la mijlocul anilor 1980, Bernard Schutz a venit cu o nouă soluție la una dintre cele mai vechi probleme ale astronomiei: cum se măsoară distanța de la pământ la alte obiecte din cosmos. Timp de generații, cercetătorii s-au bazat pe luminozitatea unui obiect ca un indicator dur pentru Distanța sa. Dar această abordare poartă complicații nesfârșite. Dim, stelele din apropiere, de exemplu, se pot deghiza ca cele strălucitoare care sunt mai departe.,Schutz, fizician la Universitatea din Cardiff, Marea Britanie, și-a dat seama că undele gravitaționale ar putea oferi răspunsul. Dacă detectoarele ar putea măsura aceste valuri în spațiu — timp, emanând din interacțiunea perechilor de obiecte îndepărtate, oamenii de știință ar avea toate informațiile necesare pentru a calcula cât de puternic a fost semnalul să înceapă-și deci cât de departe trebuie să fi călătorit undele pentru a ajunge pe Pământ. Astfel, a prezis el, undele gravitaționale ar putea fi markeri neechivoci ai cât de repede se extinde universul., ideea lui era elegantă, dar nepractică: nimeni la acea vreme nu putea detecta undele gravitaționale. Dar, în August anul trecut, Schutz a avut în sfârșit ocazia de a testa acest concept atunci când reverberațiile unei fuziuni vechi de 130 de milioane de ani între două stele neutronice au trecut prin detectoarele de unde gravitaționale de pe Pământ. Ca noroc, evenimentul a avut loc într-o galaxie relativ apropiată, producând o primă măsură mult mai curată decât visase Schutz. Cu acel punct de date, Schutz a putut arăta că tehnica sa ar putea deveni una dintre cele mai fiabile pentru măsurarea distanței., „A fost greu de crezut”, spune Schutz. „Dar acolo a fost.mai multe fuziuni de genul acesta ar putea ajuta cercetătorii să rezolve o dezbatere continuă cu privire la cât de repede se extinde universul în prezent. Dar cosmologia este doar o disciplină care ar putea face câștiguri mari prin detectarea undelor gravitaționale în următorii ani., Cu o mână de descoperiri deja sub centurile lor, gravitational-wave oamenii de stiinta au o listă lungă de ceea ce așteaptă ei de mai multe date pentru a aduce, inclusiv o perspectivă asupra originilor Universului, găurile negre; condiții extreme în interiorul stele neutronice; o cronică a modului în Univers structurat în sine în galaxii; și cele mai stricte teste încă de Albert Einstein teoria relativitatii generale a lui. Undele gravitaționale ar putea oferi chiar o fereastră în ceea ce sa întâmplat în primele câteva momente după Big Bang.,
cercetătorii vor începe în curând să lucreze pe această listă, cu ajutorul Observatorului cu interferometru laser din SUA (LIGO), Observatorul Virgo de lângă Pisa, Italia și un detector similar din Japonia care ar putea începe să facă observații anul viitor. Ei vor primi un impuls suplimentar de spațiu pe bază de interferometre, și de cele terestre, care sunt încă pe placa de desen, precum și de alte metode care ar putea, în curând începe să producă propriile lor prima detectarea undelor gravitaționale (a se vedea ‘gravitational-wave spectru de frecvențe).,
Like many scientists, Schutz hopes that the best discoveries will be ones that no theorist has even dreamed of., „De fiecare dată când începi să observi ceva atât de radical nou, există întotdeauna posibilitatea de a vedea lucruri la care nu te așteptai.pentru un domeniu de cercetare care nu are încă trei ani, astronomia undelor gravitaționale a oferit descoperiri într-un ritm uluitor, depășind chiar și cele mai roșii așteptări. Pe lângă descoperirea în August a fuziunii neutron-star, LIGO a înregistrat cinci perechi de găuri negre care se coalizează în cele mai mari din 2015 (a se vedea „efectuarea valurilor”)., Descoperirile sunt cea mai directă dovadă încă că găurile negre există cu adevărat și au proprietățile prezise de relativitatea generală. De asemenea, au dezvăluit, pentru prima dată, perechi de găuri negre care se orbitează reciproc.
