Gelombang baru gelombang gravitasi | ruang

SebuahSekitar 10 miliar triliun triliun milidetik Pada awal penciptaan dalam Big Bang, alam semesta diperkirakan telah mengalami percepatan pertumbuhan yang singkat namun sangat cepat. Peristiwa ini, yang disebut inflasi, begitu dahsyat sehingga struktur ruang dan waktu disetel menjadi gelombang gravitasi (GWs). Sebagai perbandingan, GW yang pertama kali ditemukan enam tahun lalu membuat percikan besar yang merupakan urusan kecil dari tabrakan lubang hitam. Tapi sekarang para ilmuwan ada di Eropa ruang ESA menargetkan target yang lebih besar—dan berharap untuk segera dapat mendeteksi gema samar dari rasa sakit kelahiran inflasi alam semesta, kira-kira 14 miliar tahun setelah peristiwa itu, menggunakan instrumen terbesar yang pernah dibuat. Ratusan kali lebih besar dari Bumi, detektor gelombang gravitasi yang direncanakan Esa akan melayang di ruang angkasa dan mencari osilasi dalam ruang-waktu yang disebabkan oleh semua jenis kejang astrofisika masif.

GW pertama diidentifikasi pada tahun 2015 oleh Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), sebuah proyek internasional yang sukses memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2017 kepada tiga pendukung utamanya. Ligo terdiri dari dua detektor besar di negara bagian Washington dan Louisiana, AS. Mereka masing-masing menyebarkan dua terowongan 2,5 mil (4 kilometer), yang berpotongan di sudut kanan, di mana sinar laser berjalan di sepanjang cermin di ujung jauh dan kemudian memantul kembali. Gelombang cahaya yang kembali berinterferensi satu sama lain saat lengan berpotongan. Ketika GW melewatinya, ia menyusut sangat sedikit atau meregangkan ruang-waktu. Karena efek ini akan berbeda di setiap lengan, itu mengubah sinkronisasi gelombang cahaya, dan dengan demikian mengubah interferensi kedua sinar.

LEGO tidak sendirian. Penemuan GW kedua pada Hari Natal 2015 kemudian dikonfirmasi bekerja sama dengan detektor Eropa Virgo, yang berbasis di Italia. Sebuah detektor di Jepang, yang disebut Kagra, mulai beroperasi awal tahun lalu, dan perangkat lain direncanakan di India dan China.

Sebagian besar lubang hitam yang terlihat sejauh ini tampaknya disebabkan oleh tabrakan dua lubang hitam. Bintang-bintang ini terdiri dari bintang-bintang berkali-kali lebih besar dari matahari kita, yang telah terbakar dan runtuh di bawah pengaruh gravitasinya sendiri. Menurut teori relativitas umum Albert Einstein, yang menggambarkan gravitasi sebagai distorsi ruang-waktu yang disebabkan oleh massa, keruntuhan dapat berlanjut sampai tidak ada yang tersisa kecuali “singularitas” yang sangat padat, yang menghasilkan medan gravitasi yang begitu kuat sehingga bahkan cahaya pun tidak dapat. melarikan diri. dari dia.

Jika dua lubang hitam bertabrakan karena tarikan gravitasi satu sama lain, mereka dapat mengorbit satu sama lain dan secara bertahap meruncing ke dalam sampai mereka bersatu. Relativitas umum meramalkan lebih dari seabad yang lalu bahwa peristiwa semacam itu akan mengirimkan gelombang GW melalui alam semesta, meskipun tidak ada bukti langsung untuk mereka sampai penemuan LIGO. Mereka juga dapat disebabkan oleh fenomena astrofisika ekstrem lainnya, seperti penggabungan bintang neutron: bintang-bintang yang menyala kurang masif daripada lubang hitam yang telah menghentikan keruntuhannya pada titik di mana mereka terdiri dari materi yang sangat padat sehingga bidal seseorang memiliki berat hingga 50m. gajah.

GW juga dapat dihasilkan oleh objek yang jauh lebih besar. Di pusat galaksi kita, dan banyak galaksi lainnya, terdapat lubang hitam supermasif beberapa juta kali massa matahari kita, terbentuk dari bintang-bintang yang runtuh dan awan gas dan debu kosmik. Objek yang mengepul ke lubang hitam supermasif ini menghasilkan GW yang berosilasi pada frekuensi yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih panjang daripada gelombang penggabungan lubang hitam kecil yang dilihat oleh Ligo dan Virgo.

