Fånga Einsteins vågor

Astronomer har observerat himlen på i stort sett samma sätt i nästan 400 år. Sedan Galileo vände sina teleskop mot månen 1609, har de använt allt mer sofistikerade metoder för att upptäcka ljus som sänds ut av avlägsna föremål och samlar inte bara upp synligt ljus utan även radiovågor, röntgenstrålar och andra former av elektromagnetisk strålning. Men några av de mest spännande sakerna i rymden sänder inte ljus i vår väg.

Doktoranderna Alma Steingart och Brett Shapiro, LIGO-forskaren Rich Mittleman och fysikprofessorn Nergis Mavalvala i MIT LIGO-labbet.

Förmågan att observera universum med hjälp av något annat än ljus kan inleda en ny era av astronomi – en era som MIT-fysiker tror snart kommer att vara över oss. Deras förhoppningar beror på att detektera gravitationsvågor, en sorts fundamental strålning som förutspåddes av Einstein 1916 men som ännu inte direkt observerats. Att analysera gravitationsvågor, tror de, kommer att ge ett aldrig tidigare skådat sätt att studera aktiviteten hos spiralformade neutronstjärnor, svarta hål och kärnorna i kollapsande stjärnor.

Inte bara förutsägs gravitationsvågor av Einsteins relativitetsteori, utan förutsägelserna stöds av indirekta empiriska bevis, såsom förändringar i banorna för binära neutronstjärnor som forskare har observerat i årtionden. Innan astronomer kan analysera gravitationsvågor från avlägsna objekt måste dock experimentella fysiker upptäcka vågorna direkt.

Ett team av forskare från MIT och Caltech kan inte motstå utmaningen. De driver tillsammans Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som finansieras av National Science Foundation på platser i delstaten Washington och Louisiana. LIGO byggdes på 1990-talet och bygger på design som utvecklades på 1970-talet av Rainer Weiss '55, PhD '62, som nu är professor emeritus i fysik vid MIT. Genom att upptäcka förändringar i avståndet mellan fint kalibrerade speglar mäter LIGOs instrument små förvrängningar i rymdtidens struktur. Med den första generationens detektorer, som kostade 230 miljoner dollar, var sannolikheten att detektera en gravitationsvåg låg. Men LIGO-fysiker tror att de nu har tekniken för att vända hörnet. Med uppgraderingar på gång hoppas de uppnå en tiofaldig ökning av känsligheten – tillräckligt, tror de, för att upptäcka gravitationsvågor några gånger i månaden till 2014.

Dessa fysiker njuter av att ta itu med ett av de svåraste precisionstekniska problemen i världen: att mäta avstånd som är mindre än de minsta atomkärnorna. Det är riktigt svårt. Och det har en enorm attraktion, säger Nergis Mavalvala, PhD '97, en docent i fysik som designar uppgraderade instrument för LIGO. Men ännu mer spännande än utmaningen är den potentiella vinsten. Tyngdvågsfysik kommer att förändra hur vi ser universum, säger docent i fysik Erik Katsavounidis, som analyserar LIGO-data. Det är få saker i den klassen.

Från Newton till Einstein
Newton beskrev gravitationen som en attraktionskraft mellan massor. Men även Newton var missnöjd med sin oförmåga att förklara vad orsaker allvar. Det lämnades till Einstein, som förklarade hur gravitation uppstår genom att beskriva själva rymden på ett nytt sätt.

Före Einstein ansågs rymden vara absolut, existerande utanför inflytandet av massorna som rörde sig inom det. Einstein uppfattade rymden som formbar och föreslog att tid och rum var en del av ett fyrdimensionellt system. Massor som solen förvränger rum-tidens struktur, vilket orsakar vad fysiker kallar rum-tidskrökning. Denna krökning påverkar andra massors rörelse: det är med andra ord vad vi upplever som gravitation.