cercetătorii speră acum să afle cum au apărut astfel de împerecheri. Găurile negre individuale din fiecare pereche ar trebui să se formeze atunci când stelele masive rămân fără combustibil în miezul lor și se prăbușesc, declanșând o explozie de supernovă și lăsând în urmă o gaură neagră cu o masă cuprinsă între câteva și câteva zeci de sori.,
Sursa: LIGO/FECIOARA; Design de Nik Spencer/Natura
Există două scenarii de conducere pentru modul în care astfel de găuri negre ar putea veni la cerc reciproc: ei ar putea să înceapă cât mai masive stele în orbita celuilalt, și să rămână împreună chiar și după fiecare merge supernova. Sau, găurile negre s — ar putea forma independent, dar ar putea fi conduse împreună mai târziu de interacțiunile gravitaționale frecvente cu alte obiecte-lucru care s-ar putea întâmpla în centrele clusterelor dense de stele., în orice caz, energia obiectelor se dispersează treptat sub formă de unde gravitaționale, proces care trage perechea într-o spirală din ce în ce mai strânsă și mai rapidă, fuzionând în cele din urmă într-o gaură neagră masivă. Ilya Mandel, astrofizician teoretic la Universitatea din Birmingham, Marea Britanie, spune că pentru ca LIGO și Fecioara să vadă că astfel de perechi se îmbină, găurile negre tipice trebuie să fi început orbita reciprocă separată de o distanță mai mică de un sfert decât cea dintre Pământ și soare., „Dacă începeți cu cele două găuri negre mai departe, va dura mai mult decât vârsta universului” pentru ca acestea să se contopească, spune Mandel.cele cinci fuziuni de găuri negre descoperite până acum nu sunt suficiente pentru a determina care scenariu de formare domină. Dar, într-un August analiză a primelor trei detectii, un grup, inclusiv Mandel și Va Farr, un teoretice astrofizician și LIGO membru de la Universitatea din Birmingham, a sugerat că doar zece mai multe observații ar putea oferi dovezi substanțiale în favoarea unui scenariu sau other1., Acest lucru ar implica examinarea undele gravitaționale pentru indicii despre cum găurile negre roti: cele care pereche după formarea independent ar trebui să aibă orientate aleatoriu de rotiri, întrucât cei cu o origine comună ar trebui să aibă spin axe sunt paralele între ele și perpendicular pe planul în care au orbit. observații suplimentare ar putea oferi, de asemenea, o perspectivă asupra unor întrebări fundamentale despre formarea găurilor negre și evoluția stelară., Colectarea multor măsurători ale maselor ar trebui să dezvăluie lacune — intervale în care există puține sau deloc găuri negre, spune Vicky Kalogera, astrofizician LIGO la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois. În special, „ar trebui să existe o cantitate mică de găuri negre la capătul cu masă mică”, spune ea, deoarece supernovele relativ mici tind să lase în urmă stele neutronice, nu găuri negre, ca rămășițe. Și la capătul înalt — de aproximativ 50 de ori masa Soarelui — cercetătorii se așteaptă să vadă o altă întrerupere., În cazul stelelor foarte mari, se crede că presiunile din miez produc în cele din urmă antimaterie, provocând o explozie atât de violentă încât steaua se dezintegrează pur și simplu fără a lăsa niciun rest. Aceste evenimente, numite supernove de instabilitate a perechilor, au fost teoretizate, dar până acum au existat puține dovezi observaționale care să le susțină.în cele din urmă, detectările găurilor negre vor delimita o hartă a Universului în modul în care sondajele galaxiilor fac în prezent, spune Rainer Weiss, fizician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts din Cambridge, care a fost designerul principal al LIGO., Odată ce numerele se adună, „putem începe să vedem întregul univers în găuri negre”, spune el. „Fiecare bucată de Astrofizică va obține ceva din asta.pentru a intensifica aceste observații, LIGO și Fecioara au planuri de a-și îmbunătăți sensibilitatea, ceea ce va dezvălui nu numai mai multe evenimente, ci și mai multe detalii despre fiecare fuziune. Printre alte lucruri, fizicienii sunt dornici de a vedea detaliat ‘ringdown’ valuri ca un post-fuziune gaură neagră emană cum se stabilește într-o formă sferică — o observație care ar putea dezvălui fisuri în teoria generală a relativității.,
