ทันใดนั้นยานอวกาศก็สั่นอย่างรุนแรง “ นั่นคืออะไร” กัปตันที่ตื่นตระหนกถามคอมพิวเตอร์ของเรือ
คอมพิวเตอร์หักล้างว่าคลื่นแรงโน้มถ่วงระเบิดผ่านยานอวกาศ
คลื่นเหล่านี้รายงานว่ามีต้นกำเนิดมาจากหลุมดำขนาดใหญ่คู่หนึ่งใกล้กับงานฝีมือเหมือนดวงจันทร์อยู่สู่โลก
กัปตันรู้ว่าหลุมดำ - วัตถุที่มีความหนาแน่นที่ออกแรงแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งเช่นนั้นแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีได้ แต่เมื่อพวกเขากระแทกเข้าด้วยกันรวมเข้าด้วยกันการชนกันส่งระลอกคลื่นที่เคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วผ่านผ้าของอวกาศ (หรือแม่นยำกว่าของเวลาอวกาศ) ที่แข็งแกร่งกว่าที่เขาคาดไว้ มันสลับกันและบีบอัดทุกอย่างและทุกคนในเส้นทางของมัน
“ คุณคุ้นเคยกับคลื่นความโน้มถ่วงที่อ่อนแอจนมีเพียงเครื่องมือที่ละเอียดอ่อนเท่านั้นที่สามารถตรวจจับ [กำลังของพวกเขา]” คอมพิวเตอร์บอกกัปตัน “ ที่นี่ใกล้กับหลุมรวมกันพวกเขาแข็งแกร่งอย่างมาก”
นักฟิสิกส์ Kip S. Thorne จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนียในพาซาดีนาอธิบายสถานการณ์ในอนาคตอันไกลที่ยาวมากขึ้นในหนังสือของเขาหลุมดำและความแปรปรวน(Norton, 1994) ในนั้นเขาเติมเต็มความฝันของนักวิทยาศาสตร์ร่วมสมัยหลายคนที่เชี่ยวชาญในการศึกษาแรงโน้มถ่วงและทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ - เพื่อเผชิญหน้ากับคลื่นความโน้มถ่วง
แต่แตกต่างจากกัปตันของ Starship นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันไม่สามารถแม้แต่จะอ้างถึงความคุ้นเคยกับคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบด้วยเครื่องมือที่ละเอียดอ่อน เป็นเวลากว่า 30 ปีที่การใช้แท่งโลหะที่สมดุลอย่างประณีตนักวิจัยได้พยายามมองเห็นการยืดกล้ามเนื้อและการหดตัวที่ไม่ประสบความสำเร็จอย่างไม่ประสบความสำเร็จ งานเป็นสิ่งที่ท้าทายมากที่เครื่องตรวจจับจะต้องวัดการเปลี่ยนแปลงความยาวที่น้อยกว่าหนึ่งพันของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน
แม้ว่าเครื่องตรวจจับที่พึ่งพาแท่งโลหะยังคงได้รับการปรับปรุง แต่เทคโนโลยีอื่นก็ปรากฏว่านักวิจัยหลายคนเชื่อว่ามีแนวโน้มที่จะได้รับรางวัลมายาวนาน ในเดือนพฤศจิกายน Caltech และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้เสร็จสิ้นการก่อสร้างในระยะแรกของการก่อสร้างหอดูดาวสองแห่งที่เรียกว่าหอดูดาวคลื่นแรงโน้มถ่วงแบบอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์หรือ LIGO (SN: 2/29/92, p. 134) ได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
ระหว่างนี้ถึงปี 2002 นักวิทยาศาสตร์ LIGO วางแผนที่จะติดตั้งและปรับแต่งอุปกรณ์ตรวจจับอย่างละเอียด หอสังเกตการณ์เรือธงของกองเรือหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ใช้เลเซอร์ใหม่ที่ได้รับการพัฒนาทั่วโลกคาดว่าจะเริ่มค้นหาคลื่น
