الفلك

ماذا رأى LIGO في الواقع؟ (اكتشاف موجات الجاذبية)

ماذا رأى LIGO في الواقع؟ (اكتشاف موجات الجاذبية)

أحاول العثور على مقطع فيديو / صورة أصلية لما شاهده LIGO بالفعل ، لكن كل ما يمكنني العثور عليه هو عمليات نقل الفنانين لموجات الجاذبية.


الصورة الفعلية ليست كثيرة. تمكنت من العثور عليه من علموهذا كل ما في الأمر:

إنه مجرد تموج ، يُرى في أوقات مختلفة قليلاً من مرصدين مختلفين. يتناسب هذا التحول تمامًا عن طريق إزاحته حسب سرعة اختلاف الضوء في مواقعهم. هذا هو الدليل على موجات الجاذبية.

وتجدر الإشارة إلى أن سبب وجود أداتين هو توفير فحص متقاطع ضد مصادر الاهتزاز الأخرى. يعمل كل مرصد عن طريق اكتشاف الاهتزازات على مقياس 4 كيلومترات ، وصولاً إلى ترتيب صغير جدًا من حيث الحجم (1/10000 من عرض البروتون). عند المقارنة بين الاثنين ، يمكن للمرء أن يفترض أن الإشارة يجب أن تكون قد أتت من مصدر غير محلي ، والذي يناسب هذا التعريف فقط موجات الجاذبية.


لا أعرف ما إذا كان هذا مثيرًا للاهتمام بالنسبة لك ، ولكن إليك رابط الورقة التي تم نشرها حول تلك الملاحظات:

http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102

بمجرد أن تكون الإجابة أعلاه واضحة تمامًا! ما تقوله الورقة (باختصار) هو أن ليجو قد لاحظ إشارة موجة جاذبية عابرة ، وتتطابق هذه الملاحظات مع تنبؤات شكل الموجة المستمدة من النسبية العامة للنظام الذي يتضمن ثقبين أسودين.


لم ير LIGO أي شيء. إنه يراقب الأطوال النسبية للمسارات التي يسلكها حزمتا ليزر في أنابيب مفرغة يبلغ طولها حوالي 4 كيلومترات (على الرغم من أن مسار الليزر يتكون من حوالي 75 رحلة لأعلى ولأسفل الذراعين) وعند الزوايا القائمة لبعضهما البعض.

تغير موجة الجاذبية ، التي تنتقل بسرعة الضوء ، نسبة هذه الأطوال (يقصر المرء ، ويكبر الآخر ، ثم يتبادلان) بحوالي زائد أو ناقص جزء واحد في $ 10 ^ {21} $ (مليار تريليون) حوالي 30-200 مرة في الثانية أثناء مرورها عبر الجهاز.

استمر الحدث بأكمله حوالي 0.3 ثانية والتتبع (الذي كان منتشرًا في جميع الأخبار) يسجل ببساطة الكسر الذي يتغير به طول الذراعين كدالة للوقت.

تم تسجيل الحدث (تقريبًا) في وقت واحد بواسطة إعدادين متطابقين تقريبًا في أجزاء مختلفة من الولايات المتحدة الأمريكية. يستبعد اكتشاف نفس الإشارة في كلا الكاشفين سببًا محليًا للاضطراب ، ويسمح التأخير الزمني الصغير بين الاكتشافات بتحديد موقع تقريبي لمصدر موجة الجاذبية في السماء.


بادئ ذي بدء ، أعتقد أن سؤالك يناقض سوء فهم طبيعة مراصد ليجو. تكمن طبيعة أجهزة الكشف في أنها تعمل مثل الميكروفون بدلاً من الكاميرا. ما يعنيه ذلك هو أنهم حساسون لموجات الجاذبية القادمة من معظم الاتجاهات ، لكن ليس لديهم القدرة على التمييز بين مصدر الموجات. باستخدام أجهزة كشف متعددة (وهو أمر ضروري أيضًا للكشف الموثوق به) ، يمكن استخدام الاختلاف الزمني بين أجهزة الكشف لإعطاء فكرة عن موقع المصدر. وهذا يعني أيضًا أن إخراج الكاشفات عبارة عن دفق واحد من البيانات.

هذه الصورة من الورقة البحثية في Physical Review Letters (ليست خلف جدار حماية) هي ملخص أفضل لما سمعه LIGO من الإجابة المقبولة حاليًا. سأشرح الأجزاء من أعلى إلى أسفل.

  1. تُظهر الألواح العلوية الإشارات "الخام" المقاسة في الكاشفين مع بيانات H1 متراكبة على بيانات L1 على اليمين.
  2. يُظهر الصف الثاني من الألواح عددًا من عمليات المحاكاة المختلفة لما تتنبأ به النسبية العامة (نظرية أينشتاين) لموجات الجاذبية. هذه المحاكاة هي الطريقة التي يستطيع بها LIGO الادعاء بأنهم يعرفون أن الموجة نتجت عن اندماج ثقبين أسودين.
  3. الصف الثالث من الأجزاء هو البيانات "الخام" مطروحًا منها عمليات المحاكاة.
  4. الأجزاء السفلية هي ببساطة طريقة أخرى لتخطيط البيانات "الأولية" تسمى مخطط الوقت-التردد. الوقت على المحور س والتردد على المحور ص. بالنسبة لشخص من الميدان ، هذه الإشارة هي أكثر خصائص الاندماج شهرة ، والمعروفة باسم غرد. مع تقدم الوقت ، ينتقل التردد إلى أعلى. يمكنك بالفعل الاستماع إلى النغمة "الخام" هنا.


وفقًا للبرنامج التعليمي GW150914 ، هذا ما شاهدته أجهزة الكشف المتقدمة LIGO L1 و H1 في الأصل:

يمكنك تنزيل البيانات الأولية من هذا البرنامج التعليمي.

تُظهر الإجابات الأخرى أشكال موجة تمت معالجتها بالفعل (مبيضة ، مصفاة ، مزاحة بمقدار 7 مللي ثانية ، معكوسة).


الآلية الفعلية للقياس التي استخدمها LIGO هي قياس التداخل بالليزر ، لذا فإن أحد التفسيرات المعقولة لما "رآه" LIGO سيكون نمط التداخل الذي تسببه موجات الجاذبية ، والذي "سيبدو" مثل هذا:

للأسف لم أجد صورة لتداخل الليزر الفعلي الذي ذكره LIGO ؛ ربما يكون صغيرًا جدًا للتصوير على أي حال.

جميع الرسوم البيانية الأخرى التي يربطها الأشخاص هي مجرد رسوم بيانية لبيانات نمط التداخل. إن عرض رسم بياني لبيانات LIGO كإجابة على هذا السؤال يشبه إظهار الرسم البياني للصورة كإجابة على السؤال ، "ماذا يرى تلسكوب هابل الفضائي؟"


ترى أشكال الموجة كما هو موضح أعلاه.

بعض الأمثلة يمكنك الحصول عليها واستكشافها بنفسك من هنا:


مؤكد! العلماء رأوا موجات الجاذبية (ربما)

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

تمكنت التحليلات الجديدة لبيانات LIGO من استخراج إشارة موجات الجاذبية بشكل نظيف من ضوضاء الخلفية. نيك كمبتون / مجلة كوانتا

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

بعد الإعلان التاريخي في فبراير 2016 الذي أشاد باكتشاف موجات الجاذبية ، لم يستغرق ظهور المتشككين وقتًا طويلاً.

قيل إن اكتشاف هذه التموجات الضعيفة في نسيج المكان والزمان بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) قد فتح أذنًا جديدة على الكون. لكن في العام التالي ، نشرت مجموعة من الفيزيائيين في معهد نيلز بور في كوبنهاغن بحثًا يلقي بظلال من الشك على تحليل ليجو. ركزوا انتقاداتهم على الإشارة الأولى الشهيرة للتجربة ، وهي خط متعرج - يمثل تصادم الثقوب السوداء العملاقة التي تبعد أكثر من مليار سنة ضوئية - والتي طُبعت في الصحف في جميع أنحاء العالم ووُشمت على الأجسام.

حتى عندما استشعر ليجو المزيد من إشارات موجات الجاذبية وحصل مؤسسوها على جوائز نوبل ، زعم باحثو كوبنهاغن ، بقيادة الأستاذ الفخري أندرو جاكسون ، أنهم وجدوا ارتباطات غير مفسرة في "الضوضاء" التي التقطتها كاشفات ليجو التوأم. الكاشفات - أدوات على شكل حرف L والتي تمتد أذرعها وتضغط بالتناوب عند مرور موجة الجاذبية - تقع في أماكن متباعدة في ليفينجستون ، لويزيانا ، وهانفورد ، واشنطن ، لضمان أن تموجات الجاذبية من الفضاء فقط هي التي يمكن أن تهز كلا الجهازين بالطريقة الصحيحة. لإنتاج إشارة منبهة. ولكن وفقًا لجاكسون وفريقه ، فإن الارتباطات في بيانات الضوضاء تشير إلى أن ليجو ربما لم يرصد موجات الجاذبية ولكن بعض الاضطرابات الأرضية ، وربما الزلزال. لقد زعموا ، على الأقل ، أن شيئًا ما لم يكن صحيحًا مع الأدوات أو مع تحليل علماء LIGO.

كانت النتائج مثيرة للقلق. فحص علماء LIGO عملهم مرة أخرى ، وزار فريق من الخبراء معهد نيلز بور العام الماضي للبحث في تفاصيل خوارزميات جاكسون وزملائه. شرعت مجموعتان من الباحثين في التحليل المستقل لبيانات LIGO ورمز مجموعة كوبنهاجن.

الآن أكملت المجموعتان دراستهما. تشرح الأوراق الجديدة جوانب مختلفة من المشكلة التي دفعت جاكسون ورفاقه إلى تقديم ادعاءاتهم. يستنتج كلا التحليلين بشكل قاطع أن الادعاء خاطئ: لا توجد ارتباطات غير مفسرة في ضوضاء LIGO.

قال مؤلفا إحدى الأوراق ، الفيزيائيان مارتن جرين وجون موفات من معهد بيريميتر للفيزياء النظرية ، في رسالة بالبريد الإلكتروني: "لا نرى أي مبرر للشكوك المستمرة حول اكتشاف موجات الجاذبية".

ليس للزوج أي علاقات مباشرة مع LIGO. قال موفات: "من المهم للعلم أن يقوم الناس بتحليل البيانات والنتائج بشكل مستقل عن المجموعة ، خاصة بالنسبة لمثل هذا الحدث التاريخي في تاريخ الفيزياء".

قال فرانس بريتوريوس ، خبير الموجات الثقالية في جامعة برينستون ، والذي لم يشارك في أي من الدراسات الحديثة ، إنه لأكثر من عام ، كان هو ومعظم مجتمع الفيزياء مقتنعين بأن تحليل LIGO واكتشافه سليمين . ومع ذلك ، قال ، "من المهم أن يكون هناك أخيرًا تحليل شامل في شكل ورقة" ، بدلاً من "وسائل الإعلام ذهابًا وإيابًا".

قال المتحدث باسم LIGO Scientific Collaboration ، ديفيد شوميكر ، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، عبر البريد الإلكتروني ، إن النتائج الجديدة تدعم المناقشات الداخلية بين الفريق. قال شوميكر: "إن رؤية هذين التحليلين غير المتعاونين يؤكد من جديد يقيني بأن اكتشافات [موجات الجاذبية] حقيقية" ، وهو أيضًا تعزيز لتصورنا السابق عن مكان جاكسون وآخرون. الورق به مشاكل ".