a avea mai multe observatoare răspândite pe tot globul va fi, de asemenea, crucial. KAGRA, un detector aflat în construcție în subteran în Japonia, ar putea începe să strângă date până la sfârșitul anului 2019. Locația — și, în special, orientarea acesteia cu privire la valurile de intrare — se va completa LIGO și Fecioara, și permite cercetătorilor să unghii jos de polarizare a undelor gravitaționale, care codifică informații despre orientarea de planul orbital și de spin de spirală obiecte., Și India intenționează să construiască un alt observator în următorul deceniu, realizat parțial cu componente de rezervă de la LIGO.un tezaur și mai mare de descoperiri ar putea proveni din observarea fuziunilor neutron-star. Până în prezent, cercetătorii au anunțat doar o astfel de detectare, numită GW170817. Acest semnal, văzut în August anul trecut, a fost aproape sigur cel mai intens studiat eveniment din istoria astronomiei. Și a rezolvat o serie de mistere de lungă durată într-o singură lovitură, inclusiv originea aurului și a altor elemente grele din Univers2, precum și cauza unor explozii de raze γ3.,observațiile suplimentare ar putea permite oamenilor de știință să exploreze interioarele acestor obiecte. Stelele neutronice sunt considerate a fi la fel de dense pe cât poate fi Materia fără a se prăbuși într-o gaură neagră, dar exact cât de densă este presupunerea oricui. Niciun experiment de laborator nu poate studia aceste condiții și există zeci de propuneri pentru ceea ce se întâmplă acolo. Unele teorii prezic că quarcii-componentele subatomice care alcătuiesc protoni și neutroni — ar trebui să se desprindă unul de celălalt și să se plimbe, probabil în stări supraconductoare, superfluide., Alții afirmă că se formează cuarci mai grei, „ciudați” și devin parte a verișorilor exotici ai neutronului. fixarea razelor stelelor neutronice ar putea permite Fizicienilor să evalueze teoriile, deoarece prezic diferite „ecuații de stare” — formule care leagă presiunea, temperatura și densitatea materiei. Astfel de ecuații determină în ce măsură Materia poate fi comprimată, și astfel cât de largă sau îngustă va fi o stea neutronică pentru o anumită masă și cât de masive pot obține astfel de stele.,
100-a doua-mult semnal în luna August, în cele din urmă a devenit prea mare în teren pentru LIGO si Fecioara pentru a detecta, care a împiedicat observatoare de a vedea două stele neutronice finală de momente, atunci când acestea ar trebui să au deformat reciproc în moduri care ar fi dezvăluit dimensiunea lor și duritate, sau rezistență la compresiune. Totuși, spune B. S., Sathyaprakash, un LIGO fizician teoretician la Universitatea de Stat din Pennsylvania în University Park, de la acel eveniment, „putem exclude ecuații de stare care permite neutron star dimensiuni mai mari de 15 km în raza” — o cifră care este în concordanță cu alte măsurători și favorizează mai „soft” contează.detectările viitoare — și detectoarele-vor oferi mult mai multe detalii. Sathyaprakash spune că telescopul Einstein, un posibil observator de generație următoare visat de o echipă din Europa, ar putea duce fizicienii cu mult peste o limită superioară., „Vrem să putem fixa raza la nivelul de 100 de metri”, spune el — o precizie care ar fi uluitoare, având în vedere că aceste obiecte se află la milioane de ani lumină distanță. semnalele similare cu GW170817, observate atât prin unde gravitaționale, cât și prin lumină, ar putea avea implicații dramatice pentru Cosmologie. Schutz calculate în 1985 că frecvența, sau teren, de valuri de spirală obiecte, împreună cu rata la care creșterea pitch, dezvăluie informații despre obiectele colective mass4., Asta determină cât de puternice ar trebui să fie valurile lor la sursă. Măsurând puterea undelor care ajung pe Pământ-amplitudinea semnalului recepționat efectiv de interferometre-se poate estima apoi distanța pe care undele au parcurs-o de la sursă. Toate celelalte lucruri fiind egale, o sursă care este de două ori mai departe, de exemplu, va produce un semnal pe jumătate mai puternic., Acest tip de semnal a fost numit o sirenă standard, dând din cap unei metode comune de măsurare a distanțelor în cosmologie: stelele numite lumânări standard au o luminozitate binecunoscută, care permite cercetătorilor să-și descopere distanța față de pământ.