หากเครื่องมือใด ๆ ในที่สุดจับคลื่นความโน้มถ่วงการทำนายที่สำคัญของทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์จะได้รับการตรวจสอบ นักวิทยาศาสตร์สามารถเริ่มต้นทฤษฎีเพื่อทดสอบอย่างเข้มงวดที่แรงโน้มถ่วงอันยิ่งใหญ่ทั่วไปของสสารหนาแน่นอย่างมากเช่นหลุมดำ
ความสำเร็จจะเป็นจุดเริ่มต้นของวิธีที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานในการตรวจสอบจักรวาลโดยเฉพาะด้านที่มืดและรุนแรง มันอาจเป็นวิธีการเป็นสักขีพยานในจักรวาลในทันทีที่สุดหลังจากบิ๊กแบง
“ Ligo เป็นขั้นตอนแรกในสิ่งที่ฉันเห็นว่าเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 21: เปิดหน้าต่างคลื่นแรงโน้มถ่วงสู่จักรวาล” นักจักรวาลวิทยาไมเคิลเอสเทอร์เนอร์แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกกล่าว
การคาดการณ์ที่ขัดแย้ง
ไม่นานหลังจากที่ไอน์สไตน์เปิดเผยทฤษฎีทั่วไปของสัมพัทธภาพในปี 2459 นักวิทยาศาสตร์เริ่มไตร่ตรองการคาดการณ์ของคลื่นความโน้มถ่วง
สัมพัทธภาพทั่วไปรวมพื้นที่และเวลาเข้ากับเอนทิตีสี่มิติที่ไร้รอยต่อ การปรากฏตัวของมวลหรือพลังงานโค้งเวลาอวกาศ ความโค้งนั้นแสดงให้เห็นว่าตัวเองเป็นแรงที่น่าดึงดูดระหว่างวัตถุ - แรงโน้มถ่วง
ลองนึกถึงลูกบอลวางอยู่บนแผ่นยาง มันทำให้รอยบุ๋มแผ่นและวัตถุใด ๆ บนพื้นผิวโค้งม้วนไปยังลูกบอลราวกับว่าแรงผลักโดยแรง ถ้าลูกบอลม้วนหรือกระตุกหรือถ้าลูกบอลสองลูกหมุนรอบกันแผ่นก็สั่นด้วยคลื่นที่วิ่งออกไปด้านนอก
ในทำนองเดียวกันการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่สามารถสร้างคลื่นของความโค้ง-คลื่น gravitational-ที่ระลอกคลื่นผ่านผ้าของอวกาศ-เวลา ไม่ใช่วัตถุขนาดใหญ่ทั้งหมดที่คาดว่าจะกระตุ้นคลื่นความโน้มถ่วงตามทฤษฎี วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยสมมาตรทรงกลมที่สมบูรณ์แบบเช่นลูกบอลหมุนเป็นเช่นนั้นให้ข้อยกเว้นดังกล่าว
ไม่มีใครตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่แท้จริง อย่างไรก็ตามพฤติกรรมของวัตถุดาราศาสตร์ที่ผิดปกติที่ค้นพบในปี 1974 เชื่อว่านักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นจริง
ในปีนั้นรัสเซลเอ. ฮัลส์และโจเซฟเอช. เทย์เลอร์จูเนียร์จากนั้นทั้งคู่ที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ที่แอมเฮิร์สต์พบคู่ของเครื่องดนตรีที่มีความหนาแน่นสูงมากที่รู้จักกันในชื่อดาวนิวตรอน หนึ่งในนั้นคือพัลซาร์ปล่อยคลื่นวิทยุเป็นระยะ ๆ เมื่อมันโคจรรอบ
การเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปในอัตราการเต้นเป็นจังหวะแสดงให้เห็นว่าดวงดาวค่อยๆหมุนวนไปด้วยกัน การชะลอตัวตรงกับการคาดการณ์ของสัมพัทธภาพทั่วไปถ้าทั้งคู่ถูกกำจัดพลังงานในรูปแบบของคลื่นความโน้มถ่วง (SN: 10/23/93, p. 262) สำหรับข้อมูลเชิงลึกนี้ Hulse และ Taylor ได้รับรางวัลโนเบลในฟิสิกส์ในปี 1993
นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุวัตถุต่าง ๆ ที่มีความสามารถในการสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบได้และได้คำนวณอย่างน้อยประมาณรูปแบบของคลื่นแต่ละแหล่งที่จะผลิต
