Wat binne gravitaasjeweagen en harren ûntdekking
Gravitaasjeweagen binne ien fan 'e meast ferrassende ûntdekkingen yn 'e moderne natuerkunde, om't se minsken in "nije manier" jouwe om it universum te observearjen. Wylst astronomy earder fertroude op ljocht - fan sichtber ljocht, radio, ynfraread oant röntgenstralen - litte gravitaasjeweagen ús de "trillingen" fan romte en tiid sels hearre. Dit ferskynsel is net allinich in teory; gravitaasjeweagen binne direkt detektearre, wat in nij haadstik iepenet yn kosmysk ûndersyk, foaral oangeande ekstreme objekten lykas swarte gatten en neutronestjerren.
Wat binne gravitasjonele weagen?
Simpelwei sein, gravitaasjeweagen binne rimpelingen of "weagen" dy't har troch romte-tiid fersprate troch de fersnelling fan in tige grutte massa. It konsept fan romte-tiid komt fan Albert Einstein syn Algemiene Relativiteitsteory (1915), dy't swiertekrêft net as in oantreklike krêft beskôget, lykas yn 'e Newtoniaanske natuerkunde, mar as in kromming fan romte en tiid troch de oanwêzigens fan massa en enerzjy. As grutte massa's op bepaalde manieren bewege - bygelyks twa swarte gatten dy't om elkoar draaie - feroaret de kromming fan romte-tiid dynamysk en stjoert steuringen út dy't har yn alle rjochtingen ferspriede. Dizze steuringen wurde gravitaasjeweagen neamd.
Gravitaasjeweagen reizgje mei de ljochtsnelheid. Harren effekt op objekten dêr't se trochhinne geane is lykwols ekstreem lyts. Stel jo twa punten foar dy't ien kilometer útinoar lizze: in foarbygeande gravitaasjeweach kin dy ôfstân mei minder feroarje as de diameter fan in proton. Dêrom, hoewol it idee al sûnt it begjin fan 'e 20e iuw bestiet, wie der ûnbidich ferfine technology nedich om it te bewizen.
Boarnen fan gravitasjonele weagen yn it universum
Net alle massabewegingen produsearje mjitbere swiertekrêftweagen. Deistige barrens lykas in bewegende auto of in rinnende persoan stjoere technysk wol swiertekrêftweagen út, mar har amplitudes binne te lyts om te detektearjen. Waarnimbere swiertekrêftweagen ûntsteane typysk út kosmyske barrens mei enoarme massa's, ekstreme fersnellingen en asymmetryske beweging.
Guon fan 'e wichtichste boarnen fan gravitasjonele weagen binne:
1. Fúzje fan swarte gatten
Twa swarte gatten dy't yn in baan om de ierde draaie sille enerzjy ferlieze troch swiertekrêftweagen, harren banen sille krimpen, en se sille úteinlik botsje en gearfoegje. Dit barren sil in krêftich swiertekrêftweachsinjaal produsearje.
2. Neutronstjerfúzje
In neutronestjer is de tichte, oerbleaune kearn fan in massive stjer. As twa neutronestjerren gearfoegje, kin dit barren, neist it produsearjen fan swiertekrêftweagen, ek ljocht útstjitte yn ferskate golflingten en swiere eleminten lykas goud produsearje.
3. Supernova's en massive stjereksploazjes
De ynstoarting fan 'e kearn fan in stjer is soms asymmetrysk en kin swiertekrêftweagen útstjitte, hoewol it opspoaren dêrfan tige útdaagjend is.
4. Unfolsleine rotaasje fan neutronestjerren
As in neutronestjer mei in lichte "hobbel" of ûnregelmjittichheid draait, kin it kontinu swiertekrêftweagen útstjoere.
5. Primordiale swiertekrêftweagen
Der is in hypoteze dat hielal De iere stadia produsearren swiertekrêftweagen dy't "beferzen" yn 'e kosmyske eftergrûn. As dit ûntdutsen wurdt, kin dit oanwizings jaan oer de earste sekonden nei Big Bang.
Fan Einstein syn teory oant it earste bewiis
Einstein foarsei swiertekrêftweagen yn 1916 (en ferfine se yn 1918) basearre op 'e fergelikingen fan 'e Algemiene Relativiteitsteory. Mar al tsientallen jierren hawwe wittenskippers debattearre oft swiertekrêftweagen echt binne of gewoan wiskundige artefakten. De swierrichheid komt troch it feit dat romtetiid dynamysk is; it begripen fan wat "wirklik" mjitber is, is net altyd maklik.
In krúsjaal kearpunt fûn plak yn 'e midden fan 'e 20e iuw doe't de relativiteitsteory ûntwikkele waard en natuerkundigen begûnen te begripen dat swiertekrêftweagen echte enerzjy drage. As in systeem enerzjy ferliest troch swiertekrêftweagen út te stjoeren, dan moat syn baan of beweging op in mjitbere manier feroarje.
Yndirekt bewiis: Hulse-Taylor binêre pulsars
Yn 1974 ûntdutsen twa astronomen - Russell Hulse en Joseph Taylor - in binêr pulsarsysteem mei de namme PSR B1913+16. Pulsars binne neutronestjerren dy't periodike radiosignalen útstjoere lykas "fjoertuorren". Yn in binêr systeem draait in pulsar om in oare neutronestjer. Ferrassend genôch nimt de omrintiid fan dit systeem stadich ôf: de twa objekten komme tichter byinoar.