De cuplare la distanță de măsurare de GW170817 cu o estimare a cât de repede galaxii din acea regiune s-au retras de pe Pământ, Schutz și colaboratorii săi au făcut o nouă și complet independent de estimare a constanta Hubble — Universul este rata actuală de expansiune (a se vedea ‘Cosmic indicatoare’)., La result5, parte dintr-o cultură de documente eliberate de LIGO, Fecioara și unele alți 70 de astronomie echipe pe 16 octombrie, „intră într-o nouă eră, atât pentru cosmologie și astrofizică”, spune Wendy Freedman, un astronom de la Universitatea din Chicago din Illinois care a făcut extrem de precise măsurători de constanta Hubble, folosind timp-onorat, dar mai puțin directă, tehnici.,
Credit: Nik Spencer/Natura
Ca o consecință directă și independentă de măsură constantă, standard sirenele ar putea contribui la soluționarea unui dezacord între cosmologii. Tehnicile de ultimă generație, rafinate de-a lungul a aproape un secol de muncă care a început cu Edwin Hubble însuși, oferă acum estimări care diferă cu câteva procente., Această primă măsurare standard-sirenă nu rezolvă tensiunea: rata de expansiune pe care o prezice cade undeva în mijlocul intervalului și, deoarece se bazează pe un singur eveniment de fuziune, are o bară de eroare mare. Dar, în viitor, cercetătorii se așteaptă ca sirenele standard să doboare Constanta Hubble cu o eroare mai mică de 1%. Până în prezent, lumânările standard au făcut-o cu precizii de 2-3%.,sirenele Standard ar putea deveni instrumente și mai puternice cu interferometre spațiale, cum ar fi antena spațială cu interferometru Laser (LISA), un trio de sonde pe care Agenția Spațială Europeană, care conduce misiunea, intenționează să le lanseze în anii 2030. LISA este proiectată să fie sensibilă la undele de joasă frecvență pe care observatoarele de la sol nu le pot detecta. Acest lucru i-ar oferi acces la sisteme mai masive, care radiază unde gravitaționale mai puternice., În principiu, LISA ar putea ridica sirene din întregul univers și, cu ajutorul telescoapelor convenționale, măsura nu doar rata actuală de expansiune cosmică, ci și modul în care această rată a evoluat prin eoni. Astfel, LISA ar putea ajuta la rezolvarea celui mai mare puzzle al cosmologiei: natura energiei întunecate, componenta cosmică încă neidentificată care determină accelerarea expansiunii universului.,
în timp ce interferometrele de la sol detectează evenimente scurte și îndepărtate, LISA este de așteptat să audă o cacofonie de semnale de îndată ce se aprinde, inclusiv un cor constant de pitice albe binare strânse-rămășițele omniprezente ale stelelor de dimensiuni solare — în propria noastră galaxie. „E ca și cum am trăit într-o pădure zgomotos, și a trebuit să ne individualizeze sunete de păsări individuale”, spune astrofizicianul Monica Colpi de la Universitatea din Milano–Bicocca din Italia, care este parte dintr-un comitet stabilirea misiunii științei obiective., Ocazional, LISA ar trebui să vadă fuziuni cu găuri negre, cum ar fi cele pe care le face LIGO, dar la o scară mult mai mare. Se crede că majoritatea galaxiilor adăpostesc o gaură neagră supermasivă centrală care cântărește milioane sau chiar miliarde de mase solare. Pe o scară de miliarde de ani, galaxiile s-ar putea contopi de mai multe ori; în cele din urmă, găurile lor negre Centrale s-ar putea contopi și ele. Aceste evenimente nu sunt frecvente pentru galaxiile