Frank van Hertrooij
Scivolemo 11 Oktobro 2017
Pliaj artikoloj
En la jaro 2015, la teamo de LIGO detektis unuafoje la gravitajn ondojn kiuj disfluis de la kunfandiĝo de du nigraj truoj. Du jarojn poste, Kip Thorne, Rainer Weiss kaj Barry Barish kiuj ĉiuj estas forte ligitaj al la konstruado de la observejo kaj la observado mem, estis laŭdataj per la Nobel-Premio por fiziko. Ne estas kutima ke oni ricevas Nobel-Premion nur du jarojn post sia malkovro en tiu fako, sed doni ĝin al ili certe ne estis tro rapida elekto. Ilia kontribuo al fiziko kaj kosmologio promesas multe. Tamen indas scii, kio gravita ondo estas.
La unua granda paŝo por kompreni graviton estis la leĝoj de Newton. Li estis Angla fizikisto kaj matematikisto kiu vivis de la dek sepa ĝis la dek oka jarcento. Per bone observi la lunon, aliajn astrojn kaj objektojn surtere li ekkomprenis ke ĉiuj objektoj en la universo sekvas la samajn leĝojn. Tio signifis ke grandaj objektoj kiel la luno kaj la Tero spertas la saman gravitan forton kiel pomo kiu falas de arbo. Nur la maso kaj la distanco de la du objektoj influis la grandecon de tiu forto. La modelo de Newton estas taŭga por priskribi la plej diversajn situaciojn kaj estis uzata por longan tempon, sed en la dudeka jarcento iĝis klara ke la esceptoj estis pli gravaj ol oni pensis. Pluraj sciencistoj elpensis novajn teoriojn pri la plej eta kaj la plej granda, sed unu el la plej konataj estis la Germana fizikisto Einstein.
Einstein ne vidis graviton kiel sagoj de forto inter du objektoj. Li vidis grandan kvardimensian kampon kiu plenigis la tutan universon, kiun ni nomas spactempon. En spactempo ekzistas forta ligo inter spaco kaj tempo. Se objekto moviĝas rapide tra spaco, ĝi malpli rapide moviĝas tra tempo. Se ĝi ne moviĝas tra spaco, ĝi maksimume rapide moviĝas tra tempo kaj se ĝi moviĝas tiom rapide kiel lumo, tempo haltas. Ankaŭ gravito forte influas spactempon. Ĉiu objekto kun maso aŭ energio streĉas la kampon. Tion ni spertas kiel graviton. Ju pli da maso objekto havas, des pli da streĉiĝo kaj des pli forte ĝi tiras aliajn objektojn.
Granda diferenco inter la priskriboj de Newton kaj Einstein estas ke la interagoj de objektoj okazis tuj. Se la Tero subite malaperus en tiu modelo, la Luno tujforflugus en rekta linio. La Luno forflugus ankaŭ en la modelo de Einstein, sed ĝi bezonus tempon por reagi. Informoj ne povas vojaĝi pli rapide ol lumo kaj tio ankaŭ veras por gravito. La informoj de la ŝanĝiĝo de gravito do vojaĝus al la Luno tiom rapide kiel lumo, kio daŭrus pli malpli sekundo. Kompreneble la Tero ne tuthazarde malaperos, sed ja estas aliaj objektoj en la universo kiuj povas elsendi gravitajn ondojn. Temas pri objektoj kiuj rapide moviĝas. Detekti tiujn ondojn tamen ne estas facile, ĉar gravito estas tre malforta kompare kun aliaj fortoj kaj ĝia forto pli rapide malkreskas ol la distanco ĝis la fonto kreskas (kvadrate kontraŭ linie). Pro tiu kialo oni povas detekti parojn da nigraj truoj aŭ neŭtronaj steloj kiuj kunfandiĝas aŭ supernovaoj (mortantaj steloj kies ekstera travolo estas perforte pafataj eksteren) kiuj nesimetrie eksplodas.
La detektiloj estas sendube inter la plej elstaraj pecoj de inĝenierado en homa historio. Ili konsistas el du grandaj ”brakoj” de kvar kilometoj kiuj tuŝas unu la alian en la formo de la litero ”L”. La brakoj enhavas la plej grandan vakuon surtere krom tiu en la LHC (Granda Koliziigilo de Hadronoj) sub la landlimo inter Svislando kaj Francio. Tiu vakuo estas necesa por ke la laseroj ene ne estu ĝenataj de molekuloj en la aero kaj por eviti tremoj de sono kaj varmo kiuj povus enombrigi la tremojn de la gravitajn ondojn. La brakoj de la detektilo estas tiom longaj, ke la kurbiĝo de la tero kaŭas altecdiferencon de unu metro. Tial la konstruaĵo estis kiel eble plej plate konstruita, kio estis giganta defio. Ankaŭ estas multaj pasivaj kaj aktivaj sistemoj por kontraŭi bruon el teraj fontoj. Konataj fontoj de bruo estas mezurataj kaj kompensataj per komputilaj programoj kaj avancitaj analizteĥnikoj estas uzataj por filtri la bruo kiu restas. La vera mezurado estas farata de la lasero kies lumo estas dividata kaj eniras ambaŭ brakojn, kie ĝi estas tre precize spegulata. Kiam la lumo revenas ĝia heleco estas mezurata. Lumo estas ondo, do ĝi povas montri interferoskemo. Tio signifas ke kiam du ondoj renkontiĝas, iliaj amplitudoj (intenseco aŭ heleco de la lumo) estas adiciataj. Kiam du pintoj kombiniĝas, ili iĝas eĉ pli helaj, sed kiam pinto kaj valo renkontiĝas, ili nuligas unu la alian. Tio ankaŭ okazas kiam la du partoj de la lasero renkontiĝas, sed se unu el ili alvenas pli frue ol la alia, la pintoj kaj valoj de la du briloj ne plu estos sur la sama loko, kio ŝanĝos la interferon de la lumo. La rezulto estas eta malkresko de la heleco.