นอกเหนือจากหลุมดำหรือดาวนิวตรอนที่หมุนวนเข้าหากันแล้ว Bestiary รวมถึงการระเบิดอันยิ่งใหญ่ที่รู้จักกันในชื่อซูเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นเมื่อดาวอายุยุบ แม้แต่ดารานิวตรอนที่ปั่นอยู่ในกาแลคซีของเราหากพื้นผิวของมันมีความเบี่ยงเบนน้อยที่สุดจากความเรียบที่สมบูรณ์แบบสามารถสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบได้นักวิจัยกล่าว
คลื่นความโน้มถ่วงบางอย่างในจักรวาลอาจเป็นของเหลือจากบิ๊กแบง “ เกือบทุกรูปแบบของจักรวาลยุคแรกที่ผู้คนมองสร้างภูมิหลังของการแผ่รังสีคลื่นความโน้มถ่วง” บรูซอัลเลนจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-มิลวอกีกล่าว นักวิจัยตั้งใจที่จะวิเคราะห์ข้อมูลของ LIGO สำหรับแบบคงที่นี้ซึ่งจะแสดงให้เห็นถึงจักรวาลเมื่ออายุ 10 ขวบ-22วินาที
นี่เป็นอีกหนึ่งโอกาสที่ยั่วเย้า: วัตถุที่ไม่รู้จักทั้งหมดอาจเปิดเผยตัวเองในคลื่นความโน้มถ่วง “ นี่คือการเปิดหน้าต่างใหม่ในจักรวาลที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับหน้าต่างอื่น ๆ ที่เราเคยเปิด” Thorne กล่าว “ มีเพียงแค่ความประหลาดใจ”
บิดเบือนเวลาอวกาศ
คลื่นความโน้มถ่วงอาจให้ตัวเองออกไปด้วยวิธีที่แปลกประหลาดที่พวกเขาบิดเบือนเวลาอวกาศ ดึงบนผ้าทอและเกลียวที่ทำงานขนานกับทิศทางของการยืดจะบีบเข้าด้วยกันในขณะที่เกลียวตั้งฉากดึงออกจากกัน คลื่นความโน้มถ่วงมีผลคล้ายกันเรียกว่าความเครียดในเวลาอวกาศนักวิทยาศาสตร์กล่าว
ที่สองไซต์ของ Ligo หนึ่งแห่งในรัฐวอชิงตันและอีกแห่งหนึ่งในหลุยเซียน่ามุมฉากที่ทำจากหลอดเหล็กยาว 4 กิโลเมตรยาวเอื้อมมือไปทางขอบฟ้า ลำแสงของเลเซอร์ถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่ยิงพร้อมกันแขนจากสี่แยก
กระจกเงาหนักสะท้อนคานแขวนไว้ข้างในปลายของแต่ละหลอดซึ่งมีสุญญากาศ
ด้วยการใช้เทคนิคที่ผ่านการทดสอบตามเวลาที่รู้จักกันในชื่อ interferometry นักออกแบบของ Ligo มีลำแสงที่กลับมารวมกันที่เครื่องตรวจจับ โดยการย้อนกลับยอดและร่องของคลื่นแสงที่กลับมาตามเส้นทางเดียวพวกมันทำให้คานรวมเข้ามาแทรกแซงในลักษณะที่พวกเขายกเลิกซึ่งกันและกัน
ดังนั้นเมื่อไม่มีคลื่นความโน้มถ่วงเครื่องตรวจจับจะเห็นความมืด
หากคลื่นความโน้มถ่วงผ่านแขนตั้งฉากของ Ligo อย่างไรก็ตามพวกมันจะยืดเวลาอวกาศไปตามแขนข้างหนึ่งในขณะที่หดตัวไปตามอีกด้านหนึ่งสร้างความแตกต่างเล็กน้อยในความยาวเส้นทาง โดยทั่วไปแล้วการชดเชยจะมีความยาวคลื่นน้อยกว่าหนึ่งความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ เมื่อคานจากเส้นทางที่แตกต่างกันตรงกับพวกเขาจะไม่เข้าแถวอย่างสมบูรณ์อีกต่อไปทำให้การยกเลิกการยกเลิกแน่นอน เครื่องตรวจจับจะรู้สึกถึงแสงสว่าง
ด้วยการใช้เลเซอร์ที่เข้มข้นและเครื่องตรวจจับที่มีความละเอียดอ่อนอย่างประณีตนักวิทยาศาสตร์ Ligo คาดว่าจะมองเห็นการเคลื่อนที่ของกระจกให้เล็กถึงหนึ่งล้านล้านของความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์เทียบเท่ากับสายพันธุ์หนึ่งใน 10 ใน 10 ใน 1021สำหรับแขน 4 กม.