Dizze ôfname komt tige presys oerien mei de foarsizzingen fan 'e Algemiene Relativiteitsteory oer enerzjyferlies troch swiertekrêftweagen. Dit leveret tige sterk yndirekt bewiis dat swiertekrêftweagen besteane. Foar dizze ûntdekking krigen Hulse en Taylor de Nobelpriis foar Natuerkunde fan 1993.
Direkte ûntdekking: LIGO en "hearrende" botsingen fan swarte gatten
Nettsjinsteande oertsjûgjend yndirekt bewiis, stribje wittenskippers noch altyd nei direkte deteksje: it fêstlizzen fan swiertekrêftweagen as se troch de Ierde geane. Dizze ynspanning stiet foar wichtige útdagings, om't de amplitudes fan 'e weagen sa lyts binne. De oplossing is om in laserinterferometer te brûken, in apparaat dat ekstreem lytse feroarings yn ôfstân mjitte kin.
Hoe wurket LIGO?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) is in grut projekt yn 'e Feriene Steaten mei twa haadfasiliteiten: ien yn Hanford, Washington, en ien yn Livingston, Louisiana. Elk hat in 4 kilometer lange interferometerarm. De laserstriel wurdt splitst yn twa strielen dy't hinne en wer lâns de earms reizgje, en dan wer kombinearje. As in swiertekrêftweach der trochhinne giet, feroaret it de effektive lingte fan 'e earms in bytsje, wêrtroch in mjitber, feroare ynterferinsjepatroan ûntstiet.
It is krúsjaal om twa detektors op ferskillende lokaasjes te hawwen om te soargjen dat it waarnommen sinjaal net te tankjen is oan lokale ynterferinsje (lykas in lytse ierdbeving, autotrillingen of oare miljeufaktoaren). As beide detektors in konsekwint patroan sjogge mei in ridlike tiidsfertraging, is it folle wierskynliker dat it sinjaal in swiertekrêftweach út 'e romte is.
Earste deteksje: GW150914
Op 14 septimber 2015 detektearre LIGO in sinjaal dat letter GW150914 neamd waard. Dit sinjaal ûntstie út 'e gearfoeging fan twa swarte gatten mei massa's sawat tsien kear de massa fan 'e sinne, dy't mear as in miljard ljochtjierren fan 'e ierde ôf foelen. Dit barren produsearre in "tsjirp": in rappe tanimming fan frekwinsje en amplitude dy't in pyk berikte doe't de twa swarte gatten gearfoegen, en doe sakke.
De offisjele oankundiging waard dien yn febrewaris 2016 en waard fuortendaliks as in mylpeal beskôge. Dizze ûntdekking bewiisde net allinich direkt swiertekrêftweagen, mar markearre ek de earste direkte deteksje fan in binêr swart gatsysteem.
Foar harren wichtige bydragen oan LIGO waard de Nobelpriis foar Natuerkunde fan 2017 útrikt oan Rainer Weiss, Barry C. Barish, en Kip S. Thorne.
Wêrom is de ûntdekking fan gravitasjonele weagen wichtich?
It opspoaren fan swiertekrêftweagen wurdt faak it begjin fan it tiidrek fan swiertekrêftweagenastronomy neamd. D'r binne ferskate redenen wêrom't dit revolúsjonêr is:
1. Nije "sinnen" iepenje om it universum te observearjen
In protte kosmyske objekten, lykas swarte gatten, stjoere gjin maklik te detektearjen ljocht út. Gravitaasjeweagen meitsje it mooglik om dizze objekten direkt te bestudearjen fia har effekten op romtetiid.
2. De algemiene relativiteitsteory testen ûnder ekstreme omstannichheden
Fúzjes fan swarte gatten hawwe te krijen mei ûnbidich sterke swiertekrêft en ûnbidich hege snelheden. Se binne in natuerlik laboratoarium foar it testen fan Einstein syn teoryen ûnder ekstreme omstannichheden dy't lestich te replikearjen binne op Ierde.
3. Begryp de oarsprong fan swiere eleminten
It is oantoand dat neutronstjerfúzjes ferbûn binne mei de foarming fan swiere eleminten fia it r-proses (snelle neutronenfangst). Dit helpt de fraach te beantwurdzjen: wêr komme de neutronen wei? de oarsprong fan goud en platina yn it universum?
4. Yn kaart bringen fan de populaasje fan swarte gatten en neutronestjerren
Mei in protte deteksjes kinne wittenskippers de massaferdieling, fúzjesnelheden en formaasjeskiednis fan dizze kompakte objekten mjitte.
Penutup
Gravitaasjeweagen binne rimpelingen yn romtetiid dy't mear as in ieu lyn troch Einstein foarsein waarden en úteinlik befêstige waarden troch yndirekt bewiis yn binêre pulsars en direkte deteksje troch LIGO yn 2015. Dizze ûntdekking is net allinich in technyske prestaasje, mar in feroaring yn 'e manier wêrop minsken de kosmos besjogge: wy kinne no "harkje" nei it universum, net allinich sjen. As nije detektors en wrâldwide gearwurkingsferbannen (lykas Virgo yn Jeropa, KAGRA yn Japan, en de plande LISA yn 'e romte) ûntwikkelje, wurdt ferwachte dat de takomst fan gravitaasjeweagenastronomy noch riker wurdt, wêrtroch't wy tichter by antwurden op 'e grutste mystearjes fan it universum komme.