individuale, ci pentru că există trilioane de galaxii în universul observabil, o fuziune detectabilă ar trebui să aibă loc undeva cel puțin de câteva ori pe an., Oamenii de știință urmăresc, de asemenea, un mod separat de detectare a undelor gravitaționale de la perechi de acești behemoți în stadiile anterioare ale orbitelor lor. Folosind telescoape radio, monitorizează pulsarii din Calea Lactee și caută mici variații ale semnalelor lor, cauzate de trecerea undelor gravitaționale prin galaxie. Astăzi, există trei „matrice pulsar-sincronizare”, în Australia, Europa și America de Nord, și un al patrulea formarea în China.,datorită sensibilității planificate a Lisei și a semnalelor puternice produse de spiralizarea găurilor negre supermasive, observatorul ar trebui să poată detecta undele gravitaționale din perechi de găuri negre supermasive cu câteva luni înainte de a fuziona și să vadă fuziunea suficient de detaliat pentru a testa relativitatea generală cu mare precizie. După ani de funcționare, LISA ar putea acumula suficiente evenimente îndepărtate pentru ca cercetătorii să reconstruiască formarea ierarhică a galaxiilor — cât de mici s — au combinat pentru a forma cele mai mari și mai mari-în istoria Universului., pe teren, de asemenea, fizicienii încep unele „mari noi asociații”, spune Weiss. O echipa SUA prevede un Explorator Cosmic cu 40 km detectarea de arme — de 10 ori mai mult ca LIGO s — ar fi sensibile la semnalele de la evenimente mult mai departe, poate peste întregul Univers observabil. conceptul pentru telescopul Einstein din Europa necesită un detector cu brațe de 10 kilometri dispuse într-un triunghi echilateral și plasate în tuneluri la 100 de metri sub pământ., Condițiile de liniște de acolo ar putea ajuta la lărgirea razei observatorului, la frecvențe de o zecime din cele detectabile de mașinile actuale. Care ar putea permite oamenilor de știință să găsească găuri negre dincolo de intervalul considerat a fi interzisă de pereche-instabilitate supernova; la destul de mare maselor, stelele ar trebui să aibă o altă mecanismul de colaps și de a fi capabil de a forma găuri negre de 100 de mase solare sau mai mult.
dacă oamenii de știință au noroc, undele gravitaționale ar putea chiar să le permită să acceseze fizica Big Bang-ului în sine, în epoci care nu sunt observabile prin alte mijloace., În primele momente ale Universului, două forțe fundamentale – forța electromagnetică și forța nucleară slabă — nu se distingeau. Când aceste forțe s-au separat, ar fi putut produce unde gravitaționale care, astăzi, ar putea apărea ca un „șuierat aleatoriu” detectabil de LISA, spune Schutz. Acest semnal ipotetic este diferit de unul cu lungimi de undă mult mai lungi, chiar mai devreme, care ar putea apărea în cea mai veche radiație vizibilă a Universului: fundalul cosmic cu microunde., În 2014, o echipă a raportat6 că a observat acest efect cu telescopul BICEP2 de la Polul Sud, dar cercetătorii au recunoscut ulterior probleme cu această interpretare7. odată cu redeschiderea lui LIGO și a Fecioarei la sfârșitul acestui an, următoarea mare descoperire de pe lista dorințelor lui Weiss este semnalul unei stele care se prăbușește — lucru pe care astronomii l-ar putea observa și ca un tip de supernovă. Dar el are mari speranțe pentru ce altceva ar putea fi la orizont. „Dacă nu vedem ceva la care nu ne-am gândit”, spune Weiss. „Aș fi dezamăgit.”