นักวิจัยของ Caltech ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าพวกเขาสามารถวัดการเคลื่อนที่เล็ก ๆ เช่นนี้ในเครื่องวัดความยาวต้นแบบด้วยแขนที่สั้นกว่าผู้กำกับ Ligo Barry C. Barish จาก Caltech “ มันเป็นปรากฎการณ์มันเป็นไปไม่ได้เลย” บาริชกล่าว “ มีเวทมนตร์ที่แท้จริงใน interferometry”
สัญญาณที่หลากหลาย
หอสังเกตการณ์คลื่นแรงโน้มถ่วงเช่น LIGO ปรับเป็นสัญญาณเดียวที่แตกต่างกันอย่างล้นเหลือ มันรวมสัญญาณของความถี่มากมายที่มาพร้อมกันจากทุกทิศทาง ในแง่นั้นหอดูดาวทำตัวเหมือนหูเช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ที่ทำตัวเหมือนดวงตา
ความถี่ที่ Ligo สามารถตรวจจับได้ 10 ถึง 10,000 เฮิร์ตซ์นอนอยู่ในวงดนตรีที่ได้ยินมนุษย์อย่างเต็มที่ เล่นผ่านลำโพงพวกเขายังแปลเป็นเพลงซีเลสเชียล
อย่างไรก็ตามเท่าที่การเปรียบเทียบไปอย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์เน้น คลื่นความโน้มถ่วงไม่ได้ดี ในขณะที่เสียงเป็นคลื่นของการบีบอัดและการขยายตัวของสารในอวกาศคลื่นความโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่แปรปรวนของพื้นที่
อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์คลื่นแรงโน้มถ่วงพบว่ามีประโยชน์ที่จะนึกถึงสัญญาณของเครื่องดนตรีว่าเป็นเสียง ดาราไบนารีภายในที่มีสติปัญญาจะให้“ เสียงร้องเจี๊ยก ๆ ” Barish และ Rainer Weiss of MIT กล่าว การหลอมของหลุมดำหลังจากที่มันลงไปในดาวคือ“ Burplike”
นักวิจัยบางคนเช่นมหาวิทยาลัย Peter Saulson แห่ง Syracuse (NY) ค้นหาการฟังสัญญาณจากเครื่องตรวจจับที่มีประโยชน์ “ เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของเครื่องมือต้นแบบที่เราสร้างขึ้นผู้คนจะฟังพวกเขา” เขากล่าว “ มันเป็นเคล็ดลับที่ดีมากเพราะหูของคุณเป็นอุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณที่ดีมาก”
นักวิทยาศาสตร์จะต้องถอนรูปแบบจิ๋วที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงจากทะเลของสัญญาณปลอมอื่น ๆ เสียงที่ไม่พึงประสงค์นี้สามารถเกิดขึ้นได้จากการสั่นสะเทือนของพื้นดินการเปลี่ยนแปลงของความเข้มของเลเซอร์ในอุปกรณ์และการกระตุกของอะตอมแบบสุ่ม
ผู้สร้างหอดูดาวแยกเครื่องตรวจจับของพวกเขาและรวมการทำให้หมาด ๆ และการแก้ไขหลายประเภทเพื่อกำจัดเสียงรบกวน นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีที่จะทำให้อะตอมสุ่มเงียบลง (SN: 10/23/99, p. 263)
ด้วยการมีเครื่องตรวจจับที่เหมือนกันสองตัวคั่นด้วย 3,000 กม. นักวิทยาศาสตร์ LIGO สามารถแยกแยะเสียงรบกวนในท้องถิ่นได้ในแต่ละไซต์จากสัญญาณที่กว้างขวางกว่าเช่นคลื่นความโน้มถ่วง การเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายเครื่องตรวจจับที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นจะช่วยให้เครื่องมือแยกข้าวสาลีออกจากแกลบและสามเหลี่ยมในแหล่งที่มาของสวรรค์
ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเครือข่ายดังกล่าวคาดว่าจะเป็นรูปเป็นร่างกับการเริ่มต้นของราศีกันย์เครื่องวัดอิตาลีที่คล้ายกับเครื่องตรวจจับ LIGO เดี่ยวและเครื่องวัดระยะเล็ก ๆ สองตัวในเยอรมนีและญี่ปุ่น เครื่องตรวจจับห้าเครื่องที่ใช้แท่งโลหะก็ฟังสัญญาณที่ความถี่เรโซแนนท์ 900-Hz