När massorna accelererar, föreslog Einstein, orsakar de krusningar i rumtiden som vågorna som färdas genom vattnet i en båts spår. Dessa rymd-tidsvaken är vad han kallade gravitationsvågor. Liksom ljus- och ljudvågor beskrivs de i termer av frekvens och våglängd. I Newtons ekvationer utövas tyngdkraften omedelbart, en approximation som fungerar vackert för det mesta vi kan observera. Men gravitationsvågor fortplantar sig genom rumtiden med ljusets hastighet. Så varje förändring i gravitationskraften hos ett avlägset objekt tar tid att nå jorden, precis som dess ljus gör. Allt detta tar ett tag att linda huvudet runt, medger Scott Hughes, biträdande professor i fysik.

När gravitationsvågor färdas sträcker de sig och klämmer rum-tid, säger Mavalvala. Om en passerade genom dig just nu, kanske du blir lite längre, sedan lite kortare; lite bredare, sedan lite tunnare. På liknande sätt, om en gravitationsvåg passerar genom två objekt, varierar avståndet mellan dem. LIGO är designad för att mäta denna effekt.

Det råkar vara så att de saker som LIGO kommer att vara bra på att upptäcka, som svarta hål som kolliderar med neutronstjärnor, inte kan ses bra med teleskop. Men även om sådana fenomen är intressanta, är det verkliga värdet av att studera dem, säger Hughes, att de kommer att låta oss testa fysikens lagar i områden av universum som är väldigt olika våra egna.

Newtons lagar fungerar bra i vårt solsystem, där gravitationen är svag. Men nära svarta hål, säger Rainer Weiss, är rymden så starkt graviterande att den inte längre är platt; det har rullat ihop sig på ett hemskt sätt. Med LIGO, säger han, kommer vi att se saker från regioner i universum där Einstein är hela historien. Newton kan du glömma. LIGO, hoppas fysiker, kommer att öppna upp vad Hughes kallar ett extremt laboratorium. Att mäta gravitationsvågor kommer att ge oss insikt i rummets och tidens djupaste natur, säger Edward Bertschinger, chef för MIT:s fysikavdelning. Tills vi noggrant studerar dem har vi inte förstått gravitationen.

Det tog dock lång tid för fysiketablissemanget att tro att teknologier designade för att mäta gravitationsvågor var värda att investera i. Weiss, som har tillbringat hela sin karriär på MIT, spelade en viktig roll i att vända utvecklingen.

Ursprunget till LIGO
Till och med Einstein insåg att gravitationsvågor skulle vara svåra, för att inte säga omöjliga, att mäta. Även om han trodde att de verkligen fanns, började fysiker på 1930-talet tänka på gravitationsvågor som matematiska kuriosa. Och utan att kunna testa sina idéer om dem, backade Einstein själv från sina tidigare påståenden.

Men 1960 bestämde sig en man som Weiss kallar modig och fantasifull nöt för att försöka mäta gravitationsvågor. Joseph Weber, professor vid University of Maryland, byggde en detektor som fungerade ungefär som en metallxylofonstång; men istället för att vibrera när den träffades av en klubba, skulle den vibrera när den träffades av gravitationsvågor. Weiss säger att Weber såg alla möjliga underbara saker och hävdade att han hade upptäckt vad Einstein förutspådde.

Problemet var att ingen kunde duplicera hans resultat, även om Weber, som dog 2000, höll fast vid dem. Weiss säger att en mer noggrann fysiker skulle ha varit mer skeptisk till sina egna slutsatser; han spekulerar i att Webers maskiner kan ha upptäckt sådant som blixtnedslag eller problematiska telefonlinjer, men Weber undersökte inte andra möjliga förklaringar till hans data. Utan oberoende bekräftelse av Webers vågor gick fältet in i ett fruktansvärt tillstånd, säger Weiss.

Weiss, inte mindre fantasifull än Weber, var också intresserad av gravitation ur ett experimentellt perspektiv. Han hade ryckt ut från MIT på 1950-talet men fick en ny chans av den legendariske fysikprofessorn Jerrold Zacharias, som anställde honom för att arbeta i hans labb. Efter att ha tagit sin doktorsexamen vid MIT tillbringade Weiss tid vid Princeton University i Robert Dickes labb, en ledande expert inom gravitation.

