك الوقت ، لم يكن هناك شكل حياة رئيسي على الأرض. سافرت الإشارة لمدة 1.3 مليار سنة ومرت عبر الأرض في أقل من نصف ثانية ، وقال كاران جاني ، مرشح الدكتوراه في معهد جورجيا للتكنولوجيا والمحلل بالتعاون مع LIGO.

كليفورد بورغيس ، الفيزيائي النظري بجامعة ماكماستر في هاميلتون ، كندا ، سرب رسالة إلكترونية إلى طلابه - تم تعميمها في النهاية على الإنترنت - قبل الإعلان عن أن الإشارات المسجلة في aLIGO كانت ذات دلالة إحصائية تزيد عن 5 سيجما. هذا يعني أن احتمالات أن الاكتشاف كان إشارة خاطئة كانت على الأكثر 1 من 3.5 مليون ، وهو ما يكفي بين علماء الفيزياء لادعاء الاكتشاف.

كملخص للنتائج المصاحبة للإعلان ، & # 8220 نتوقع ظهور حدث قوي مثل GW150914 بالصدفة مرة واحدة فقط في حوالي 200000 عام من هذه البيانات. & # 8221

استغرق الاكتشاف وقتًا طويلاً لأن الجاذبية ، من بين القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة ، هي الأضعف بكثير. نتيجة لذلك ، يكون تأثير موجة الجاذبية أيضًا صغيرًا للغاية ويتطلب أدوات فائقة الحساسية لالتقاطها. في الوقت نفسه ، يجب أن يكون أي كاشف للموجات الثقالية على الأقل بحجم مصدر الموجة التي يكتشفها.

نظرًا لأنه لا يمكن فصل ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض إلا ببضعة كيلومترات قبل تحطيمهما ، فإن أذرع aLIGO & # 8217s يبلغ طولها 4 كيلومترات ، ويتم الحفاظ عليها بفراغ مثالي. تم تكوين أجهزة الليزر والكاشفات لالتقاط التغييرات في طول الفضاء بترتيب من 10 إلى 20 مترًا - وهذا أصغر بحوالي 10000 مرة من نواة ذرة الهيدروجين. تعني هذه الحساسية أن الكاشفات تلتقط الكثير من الضوضاء أيضًا - من المركبات التي تتحرك على السطح في المنطقة المجاورة ، والاضطرابات الزلزالية الطفيفة تحت الأرض ، والاضطرابات التي خلفتها الأحداث الكونية القديمة ، وغيرها من الأنشطة التي لن تكون لأية أغراض أخرى إلى حد كبير & # 8217t يكون مزعجًا.

لذلك حتى عندما يكون ملف حسن النية عند إجراء الكشف ، سيتعين على العلماء تطبيق تقنيات متقدمة لتصفية البيانات لاكتشافها في بحر الضوضاء التي تسجلها أجهزة الكشف. أوضح ساتيا موهاباترا ، فني فريق العمل في مختبر LIGO في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في بوسطن ، أن مجموعات مختلفة ضمن التعاون درست "آلاف القنوات في أدوات LIGO لتوصيف مصادر الضوضاء المختلفة التي يمكن أن تؤثر على إشارة موجة الجاذبية المحتملة". درست مجموعات إضافية أيضًا كيف ستبدو موجات الجاذبية الناشئة من مصادر أخرى غير عمليات اندماج الثقوب السوداء بحيث يمكن ترشيحها بشكل أفضل.

المصدر: LIGO / معهد جورجيا للتكنولوجيا

تابع موهاباترا ، "الشكل الدقيق لموجة الجاذبية التي تأتي من اصطدام ثقبين أسودين ظل بعيد المنال حتى عام 2005 لأن النسبية العامة هي نظرية غير خطية للغاية." في ذلك العام ، "أظهر فرانس بريتوريوس أول محاكاة كاملة لدمج ثقبين أسودين." يعمل بريتوريوس الآن أستاذًا للفيزياء في جامعة برينستون بنيوجيرسي.