Detektor berbasis darat tidak dapat menentukan hal-hal ini – ini akan seperti mencoba menangkap ikan paus dalam mangkuk lobster. Untuk melihatnya, detektor interferometri akan membutuhkan lengan yang lebih panjang. Ini rumit, karena setiap lengan saluran harus panjang, lurus, dan bebas dari getaran apa pun. Jadi para peneliti berencana untuk membuat gyots frekuensi rendah di luar angkasa. Yang paling canggih dari rencana ini adalah perangkat yang sekarang sedang dibuat untuk Esa: a: Interferometer laser antena luar angkasa (Lisa).

LISA akan mengirim laser dari pesawat ruang angkasa untuk memantul dari cermin yang mengambang bebas di dalam pesawat ruang angkasa lain. Menggunakan tiga pesawat ruang angkasa, Anda dapat membuat struktur berbentuk L lengan ganda seperti Ligo. Tapi lengan tidak harus berada di sudut kanan: Sebagai gantinya, Lisa akan menempatkan tiga pesawat ruang angkasanya beberapa juta mil jauhnya di sudut segitiga, dengan setiap sudut menjadi salah satu dari tiga detektor. Seluruh kelompok akan mengikuti orbit Bumi, membuntuti planet kita sekitar 30 meter.

Untuk menguji kelayakan melakukan interferometri laser di luar angkasa, pada tahun 2015 Esa meluncurkan proyek percontohan yang disebut Lisa Pathfinder – Pesawat ruang angkasa mendemonstrasikan teknologi dalam skala kecil. misi, Selesai pada tahun 2017, itu “menakjubkan kita,” kata Issa Paul McNamara, yang merupakan ilmuwan proyek yang menjalankan misi tersebut. “Itu memenuhi persyaratan kami pada hari pertama, tanpa modifikasi atau tidak sama sekali.” Dia menunjukkan bahwa cermin yang mengambang di dalam pesawat ruang angkasa dapat tetap diam, berosilasi tidak lebih dari seperseribu ukuran atom tunggal. Agar tetap stabil, pesawat ruang angkasa menggunakan pendorong kecil untuk merespons gaya dari cahaya yang datang dari matahari.

Dengan kata lain, McNamara mengatakan, “Pesawat ruang angkasa kami lebih stabil daripada ukuran virus corona.” Dan itu juga, karena LISA perlu mendeteksi perubahan panjang lengan yang, karena GW, adalah sepersepuluh lebar atom lebih dari satu juta mil.

Namun, pelepasan Lisa tidak akan terjadi setidaknya selama satu dekade. “Kami memiliki tiga satelit untuk dibangun, dan masing-masing memiliki banyak bagian,” kata McNamara. “Ini hanya membutuhkan waktu – dan itu adalah salah satu fakta yang disayangkan dari tugas yang sangat kompleks.” Tonggak sejarah berikutnya adalah “pengadopsian resmi misi,” diharapkan pada tahun 2024. “Pada titik ini, kita akan mengetahui rincian misi, dan negara anggota ESA dan Amerika Serikat yang berkontribusi apa, dan berapa biayanya, ” kata astrofisikawan Emmanuel Berti dari Jones University. Hopkins di Baltimore.

Jepang dan China juga dalam tahap awal perencanaan detektor ruang GW. McNamara melihat ini bukan sebagai kompetisi, tetapi sebagai hal yang baik – karena dengan lebih dari satu detektor memungkinkan untuk menggunakan triangulasi untuk menentukan sumber gelombang.

“Lisa akan mengubah astronomi GW dengan cara yang hampir sama dengan melampaui cahaya tampak [to radio waves, X-rays etc] Itu adalah game-changer dalam astronomi biasa, “kata Bertie. “Dia akan melihat kelas yang berbeda dari sumber GW.” Dengan mempelajari penggabungan lubang hitam supermasif, katanya, “kami berharap dapat memahami banyak tentang pembentukan struktur di alam semesta, dan tentang gravitasi itu sendiri.” Lisa telah melihat GW “primitif” dari inflasi di awal Big Bang, jadi ini mungkin menguji teori tentang bagaimana semuanya dimulai.

TBerikut mungkin cara lain untuk melihat GW frekuensi rendah yang tidak memerlukan detektor yang dibuat khusus sama sekali. Kolaborasi yang disebut North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) menggunakan pengamatan yang dilakukan oleh jaringan global teleskop radio untuk mencari efek GW pada waktu “jam kosmik” yang disebut pulsar.

Pulsar mengorbit dengan cepat di sekitar bintang neutron yang mengirimkan sinar gelombang radio yang intens dari kutubnya, menyapu langit seperti sinar mercusuar. Sinyal pulsa sangat teratur dan dapat diprediksi. “Jika GW lewat antara pulsar dan Bumi, itu mendistorsi ruang-waktu yang tumpang tindih,” kata anggota tim NanoGrav Stephen Taylor dari Vanderbilt University di Tennessee, menyebabkan pulsa tiba lebih cepat atau lebih lambat dari yang diharapkan.