ในที่สุดผู้สังเกตการณ์ LIGO จะใช้ประโยชน์จากรูปคลื่นจำลองจากแหล่งที่รู้จักเพื่อช่วยพวกเขาในการแยกสัญญาณจากเสียงรบกวน การสร้างรูปคลื่นเหล่านั้นได้พิสูจน์แล้วว่ายากมากแม้จะมีซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพราะสมการสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นท้าทายมาก (SN: 6/26/93, p. 408) นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาหวังว่าจะฝึกฝนลำดับที่สมบูรณ์ของการปะทะกันระหว่างหลุมดำ
การควบรวมหลุมดำ
ด้วยความไวตามแผนที่วางไว้ Ligo อาจตรวจจับการควบรวมกิจการของหลุมดำจำนวนหนึ่ง-เหตุการณ์ที่มีโอกาสที่ดีที่สุดในการจับ-ในระหว่างการวิ่งทางวิทยาศาสตร์ 3 ปีแรกนักออกแบบกล่าว ในทางกลับกันหากไม่มีการตรวจจับในช่วงแรกพวกเขาจะไม่ผิดหวัง
“ แผนของเราคือการเปิดใช้งานที่ความไวที่น่าจะเห็นบางสิ่งบางอย่างและจากนั้นอัพเกรดเป็นที่น่าแปลกใจถ้ามันไม่ได้” Thorne กล่าวซึ่งเป็นหนึ่งในผู้สนับสนุนดั้งเดิมของ Ligo ในปี 1960
นักวิจัยกำลังทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่ได้รับการปรับปรุงให้ติดตั้งในปี 2548 ในเวลานั้น LIGO มีกำหนดจะเปลี่ยนตัวอย่างเช่นจากกระจกควอตซ์ไปจนถึงไพลินสังเคราะห์ซึ่งมีความหนาแน่นและทำให้ความร้อนของลำแสงเลเซอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น
การยกเครื่องควรเพิ่มความไวของหอดูดาวประมาณ 15 เท่า Thorne กล่าวว่าเพิ่มช่วงการตรวจจับสำหรับการควบรวมกิจการของหลุมดำจาก 600 ล้านปีแสงที่อยู่ห่างออกไปเกือบ 10 พันล้านปีแสง ด้วยการดักฟังพื้นที่มากขึ้น LIGO ควรเพิ่มอัตราการตรวจจับแหล่งที่มาด้วยปัจจัยมากกว่า 3,000
เมื่อมองไปไกลกว่า LIGO ที่ได้รับการอัพเกรดเจ้าหน้าที่ของหน่วยงานอวกาศในสหรัฐอเมริกาและยุโรปกำลังพิจารณาที่จะสร้างหอสังเกตการณ์คลื่นแรงโน้มถ่วงที่เรียกว่าเสาอากาศอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์หรือลิซ่า มันจะขยายการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงในช่วงความถี่ที่ต่ำกว่ามาก - จากรอบทุก ๆ 10 วินาทีถึงหนึ่งทุก 3 ชั่วโมง นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับให้เข้ากับการโคจรรอบดาวไบนารีอย่างช้าๆและการชนกันของกาแลคซีกับหลุมดำขนาดใหญ่ที่แกนของพวกเขา
ประกอบด้วยยานอวกาศสามตัวในรูปสามเหลี่ยมอาร์เรย์ 5 ล้านกม. ด้านข้างลิซ่าคือ“ คลื่นแห่งอนาคตสำหรับสนามนี้” ไวสส์กล่าวเมื่อ 30 ปีก่อนด้วยแนวคิดของการใช้เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าสำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เนื่องจากสัญญาณในวงดนตรีของลิซ่าคาดว่าจะแข็งแกร่งและมีความอุดมสมบูรณ์มากกว่าสัญญาณที่จะกระตุ้นเครื่องตรวจจับบนพื้นดินหอดูดาวอวกาศจะสามารถตรวจจับหลายแหล่งทุกสัปดาห์เขากล่าว
บางทีคลื่นความโน้มถ่วงอาจดูเหมือนเป็นเรื่องธรรมดาอย่างที่นักวิทยาศาสตร์บอกว่าพวกเขาเป็นจริง