لكن ذلك لم يكن نهاية هذا الطريق. الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية لها دوران أيضًا. قال موهاباترا: "لم تتم محاكاة أشكال الأشكال الموجية لتركيبات مختلفة من الكتل والدوران". لذا فإن إعلان 11 فبراير كان نتيجة للتقدم الكبير في الفيزياء الفلكية العددية.

تم التأكد من وجود موجات الجاذبية منذ سبعينيات القرن الماضي ، عندما اكتشف عالمان فلكان من جامعة ماساتشوستس-أمهيرست زوجًا من النجوم النيوترونية التي تدور حول بعضها البعض والتي تقلصت مداراتها بمعدل تنبأت به معادلات أينشتاين للنسبية العامة. استمر علماء الفلك في الفوز بجائزة نوبل للفيزياء عام 1993 لربطهم بفقدان النجوم النيوترونية لطاقة الجاذبية - ربما عن طريق إصدار موجات الجاذبية.

لذا فإن جزءًا كبيرًا من الإثارة الآن ليس لأنه تم اكتشاف الأمواج أخيرًا بشكل مباشر ولكن لأن لدينا الآن أداة يمكنها التحقيق بشكل أعمق في المصادر الغامضة للأمواج نفسها.

على سبيل المثال ، على الرغم من أن أينشتاين كان مقتنعًا بالكيفية التي بدت بها نظريته عن النسبية العامة قادرة على تفسير سلوك الجاذبية في الكون ، إلا أنه لم يكن مرتاحًا لإحدى عواقبه المباشرة: الثقوب السوداء. إن قدرة نزوات الطبيعة هذه على تشويه الزمكان إلى درجة انحناء الإشعاع الكهرومغناطيسي في أنفسهم جعلت من الصعب للغاية دراستها باستخدام التلسكوبات التي "ترى" باستخدام الإشعاع الكهرومغناطيسي.

المناطق المحتملة في السماء الجنوبية حيث يمكن أن تنشأ موجات الجاذبية لـ GW150914 & # 8217. تمثل الألوان فترات ثقة ، ويمثل اللون الأرجواني فرصة بنسبة 90٪ لحدوث الاندماج في حجم المساحة الموجودة داخله والأصفر بنسبة 50٪. المصدر: LIGO / معهد جورجيا للتكنولوجيا

من ناحية أخرى ، "تسمع" مراصد الموجات الثقالية باستخدام طبيعة الجاذبية ، والتي & # 8220 زوجًا لكل شيء ولا يمكن إخفاءها & # 8221 ، وفقًا لغاناشيام ديت ، الأستاذ في معهد العلوم الرياضية ، تشيناي. كما أن تكوين أجهزة كشف مثل aLIGO لاكتشاف الموجات والتحقيق فيها بشكل أفضل يفتح طريقة جديدة لاستكشاف الكون. كما قال David Reitze ، المدير التنفيذي لمختبر LIGO ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، في المؤتمر الصحفي ، & # 8220: هذه هي المرة الأولى التي يتحدث فيها الكون إلينا - من خلال موجات الجاذبية. & # 8221

أولاً ، تتنبأ النسبية العامة بأن موجات الجاذبية يجب أن تنطلق بسرعة الضوء ، مما يعني أن الجسيمات المفترضة التي تحمل طاقة الجاذبية - الجرافيتونات - يجب ألا يكون لها كتلة. وصلت الموجات في GW150914 إلى كاشفات لويزيانا وواشنطن على بعد سبعة آلاف من الثانية ، بما يتفق مع الوقت الذي يستغرقه الضوء لقطع نفس المسافة.

ومع ذلك ، إذا تم اكتشاف أن الموجات ستمر بشكل أبطأ في المستقبل ، فسيتعين على علماء الفيزياء النظرية العودة إلى لوحة الرسم التي يضرب بها المثل للحصول على أفكار جديدة عن جاذبية الجسيمات.