Bahkan, pulsar menjadi detektor. Seperti yang dikatakan anggota tim NanoGrav Julie Comerford dari University of Colorado di Boulder, ini memberikan lengan “detektor” sepanjang jarak antara Bumi dan pulsar: mungkin ribuan tahun cahaya. Karena ukurannya yang tipis ini, sinyal yang dapat dideteksi oleh NanoGrav memiliki panjang gelombang yang sangat panjang dan frekuensi yang sangat rendah, bahkan di luar jangkauan LISA dan dihasilkan oleh lubang hitam supermasif miliaran kali lebih besar dari Matahari, yang bergabung saat seluruh galaksi bertabrakan. . Taylor mengatakan tidak ada detektor lain yang bisa merasakannya. Meskipun bencana yang tak terbayangkan, integrasi ini sebenarnya cukup umum, dan NanoGrav akan memiliki jenis hype yang banyak dibuat. “Di seluruh alam semesta, ada pasangan lubang hitam supermasif yang mengorbit satu sama lain dan menghasilkan gigawatt,” kata Commerford. “Riak-riak ini menghasilkan lautan GW yang kita goyangkan.”

Pada bulan Januari, tim NanoGrav dipimpin oleh peneliti postdoctoral Comerford Joseph Simon di Colorado Laporkan kemungkinan penemuan pertama dari latar belakang GW ini. Meskipun lebih banyak pekerjaan diperlukan untuk memverifikasi bahwa sinyal tersebut memang disebabkan oleh GW, Commerford menyebut hasilnya sebagai “hasil astrofisika paling menarik yang pernah saya lihat dalam beberapa tahun terakhir.”

Jika NanoGrav sebenarnya menggunakan detektor GW yang berukuran beberapa tahun cahaya, fisikawan Sougato Bose dari University College London berpikir kita dapat membuatnya cukup kecil untuk muat di dalam lemari. Idenya didasarkan pada salah satu efek yang lebih tidak biasa dari teori kuantum, yang umumnya menggambarkan objek yang sangat kecil seperti atom. Objek kuantum dapat ditempatkan dalam apa yang disebut superposisi, yang berarti bahwa sifat-sifatnya tidak ditentukan secara unik sampai mereka diukur: lebih dari satu hasil dimungkinkan.

Ilmuwan kuantum dapat secara rutin menempatkan atom ke dalam superposisi kuantum – tetapi perilaku aneh seperti itu menghilang untuk objek besar seperti bola sepak, yang ada di sini atau di sana terlepas dari apakah kita melihat atau tidak. Sejauh yang kami tahu, bukan berarti superposisi tidak mungkin untuk sesuatu yang sebesar ini – tidak mungkin untuk mempertahankannya cukup lama untuk dideteksi, karena superposisi mudah dihancurkan oleh interaksi apa pun dengan lingkungan objek.

Bose dan rekan menyarankan bahwa jika kita dapat membuat superposisi kuantum dari objek berukuran sedang antara atom dan bola — kristal kecil berdiameter sekitar seratus nanometer, seukuran partikel virus besar — ​​superposisi akan sangat berisiko sehingga sensitif terhadap GW sementara. Faktanya, dua keadaan potensial superposisi kuantum dapat dibuat tumpang tindih seperti dua gelombang cahaya — dan distorsi ruang-waktu yang diinduksi GW akan muncul sebagai perubahan dalam interferensi ini.

Bose berpikir bahwa nanocrystals berlian yang disimpan dalam kekosongan kosong lebih dari luar angkasa dan didinginkan dalam filamen nol mutlak dapat disimpan dalam superposisi cukup lama untuk melakukan trik. Ini tidak akan mudah, tetapi dia mengatakan semua tantangan teknis sudah disajikan secara individual – ini masalah menyatukan semuanya. “Saya tidak melihat halangan untuk melakukan itu selama 10 tahun ke depan, jika ada dana yang cukup,” katanya.

Jika ini dan perkembangan lainnya mengarah pada ledakan astronomi GW, apa yang akan kita lihat? “Ketika Anda membuka jendela baru di alam semesta, Anda biasanya melihat hal-hal yang tidak Anda harapkan,” kata McNamara. Selain melihat lebih banyak jenis peristiwa yang sudah kami ketahui menyebabkan GW, kami mungkin mendapatkan sinyal yang tidak dapat kami jelaskan dengan mudah. “Saat itulah kesenangan dimulai,” kata McNamara.