Kiam gravita ondo trafas la detektilon, ĝi streĉos unu el la brakojn, kio signifas ke ĝi estas pli longa ol la alia. Ankaŭ la ondolongo de la lumo ŝanĝiĝas, sed tion oni ne povas mezuri, ĉar ĝi ne plu estos streĉita kiam la gravita ondo trapasis. Kio ja ŝanĝiĝas estas la longo de la vojo kiun la lumo devas trapasi, relative al la longo de la alia brako. Pro tio ke la rapido de lumo restas konstanta, tio signifas ke unu el la briloj alvenos iomete post la alia kaj tio kaŭzas mezureblan ŝanĝiĝon de la interferoskemo. La streĉiĝo de la kvarkilometra brako estas ĉirkaŭ milono de la kerno de atomo. Tion oni povas rigardi kiel la distanco al aliaj steloj kiu streĉiĝis je la dikeco de homa haro. Estas preskaŭ neebla tute forigi ĉiun bruon kiam oni havas tiom senteman detektilon. Tial oni konstruis du detektilojn, unu je ambaŭ flankoj de Usono kun ĉirkaŭ trimil kilometroj inter si. Per havi grandan distancon inter la detektiloj, oni povas kompari la rezulojn. Kiam peza aŭto ĉe unu el la detektiloj kaŭzus falsa signalo, tiu signalo nur estos mezurebla en unu detektilo. Aliflanke oni scias ke signalo kiu mezureblas en du detektiloj malverŝajne estas loka. Por esti eĉ pli certa oni povas esperi ke la fonto de gravitaj ondoj ankaŭ elsendas lumon. Tio okazas ekzemple dum supernovao. Kompreneble misdetektoj povas ĉiam okazi, sed ili estas ege malverŝajne kaj ju pli da ondoj oni detektas, despli facile oni povas taksi la probablecon de vera detekto.
La detektilo VIRGO en Italio ankaŭ helpas plicertigi sciencistojn, sed ĝi havas aldonan avantaĝon. Ĝi donas adreson al la ondoj. Ankaŭ kiam oni uzas satelitojn por trovi sian vojon surtere, oni bezonas tri samtempe. La kialo estas simpla. Se oni detektas ondon per unu detektilo, ĝi povintus veni de ajna direkto. Se oni detektas per du detektilojn, oni povas mezuri diferencon de tempo, ĉar la ondo ĉiam trafas unu detektilon unue. Tiel oni povas mezuri ĝian direkton en du dimensioj. Se oni havas trian detektilon tamen, oni povas tre precize kalkuli la direkton de la fonto en tri dimensioj. Tio igas la detektilojn multege pli valoraj kiel sciencaj instrumentoj ol antaŭe.
Pro la peno de la gajnintoj de la Nobel-Premio de ĉi-jare, ni lernis ke paroj de nigraj truoj ekzistaj kaj ke nigraj truoj de tridek sunmasoj troveblas, sed tio nur estas la komenco. Teleskopoj jam estis la okuloj de astronomoj dum jarcentoj, sed nun ili havas ankaŭ orelojn. Per la malaltaj frekvencoj de gravitaj ondoj ni povas observi partojn de la universo kiuj estis kaŝitaj al ni antaŭe kiel nigraj truoj kaj la komenco de la universo mem. La detektiloj nun estas tiom sentemaj ke ili trovis kunfandiĝo de nigraj truoj 1,3 miliardoj da kilometroj for kaj ili eĉ ne jam estas tute pretaj. Inĝenieroj antaŭvidas ke kiam la detektiloj atingas ilian kalkulitan sentemecon, oni povos detekti ĉirkaŭ kvardek gravitajn ondojn jare en regiono kiu enhavas multajn galaksiojn. Kio klaras estas ke ĉi tio ne estos la lasta fojo ke ni aŭdis pri gravitaj ondoj.
Multaj bildoj el cxi tiu afisxo venas de la retpagxo de LIGO:
https://www.ligo.caltech.edu/
Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory