중력파는 마지막으로 발견되었습니다

블랙홀의 폭력적인 합병으로 인한 시공간의 잔물결이 발견되었으며,이“중력 파도”가 Albert Einstein의 일반 상대성 이론과 물리학 자들이 그들을 찾기 시작한 후 반세기 후에 예측 된 지 100 년이 지난 지금.

랜드 마크 발견은 오늘 고급 레이저 간섭계 중력파 관측소 (Advanced Ligo) 팀에 의해보고되었으며, 첫 번째 데이터 라운드에 대한 그룹의 분석을 둘러싼 몇 달의 소문을 확인했습니다. 천체 물리학 자들은 중력파의 탐지가 우주에서 새로운 창을 열어 광학 망원경에서 볼 수는 없지만 우주를 가로 질러 희미한 떨림을 느끼고들을 수있는 멀리 떨어진 사건을 드러 낸다고 말합니다.

“우리는 중력파를 감지했습니다. 우리는 그것을했다!” 오늘 워싱턴 D.C에서 열린 National Science Foundation 기자 회견에서 1,000 명의 팀의 전무 이사 인 David Reitze가 발표했습니다.

중력파는 아마도 아인슈타인의 이론에 대한 가장 어려운 예측 일 것입니다. 그와 그의 동시대 사람들이 수십 년 동안 토론 한 것입니다. 그의 이론에 따르면, 공간과 시간은 무거운 물체 아래에서 구부러지는 신축성있는 직물을 형성하고 중력을 느끼는 것은 직물의 곡선을 따라 떨어지는 것입니다. 그러나 "시공간"직물은 드럼의 피부처럼 파문이 될 수 있습니까? 아인슈타인은 플립 플로프가 튀어 나와 그의 방정식이 암시 한 것에 대해 혼란 스러웠다. 그러나 확고한 신자조차도 어쨌든 중력파는 관찰하기에는 너무 약할 것이라고 가정했습니다. 그들은 특정 대격변 사건에서 바깥쪽으로 계단식으로, 시공간을 번갈아 가면서 교대로 짜내고 압박합니다. 그러나 파도 가이 원격 소스에서 지구에 도달 할 때, 그들은 일반적으로 원자 핵의 너비의 작은 부분으로 각 마일의 공간을 늘리고 짜냅니다.

파도를 인식하는 것은 인내심과 섬세한 손길이 필요했습니다. 고급 리고가 튀는 레이저 빔은 레이저 빔을 앞뒤로 앞뒤로 앞뒤로 두 개의 L 자형 탐지기 (하나, 워싱턴 주 Hanford, Lavingston, La.)의 4km 암을 따라 앞뒤로 통과 할 때 중력파로 인한 팔의 일치 확장과 수축을 찾고 있습니다. 최첨단 안정제, 진공 및 수천 개의 센서를 사용하여 과학자들은 양성자 폭의 천분의 1만큼 작은 길이의 변화를 측정했습니다. 이 감도는 1 세기 전에 상상할 수 없었고, 매사추세츠 기술 연구소의 Rainer Weiss가 리고가 된 실험을 고안했을 때 1968 년에 많은 사람들이 불가능한 것으로 강타했습니다.

“큰 경이로움은 그들이 마침내 그것을 뽑았다는 것입니다. 그들은이 작은 부저를 감지했습니다!” 아칸소 대학교 (University of Arkansas)의 이론 물리학자인 다니엘 켄프 빅 (Daniel Kennefick)은 2007 년 책의 저자 인 사고 속도 라고 말했다. :아인슈타인과 중력파 퀘스트 .

탐지는 새로운 중력 파 천문학 시대를 안내하며, 이는 블랙홀의 형성, 인구 및 은하 역할에 대한 이해를 더 잘 이해할 것으로 예상됩니다. 이는 시공간의 질량이 너무 가파르므로 빛조차도 가파르게 탈출 할 수 없습니다. 블랙홀이 서로를 향해 나선형으로 병합되면, 그들은 갑자기 끝나기 전에 피치와 진폭이 더 높아지는 시공간 잔물결을 방출합니다. Ligo가 감지 할 수있는 크 르프는 가청 범위에 빠지지 만, 부족한 귀에 의해들을 수 없을 정도로 너무 조용합니다. 피아노의 열쇠를 따라 손가락을 흘려서 소리를 다시 만들 수 있습니다. Weiss는“피아노에서 가장 낮은 노트에서 시작하여 중간 C로 가십시오. "그게 우리가 듣는 것입니다."

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오디오 : Ligo 팀이 기록한 중력파의 "Chirp".

물리학 자들은 이미 지금까지 감지 된 신호의 수와 강도에 이미 놀랐으며, 이는 예상보다 더 많은 블랙홀이 있음을 의미합니다. Caltech에있는 Weiss와 Ronald Drever와 함께 Ligo를 설립 한 California Institute of Technology의 이론 물리학자인 Kip Thorne은“운이 좋았지 만 항상 운이 좋을 것으로 기대하고있었습니다. "이것은 일반적으로 완전히 새로운 창문이 우주에서 열렸을 때 발생합니다."

c. Henze/ NASA

비디오 : 두 개의 블랙홀 병합 및 중력 방사선의 시뮬레이션.

중력파를 도청하는 것은 다른 방식으로 우주에 대한 우리의 견해를 재구성 할 수 있습니다.

Columbia University의 Barnard College의 이론적 천체 물리학자인 Janna Levin은“우리가 처음으로 우리가 하늘에서 망원경을 가리킬 때까지 이것을 비유합니다. "사람들은 거기에서 볼 것이 있다는 것을 깨달았지만 우주에 존재하는 거대하고 놀라운 가능성을 예견하지는 않았습니다." 마찬가지로 레빈은 중력파 감지가“우주는 망원경에서 단순히 감지 할 수없는 어두운 물건으로 가득 차 있다고 밝혔다”고 말했다.

첫 번째 중력파 탐지에 대한 이야기는 9 월 월요일 아침에 시작되었으며, 강타로 시작되었습니다. 신호는 너무 크고 분명하게 Weiss가 생각했습니다.“이것은 쓰레기입니다. 좋지 않아야합니다.”

열병

첫 번째 중력 파도는 Advanced Ligo의 탐지기 (Livingston에서, Hanford에서 7 밀리 초 후에) 9 월 14 일 초반에 모의 실행 중에 데이터 수집이 공식적으로 시작되기 2 일 전에

탐지기는 5 년, 2 억 달러 규모의 업그레이드 후 다시 발사되었으며, 이로 인해 새로운 노이즈 감독 거울 서스펜션과 실시간으로 외부 진동을 취소하기위한 활성 피드백 시스템이 장착되었습니다. 업그레이드는 고급 리고가 전임자 인“초기 리고”에 대한 주요 민감도를 높였으며 2002 년부터 2010 년까지 Weiss가 말한 것처럼“좋은 깨끗한 0”을 감지했습니다.

큰 신호가 9 월에 도착했을 때, 아침이었던 유럽의 과학자들은 미국 동료들에게 광란에 이메일을 보냈습니다. 팀의 나머지 부분이 깨어 났을 때 뉴스는 빠르게 퍼졌습니다. 와이즈에 따르면, 실제로 모든 사람들은 회의적이었다. 특히 그들이 신호를 보았을 때. 많은 사람들이 데이터를 해킹 당했다고 의심 한 것은 교과서의 처프였습니다.

중력파를 찾는 데 실수 한 주장은 1960 년대 후반 메릴랜드 대학교의 조셉 웨버 (Joseph Weber)가 파도에 대한 반응으로 공명하는 알루미늄 막대를 관찰했다고 생각했을 때 오랜 역사를 가지고 있습니다. 가장 최근에, 2014 년에 BICEP2라는 실험에 따르면 빅뱅에서 시공간 잔물결이 시공간 잔물결이 감지되어 우주의 지오메트리로 영구적으로 얼어 붙었습니다. BICEP2 팀은 결과가 동료 검토되기 전에 큰 팡파르로 공개 된 다음 신호가 우주 먼지에서 나왔을 때 화상을 입었습니다.

애리조나 주립 대학의 우주 학자 인 로렌스 크라우스 (Lawrence Krauss)가 고급 리고 탐지의 바람을 얻었을 때“첫 번째 생각은 그것이 맹인 주사라는 것”이라고 그는 말했다. 초기 리고 동안, 시뮬레이션 된 신호는 데이터 스트림에 비밀리에 삽입되어 응답을 테스트하고 대부분의 팀에게 알려지지 않았습니다. 크라우스가 내부 소스에서 이번에 맹인 주사가 아니라고 들었을 때, 그는 그의 흥분을 거의 포함 할 수 없었습니다.

9 월 25 일, 그는 200,000 명의 추종자들에게 다음과 같이 트윗했다. 사실이라면 놀랍습니다. 살아남은 경우 세부 사항을 게시합니다.” 그런 다음 1 월 11 일 :“Ligo에 대한 나의 초기 소문은 독립적 인 출처에 의해 확인되었습니다. 계속 지켜봐! 중력파가 발견되었을 수 있습니다!”

팀의 공식 입장은 확실히 죽을 때까지 신호에 대해 조용히 유지하는 것이 었습니다. Thorne은 비밀의 맹세에 묶인 아내에게도 아내에게 말하지 않았습니다. "나는 개인적으로 축하했다"고 말했다. 이 팀의 첫 단계는 검출기의 수천 개의 다른 측정 채널을 통해 신호가 어떻게 전파되었는지, 그리고 신호가 보이는 순간 이상한 일이 있었는지 확인하는 것이 끔찍한 세부 사항으로 돌아가서 분석하는 것이 었습니다. 그들은 비정상적인 것을 발견하지 못했습니다. 그들은 또한 실험의 수천 개의 데이터 스트림에 대해 누구보다 더 많은 것을 알아야했던 해커를 배제했습니다. Thorne은“맹인 주사를하는 팀조차도 많은 지문을 남기지 않을 정도로 주사를 완성하지 못했습니다. "그리고 지문은 없었습니다."

또 다른, 약한 처프는 이후 몇 주 동안 나타났습니다.

과학자들은이 첫 두 신호를 훨씬 더 휩쓸었던 것으로 분석했으며, 신체 검토 편지 에 종이를 제출했습니다. 1 월; 오늘 온라인으로 나타났습니다. 첫 번째 가장 큰 신호의 통계적 유의성에 대한 그들의 추정치는“5 시그마”이상이며, 과학자들은 그것이 실제인지 99.9999 %입니다.

중력 듣기

아인슈타인의 일반 상대성 방정식은 너무 복잡하여 대부분의 물리학 자들이 중력파가 존재하고 감지 가능하다는 데 동의하는 데 40 년이 걸렸습니다.

아인슈타인은 먼저 물체가 중력 방사선의 형태로 에너지를 흘릴 수 없다고 생각한 다음 마음을 바꿨습니다. 그는 1918 년 논문에서 다음과 같이 할 수있는 종이를 보여 주었다 :이진 별이나 폭죽처럼 터지는 초신성과 같은 두 개의 축을 한 번에 회전시키는 아령 같은 시스템은 시공간에 파도를 만들 수있다.

그럼에도 불구하고 아인슈타인과 그의 동료들은 계속해서 와플로 갔다. 일부 물리학 자들은 파도가 존재하더라도 세상은 그들과 함께 진동하고 느낄 수 없다고 주장했다. 1957 년까지 Richard Feynman은 그 질문을 쉬게했으며, 중력파가 존재하면 이론적으로 감지 가능하다는 생각 실험과 함께 생각 실험을했습니다. 그러나 그 아령 같은 출처가 우리 우주 지역에 얼마나 흔한 지, 그 결과 파도가 얼마나 강하거나 약한 지 아무도 몰랐습니다. "그 궁극적 인 질문이있었습니다 :우리는 그것들을 실제로 감지 할 것인가?" Kennefick이 말했다.