Strax efter att han kom tillbaka till MIT som professor, fick Weiss i uppdrag att undervisa en klass på forskarnivå om relativitet. Det var våren 1966 och Webers detektor var igång. Jag kunde inte förstå vad Weber gjorde, minns Weiss, så han bestämde sig för att förklara gravitationsvågor för sina elever genom att ta fram den mest enkla förklaringen av hur du kunde upptäcka en som jag kunde föreställa mig. Hans idé var att använda en interferometer, en L-formad konfiguration av lika stora speglar som använder laserljus för att exakt mäta avstånd. När gravitationsvågor passerar objekt sträcker de sig och komprimerar rumtiden på ett sådant sätt att avstånden mellan dessa objekt förändras. Ju större initialt avstånd mellan två objekt, desto större förändring. Ju större förändring, desto lättare är det att mäta.

Under de närmaste åren utvecklade Weiss prototyper för det som skulle bli LIGO. Forskare vid Caltech, såväl som finansiärer vid National Science Foundation, kom bakom hans planer innan MIT-administrationen gjorde det; Institutet var ovilliga att ägna pengar till vad som verkade vara ett riskabelt förslag. Men när Weiss samarbete med Caltechs Kip Thorne och Ronald Drever var på plats och finansieringen säkrats, gick MIT ombord.

Dagens LIGO är en uppsättning enorma interferometrar, två av dem med fyra kilometer långa armar och en tredje med två kilometer långa armar. Mer som ett öra än ett öga, LIGO kommer att fånga alla vågor den kan höra, oavsett vilket håll de kommer ifrån. Men Weiss hoppas att tekniken kommer att fungera som en ny typ av teleskop.

I hörnet av varje L finns en spegel som delar en stråle av laserljus i två delar och skickar en stråle ner för varje arm, genom vakuumförseglade rör av rostfritt stål, till en spegel i änden. Speglarna reflekterar strålarna tillbaka till hörnet, där de kombineras för att skapa ett interferensmönster av ljusa och mörka fläckar. Det här mönstret förblir detsamma så länge ingenting rör sig. Men om en gravitationsvåg passerar genom interferometern, klämmer den subtilt och sträcker ut rymden och knuffar speglarna så att mönstret ändras.

Det här låter enkelt nog. Men att få ut bruset ur systemet är otroligt komplicerat. Allt annat på planeten kan flytta speglarna mer än gravitationsvågor kan, säger Mavalvala, med mycket liten överdrift. Hon bockar av en kort lista över fenomen som kan störa LIGO: rörelser av tektoniska plattor, havsvågor, vägtrafik, tunnelbanor, till och med bara aktiviteten hos människor som rör sig. Inte ens vid tillverkningen av mikroprocessorer med mycket små funktioner behöver saker och ting hållas nästan lika stilla som de gör i LIGOs detektorer. Bara en visionär kunde titta på de tekniska kraven för LIGO och vara oförskämd, säger Bertschinger.

LIGO-forskare analyserar data från detektorernas första fullskaliga körning, från november 2005 till oktober 2007. Den stora mängden data – detektorerna som genereras ungefär en gigabyte om dagen – utgör en enorm beräkningsutmaning. Ännu svårare är att bestämma hur man ska avgöra när en gravitationsvåg har upptäckts bortom alla rimliga tvivel. Med tanke på Webers arv, säger Erik Katsavounidis, vill vi vara helt säkra.

Forskare tror att LIGOs nuvarande teknologi borde kunna upptäcka våldsamma kosmiska händelser som supernovor, så länge de inte är för långt borta. För vår galax har vi bra känslighet, säger Katsavounidis. Supernovor är dock sällsynta; de tros förekomma inom LIGOs intervall ungefär en gång vart 30:e år. Tills LIGO kan se längre, säger han, kan de bästa potentiella källorna till detekterbara gravitationsvågor vara föremål som astrofysiker inte ens känner till ännu.