في حالة أخرى ، نظرًا لمدى حساسية الجيل الحالي من LIGO لموجات الجاذبية ، يمكن لعلماء الفلك أيضًا قياس عدد الثقوب السوداء ذات الكتل المختلفة وعدد المرات التي يشاركون فيها في أحداث مكثفة مثل الاندماجات. قال جاني: "كان يُعتقد أن الثقوب السوداء في الفيزياء الفلكية تنتمي إلى فئتين متطرفتين - الثقوب السوداء النجمية التي تزن أقل من 20 كتلة شمسية وتلك الموجودة في مراكز المجرات التي تزن ملايين إلى مليارات الكتل الشمسية". هناك أدلة ظرفية على هذه الثقوب السوداء وكذلك من التلسكوبات التقليدية - وهو ما جعل الاكتشاف الحالي غير مرجح.

أوضح جاني: "لم يكن لدينا حدود فيزيائية فلكية قوية حول ما إذا كانت الثقوب السوداء بهذه الكتل يمكن أن توجد في الكون". يزنون وسيطًا بين 50 و 10 آلاف كتلة شمسية ولم يتم دراستها كثيرًا باستخدام التلسكوبات. لكن في LIGO ، يولدون الإشارات "الأعلى صوتًا". قال جاني: "مع [هذا الاكتشاف] من الثقوب السوداء أخف من الكتلة المتوسطة ، لدينا الآن نطاق سلس من الكتل المحتملة للثقوب السوداء في الكون".

يوجد حاليًا خمسة مراصد للموجات الثقالية: اثنان في الولايات المتحدة وواحد في كل من إيطاليا (برج العذراء) وألمانيا (GEO600) واليابان (KAGRA). المرصد الياباني لديه تقنية كشف مختلفة. وفي الوقت نفسه ، تشكل المراصد الأمريكية والألمانية شبكة من المراصد التي لا تصل إلى حوالي بضع مئات من درجات السماء. أي أن الشبكة لن تكون قادرة على تحديد مصدر موجات الجاذبية من هذه البقعة من السماء.

مواقع كاشفات موجات الجاذبية الحالية ، ومدى بُعد LIGO في الهند. المصدر: LIGO

كما أوضح جاني في سياق GW150914 ، والذي تم تسجيله بواسطة المرصدين الأمريكيين: موجات الجاذبية & # 8220 التي لاحظناها جاءت من 1.2 مليار سنة ضوئية. استنادًا إلى كتلة الثقبين الأسودين ، وكتلة كل منهما تزيد عن 30 مرة كتلة الشمس ، يجب أن & # 8217 قد تشكلت من خلال تطور النجوم الثقيلة جدًا. هذا يعني أن الثقوب السوداء يجب أن تكون مقيمة في بعض المجرات المضيفة ، ولكن من الصعب تحديد موقعها. & # 8221

تم اقتراح العديد من الترقيات لشبكة aLIGO لتصبح أفضل بهذا المعنى. أحدهما هو هوائي الفضاء لمقياس التداخل الليزري المتطور (ELISA) ، ويتألف من ثلاث مركبات فضائية تدور حول الشمس في مثلث متساوي الأضلاع. بسبب المسافات بينهما ، ستكون ELISA قادرة على البحث عن موجات الجاذبية من مصادر كبيرة جدًا. قبل إطلاقها عام 2034 ، تم إطلاق مهمة اختبار تسمى LISA Pathfinder في 3 ديسمبر 2015.

الآخر هو aLIGO في الهند. وفقًا لـ Tarun Souradeep ، من المركز المشترك بين الجامعات لعلم الفلك والفيزياء الفلكية ، Pune ، فإن موقعه سيقلل من النقطة العمياء لشبكة aLIGO بترتيب من حيث الحجم. المشروع ، الذي تبلغ قيمته حوالي 1500 كرور روبية ، يتم تمويله من قبل وزارة الطاقة الذرية وحصل على تصريح من لجنة التخطيط السابقة في خطتها الخمسية الثانية عشرة. في الوقت الحالي ، ينتظر الموافقة من مجلس الوزراء الاتحادي.