1968 년,“Rai”Weiss는 MIT의 젊은 교수로서 일반 상대성 이론에 관한 수업을 가르치는 데 썩었습니다. 조셉 웨버가 중력파를 감지했다는 소식이 전혀 없었다. Weber는 미국 주에 2 개의 다른 주에 책상 크기의 알루미늄 막대를 설치했으며 중력파가 그들 모두 울리는 것을 설정했다고보고했습니다.

와이즈의 학생들은 그에게 중력파를 설명하고 뉴스에 대해 무게를 두라고 요청했습니다. 그것을 살펴보면, 그는 복잡한 수학에 의해 협박되었습니다. "나는 [Weber]가 무엇을하고 있는지 알 수 없었다 - 막대가 어떻게 중력파와 상호 작용했는지를 알 수 없었다." 그는 오랫동안 앉아서“내가 생각할 수있는 가장 원시적 인 것은 중력파를 감지 할 것인가?” 그가“리고의 개념적 기초”라고 부르는 아이디어가 그에게왔다.

시공간에 앉아있는 세 가지 물체가 삼각형의 모서리에 거울을 상상해보십시오. Weiss는“빛을 다른 곳으로 보내십시오. "한 질량에서 다른 질량에서 다른 질량으로 이동하는 데 걸리는 시간을보고 시간이 바뀌 었는지 확인하십시오." 그는 이렇게 말했습니다.“당신은 그렇게 빨리 할 수 ​​있습니다. 나는 문제로 [내 학생들]에게 그것을 주었다. 사실상 전체 수업이 그 계산을 할 수있었습니다.”

향후 몇 년 동안, 다른 연구자들이 웨버의 공명 바 실험 결과를 재현하지 못했을 때 (그가 관찰 한 것은 불분명하지만 중력파는 아니었지만) Weiss는 훨씬 더 정확하고 야심 찬 실험을 계획하기 시작했습니다 :중력 간섭 간섭계. 레이저 라이트는 L 자형 배열로 3 개의 거울 사이에서 튀어 나와서 2 개의 빔을 형성합니다. 광파의 피크와 트로프의 간격은 두 팔의 길이를 정확하게 측정하여 x 로 생각할 수있는 것을 만듭니다. 및 y 시공간 축. 그리드가 여전히 있었을 때, 두 개의 가벼운 파가 모서리로 튀어 나와 서로를 취소하여 탐지기에서 널 신호를 생성합니다. 그러나 중력파가 지구를 가로 질러 휩쓸 으면 한쪽 팔의 길이를 늘리고 다른 팔의 길이를 압축 할 수 있습니다 (그리고 그 반대는 교대 패턴으로). 두 개의 광선의 오프 정렬은 탐지기에 신호를 만들어 공간과 시간에 맹렬한 진전을 나타냅니다.

동료 물리학 자들은 처음에는 회의적 이었지만, 실험은 곧 Thorne에서 챔피언을 발견했으며, Caltech의 이론 그룹은 블랙홀과 다른 중력파 원과 그들이 생산할 신호를 연구했습니다. Thorne은 Weber의 실험과 러시아 물리학 자의 유사한 노력에서 영감을 받았습니다. Thorne은“1975 년 컨퍼런스에서 Weiss와 대화를 나눈 후“중력파 감지가 성공할 것이라고 믿기 시작했습니다.”라고 Thorne은 말했습니다.“그리고 Caltech가 참여하기를 원했습니다.” 그는 Caltech가 스코틀랜드 실험가 Ronald Drever를 고용했으며, 그는 중력파 간섭계를 만들겠다고 요구했다. Thorne, Drever 및 Weiss는 결국 팀으로 일하기 시작했으며, 각각 실행 가능한 실험을 개발하기 위해 해결해야 할 수많은 문제를 해결했습니다. 이 트리오는 1984 년에 Ligo를 설립했으며, 프로토 타입을 구축하고 성장하는 팀과 협력 한 후 1990 년대 초 NSF 자금으로 1 억 달러 이상을 뱅킹했습니다. 한 쌍의 거대한 L 자형 검출기를 위해 청사진이 그려졌습니다. 10 년 후, 탐지기는 온라인으로 갔다.

Hanford와 Livingston에서는 진공 청소기가 각 검출기의 4km의 팔의 중앙을 따라 내려 가서 레이저, 빔 경로 및 거울을 행성의 지속적인 떨림과 함께 가능한 한 분리 된 것으로 유지합니다. 기회를 잡지 않고, 리고 과학자들은 각 데이터가 실행 중에 수천 개의 악기로 탐지기를 모니터링하여 지진 활동, 대기압, 번개, 우주 광선의 도착, 장비의 진동, 레이저 빔 근처의 소리 등을 측정합니다. 그런 다음 이러한 다양한 배경 노이즈 소스에 대한 데이터를 정리합니다. 아마도 가장 중요한 것은 두 개의 탐지기가있는 것이 데이터를 교차 확인하고 일치하는 신호를 찾는 것이 가능합니다.

Ligo Collaboration의 대변인 인 Marco Cavaglià는 진공 내부에서 분리되고 안정화 된 레이저와 거울을 사용하더라도“이상한 신호는 항상 발생합니다. 과학자들은이“Koi Fish”,“Ghosts”,“Fringy Sea Monsters”및 기타 불량 진동 패턴을 소스로 돌아가서 범인을 제거 할 수 있어야합니다. 박사후 연구원이자 팀의 최고 글리치 형사 중 한 명인 제시카 맥버 (Jessica McIver)는 테스트 단계에서 한 가지 어려운 사례가 발생했다고 말했다. 그것은 데이터에 너무 자주 나타나는주기적이고 단일 주파수 인공물이었다. 그녀와 그녀의 동료들이 거울 진동을 오디오 파일로 전환했을 때,“전화의 링 링 링을 분명히들을 수 있습니다.”라고 McIver는 말했습니다. "그것은 레이저 인클로저 내부의 전화를 호출하는 텔레 마케터로 판명되었습니다."

Advanced Ligo의 탐지기의 민감도는 향후 몇 년 동안 계속 개선 될 것이며, Advanced Virgo라는 세 번째 간섭계는 이탈리아에서 온라인으로 제공 될 것입니다. 데이터가 대답하는 데 도움이 될 수있는 한 가지 질문은 블랙홀이 어떻게 형성되는지입니다. 그것들은 가장 초기의 거대한 별을 파괴하는 산물입니까, 아니면 별의 단단한 클러스터 내부의 충돌에서 비롯된 것입니까? “이것은 단지 두 가지 아이디어 일뿐입니다. 먼지가 정착하기 전에 몇 가지 더있을 것입니다.”라고 Weiss는 말했습니다. Ligo Tallies가 향후 새로운 통계를 통해 과학자들은이 블랙 홀 오리지널 스토리의 속삭임을 듣게 될 것입니다.

모양과 크기로 판단하면서, 첫 번째로 큰 크기는 약 30 개의 태양열 중 2 개의 블랙홀이 Eons의 상호 중력 매력 아래 느린 댄스 후 병합 된 위치에서 약 13 억년의 광년 떨어져있었습니다. 블랙홀은 배수구의 물처럼 끝이 가까워지면서 더 빠르고 빠르게 사라질 때, 세 개의 태양의 에너지를 거의 눈을 깜박이면서 중력파로 흘 렸습니다. 합병은 지금까지 감지 된 가장 활기찬 사건입니다.

Thorne은“폭풍에서 바다를 본 적이없는 것처럼 보인다. 그는 1960 년대부터 시공간에서 폭풍을 기다리고 있습니다. 그는 파도가 마침내 굴러 갔을 때 경험 한 느낌은 흥분이 아니라 다른 것 :심오한 만족.