Nästa generation
Med hjälp av det största ultrahögvakuumsystemet på jorden kan LIGO upptäcka spegelförskjutningar så små som 10-18 meter – en tusendel så stor som kärnan i den minsta atomen. Den känsligheten kommer att fördubblas inom ungefär ett år, tack vare förbättringar som Mavalvala liknar med att sätta en turbomotor i en bil. Och LIGO-teamet planerar att ersätta de första detektorerna helt och hållet. Byggd för ett projekt som kallas Advanced LIGO, kommer den nya uppsättningen detektorer att vara 10 gånger så känslig, vilket ökar volymen av observerbart utrymme tusen gånger.

I LIGO-teamets starkt upplysta labb av hangarliknande proportioner på västra sidan av MIT:s campus, dukar Mavalvala sitt baseballhattade huvud under ett av två 15 meter långa rostfria stålrör. Rören ansluts i en L-form för att bilda en replika i mindre skala av interferometrarna i Louisiana och Washington. I närheten, en apparat som verkar ha konstruerats av en gigantisk Erector-set sitter på en förhöjd stålplattform inkapslad i plastfolie. Mavalvala förklarar hur Advanced LIGO kommer att se till att plattformarna från vilka speglarna är upphängda håller sig väldigt, väldigt stilla.

När apparaten är igång detekterar accelerometrar på plattformarna rörelse och motorer korrigerar för det genom att flytta plattformen i motsatt riktning. Varje spegel kommer att hänga från sin plattform på en tråd som håller metall- och glasvikter. Den resulterande pendeln har en naturlig frekvens som är lägre än gravitationsvågornas. När plattformen skakas snabbt av seismiskt brus, kommer pendeln att buffra speglarnas rörelse, vilket säkerställer att de små rörelserna på grund av gravitationsvågor inte kommer att maskeras.

Dessa förbättringar kommer att förbättra LIGOs känslighet för lågfrekventa gravitationsvågor. Men när man mäter förskjutningar som är mycket mindre än en atom måste forskare också brottas med olika bruskällor som begränsar känsligheten i andra områden. I det mellanliggande området begränsas LIGO av termisk rörelse: atomer vid temperaturer över absolut noll trängs runt. Således introducerar metallatomerna i ledningarna som hänger upp LIGOs speglar brus i systemet. Avancerad LIGO kommer att använda specialgjorda fibrer av rent glas, ett mindre förlustmaterial: atomerna rör sig mindre och mindre av deras rörelse överförs till spegeln.

Vid högre frekvenser är ljusets kvantegenskaper problemet. När man gör en mätning med ljus, säger Mavalvala, måste man ta itu med själva ljusets ljudegenskaper. Större lasereffekt innebär ett bättre signal-brusförhållande: Avancerad LIGOs laser kommer att ha 20 gånger så stor effekt som den nuvarande.

Med dessa förbättringar borde vi se något en gång i veckan, säger David Shoemaker, SM '80, seniorforskaren vid MIT som leder Advanced LIGO. Om vi ​​inte ser någonting är det något fel med den allmänna relativitetsteorien.

När en gravitationsvåg först upptäcks kommer alla att ha en häftig fest, säger Scott Hughes. Sedan när baksmällorna är över kommer vi att säga: 'Okej, vad gör vi nu?'

Genom att skapa datormodeller av objekt som svarta hål försöker Hughes ta reda på hur man använder gravitationsvågor för att göra astronomi. Eftersom inget ljus kommer ut från svarta hål, har fysiker sett dem bara indirekt - säg genom att detektera röntgenstrålar som stjärnor avger när de dras in i ett. Men när svarta hål äter något, säger Weiss, släpper de en mycket nöjd rapning – en gravitationsvåg. Med tanke på hur generell relativitetsteori beskriver saker, med tanke på detektorerna som vi har designat dem, säger Hughes, hur exakt kan jag göra saker som att mäta massan och spinn av ett svart hål?

Fysikerna som ställer sådana frågor går ut i det okända, och de kan inte förutsäga allt de kan lära sig. Men, säger Bertschinger, jag vill att MIT ska vara en del av den eran – att delta i vetenskapens högtid som kommer.

Dölj