في غضون ذلك ، وفي انتظار الاختبارات المستقبلية التي تؤكد الاكتشاف ، فإن إعلان aLIGO هو بلا شك لحظة نوبل. الأمر المشكوك فيه هو من سيتجاهل جائزة نوبل في نهاية المطاف. يضم تعاون LIGO العلمي أكثر من 1000 عالم من 19 دولة ، مع أكثر من 250 معهدًا بحثيًا معنيًا بتطوير التكنولوجيا وتحليل النتائج. يتم تشغيل المراصد من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بوسطن ، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.


يقوم العلماء بأول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية

يتم توفير الصور للتنزيل على موقع مكتب MIT الإخباري للكيانات غير التجارية والصحافة وعامة الجمهور بموجب ترخيص Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. لا يجوز لك تغيير الصور المقدمة ، بخلاف قصها حسب الحجم. يجب استخدام حد ائتمان عند إعادة إنتاج الصور إذا لم يتم توفير أحدها أدناه ، فامنح الصور إلى "MIT".

Previous image Next image

Almost 100 years ago today, Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time that are set off by extremely violent, cosmic cataclysms in the early universe. With his knowledge of the universe and the technology available in 1916, Einstein assumed that such ripples would be “vanishingly small” and nearly impossible to detect. The astronomical discoveries and technological advances over the past century have changed those prospects.

Now for the first time, scientists in the LIGO Scientific Collaboration — with a prominent role played by researchers at MIT and Caltech — have directly observed the ripples of gravitational waves in an instrument on Earth. In so doing, they have again dramatically confirmed Einstein’s theory of general relativity and opened up a new way in which to view the universe.

But there’s more: The scientists have also decoded the gravitational wave signal and determined its source. According to their calculations, the gravitational wave is the product of a collision between two massive black holes, 1.3 billion light years away — a remarkably extreme event that has not been observed until now.

The researchers detected the signal with the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) — twin detectors carefully constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves. Once the researchers obtained a gravitational signal, they converted it into audio waves and listened to the sound of two black holes spiraling together, then merging into a larger single black hole.

“We’re actually hearing them go thump in the night,” says Matthew Evans, an assistant professor of physics at MIT. “We’re getting a signal which arrives at Earth, and we can put it on a speaker, and we can hear these black holes go, ‘Whoop.’ There’s a very visceral connection to this observation. You’re really listening to these things which before were somehow fantastic.”

By further analyzing the gravitational signal, the team was able to trace the final milliseconds before the black holes collided. They determined that the black holes, 30 times as massive as our sun, circled each other at close to the speed of light before fusing in a collision and giving off an enormous amount of energy equivalent to about three solar masses — according to Einstein’s equation E=mc 2 — in the form of gravitational waves.

“Most of that energy is released in just a few tenths of a second,” says Peter Fritschel, LIGO’s chief detector scientist and a senior research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “For a very short amount of time, the actual power in gravitational waves was higher than all the light in the visible universe.”

These waves then rippled through the universe, effectively warping the fabric of space-time, before passing through Earth more than a billion years later as faint traces of their former, violent origins.

“It’s a spectacular signal,” says Rainer Weiss, a professor emeritus of physics at MIT. “It’s a signal many of us have wanted to observe since the time LIGO was proposed. It shows the dynamics of objects in the strongest gravitational fields imaginable, a domain where Newton’s gravity doesn’t work at all, and one needs the fully non-linear Einstein field equations to explain the phenomena. The triumph is that the waveform we measure is very well-represented by solutions of these equations. Einstein is right in a regime where his theory has never been tested before.”

The new results are published today in the journal Physical Review Letters.

“Magnificently in alignment”

The first evidence for gravitational waves came in 1974, when physicists Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of neutron stars, 21,000 light years from Earth, that seemed to behave in a curious pattern. They deduced that the stars were orbiting each other in such a way that they must be losing energy in the form of gravitational waves — a detection that earned the researchers the Nobel Prize in physics in 1993.

Now LIGO has made the first direct observation of gravitational waves with an instrument on Earth. The researchers detected the gravitational waves on September 14, 2015, at 5:51 a.m. EDT, using the twin LIGO interferometers, located in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington.

Each L-shaped interferometer spans 4 kilometers in length and uses laser light split into two beams that travel back and forth through each arm, bouncing between precisely configured mirrors. Each beam monitors the distance between these mirrors, which, according to Einstein’s theory, will change infinitesimally when a gravitational wave passes by the instrument.

“You can almost visualize it as if you dropped a rock on the surface of a pond, and the ripple goes out,” says Nergis Malvalvala, the Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics at MIT. “[It’s] something that distorts the space time around it, and that distortion propagates outward and reaches us on Earth, hundreds of millions of years later.”

Last March, researchers completed major upgrades to the interferometers, known as Advanced LIGO, increasing the instruments’ sensitivity and enabling them to detect a change in the length of each arm, smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton. By September, they were ready to start observing with them.

“The effect we’re measuring on Earth is equivalent to measuring the distance to the closest star, Alpha Centauri, to within a few microns,” Evans says. “It’s a very tough measurement to make. Einstein expected this to never have been pulled off.”

Nevertheless, a signal came through. Using Einstein’s equations, the team analyzed the signal and determined that it originated from a collision between two massive black holes.

“We thought it was going to be a huge challenge to prove to ourselves and others that the first few signals that we saw were not just flukes and random noise,” says David Shoemaker, director of the MIT LIGO Laboratory. “But nature was just unbelievably kind in delivering to us a signal that’s very large, extremely easy to understand, and absolutely, magnificently in alignment with Einstein’s theory.”

For LIGO’s hundreds of scientists, this new detection of gravitational waves marks not only a culmination of a decades-long search, but also the beginning of a new way to look at the universe.

“This really opens up a whole new area for astrophysics,” Evans says. “We always look to the sky with telescopes and look for electromagnetic radiation like light, radio waves, or X-rays. Now gravitational waves are a completely new way in which we can get to know the universe around us.”

Tiny detection, massive payoff

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of some 950 scientists at universities around the United States, including MIT, and in 15 other countries. The LIGO Observatories are operated by MIT and Caltech. The instruments were first explored as a means to detect gravitational waves in the 1970s by Weiss, who along with Kip Thorne and Ronald Drever from Caltech proposed LIGO in the 1980s.

“This has been 20 years of work, and for some of us, even more,” Evans says. “It’s been a long time working on these detectors, without seeing anything. So it’s a real sea change and an interesting psychological change for the whole collaboration.”

“The project represents a triumph for federally funded research,” says Maria Zuber, vice president for research and E. A. Griswold Professor of Geophysics at MIT. “LIGO is an example of a high-risk, high-return investment in discovery-driven science. In this case the investment was major and sustained over many years, with a successful outcome far from assured. But the scientific payoff is shaping up to be extraordinary. While the discoveries reported here are already magnificent, they represent the tip of the iceberg of what will be learned about fundamental physics and the nature of the universe.”

The LIGO Observatories are due for more upgrades in the near future. Currently, the instruments are performing at one-third of their projected sensitivity. Once they are fully optimized, Shoemaker predicts that scientists will be able to detect gravitational waves emanating “from the edge of the universe.”

“In a few years, when this is fully commissioned, we should be seeing events from a whole variety of objects: black holes, neutron stars, supernova, as well as things we haven’t imagined yet, on the frequency of once a day or once a week, depending on how many surprises are out there.” Shoemaker says. “That’s our dream, and so far we don’t have any reason to know that that’s not true.”

As for this new gravitational signal, Weiss, who first came up with the rudimentary design for LIGO in the 1970s as part of an experimental exercise for one of his MIT courses, sees the tiny detection as a massive payoff.

“This is the first real evidence that we’ve seen now of high-gravitational field strengths: monstrous things like stars, moving at the velocity of light, smashing into each other and making the geometry of space-time turn into some sort of washing machine,” Weiss says. “And this horrendously strong thing made a very tiny effect in our apparatus, a relative motion of 10 to the minus 18 meters between the mirrors in the interferometer arms. It’s sort of unbelievable to think about.”