في رسالة بريد إلكتروني ، وصف جاكسون ورقة جرين وموفات ، التي نُشرت في مجلة Physics Letters B في سبتمبر ، بأنها "هراء مطلق". عندما طُلب منه التوضيح ، بدا أنه وصف حجتهم بشكل خاطئ ولم يتطرق إلى أهم القضايا التي أثاروها حول عمل فريقه. رفض جاكسون أيضًا المجموعة الثانية من النتائج التي توصل إليها أليكس نيلسن من معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في هانوفر بألمانيا ، وثلاثة مؤلفين مشاركين ، ظهرت ورقتهم على موقع الفيزياء التمهيدية arxiv.org في نوفمبر وهي قيد المراجعة من قبل مجلة علم الكونيات. وفيزياء الجسيمات الفلكية. كتب جاكسون: "نحن بصدد كتابة رد على هذه الورقة البحثية الأخيرة ، لذا لن أشرح أين ارتكبوا (مرة أخرى) أخطاءهم".

وقال موفات "مجموعة كوبنهاجن ترفض قبول فكرة أنهم قد يكونون على خطأ." "في الحقيقة ، هم مخطئون."

يقول الخبراء إن المشكلة ترجع إلى مزيج من الأخطاء الفادحة: العديد منها لعلماء الفيزياء في كوبنهاغن ، وواحدة من قبل LIGO.

للمساعدة في إثارة التذبذب الضئيل لموجة جاذبية عابرة من خلفية صاخبة ، تقارن خوارزميات ليجو باستمرار أطوال أذرع الكاشفين التوأمين ، والتي تتأرجح عند تحريكها بواسطة موجة جاذبية عابرة أو ضوضاء خلفية ، إلى "أشكال موجة نموذجية" - ممكن إشارات موجات الجاذبية المحسوبة من نظرية النسبية العامة لأينشتاين. عندما يكون هناك تطابق وثيق بين إشارة تم اكتشافها في هانفورد وإشارة تم استشعارها قبل أو بعد فترة وجيزة في ليفينجستون والتي تلائم أيضًا شكل موجة نموذجي ، تنتقل تنبيهات البريد الإلكتروني حول العالم.

ثم حدد العلماء بعناية الشكل الموجي الجاذبي "الأنسب" والذي يتطابق بشكل وثيق مع الإشارة الموجودة في الكاشفين. عندما يتم طرح هذا الشكل الموجي من كل إشارة ، فإن هذا يترك وراءه "بقايا ضوضاء" - وهي الاهتزازات الصغيرة المتبقية في الكاشفات التي يجب أن تكون غير مرتبطة ، نظرًا لأن الأجهزة تفصل بينهما حوالي 2000 ميل.

في ورقتهم البحثية لعام 2017 ، زعمت مجموعة كوبنهاجن أنها اكتشفت أن الضوضاء في ليفينجستون تطابق الضوضاء في هانفورد بعد سبعة مللي ثانية ، تمامًا كما وصلت إشارة موجة الجاذبية المفترضة إلى كلا الكاشفين. لقد فسروا هذا على أنه يعني أن LIGO إما لم يفصل إشاراته بشكل واضح عن الضوضاء ، أو أن الارتباطات في الضوضاء في اللحظة المناسبة بالضبط كانت مسؤولة عن الإشارة بأكملها.

ومع ذلك ، حدد جرين وموفات سلسلة من الأخطاء في معالجة البيانات لفريق كوبنهاغن والتي قالوا إنها تآمرت لإنشاء علاقة لم تكن موجودة بالفعل.

للبحث عن الارتباطات في القيم المتبقية ، اختار جاكسون وزملاؤه مقطعًا مدته 20 مللي ثانية من بيانات ليفينجستون وانزلق شرائح 20 مللي ثانية من بيانات هانفورد عبرها ، وسجلوا الارتباطات كلما تداخلت القمم مع القمم والقيعان مع القيعان. ووجدوا أن الارتباطات القوية حدثت عندما تم تعويض البيانات بسبعة مللي ثانية. لكن جرين وموفات لاحظوا أنه عندما أخذوا كود جاكسون وزملائه وعكسوا الإجراء ، وإصلاح بيانات ضجيج هانفورد وانزلاق شرائح بيانات ليفينجستون عبرها ، اختفى الارتباط عند الإزاحة البالغة سبعة مللي ثانية. قال جرين ، الخبير في معالجة الإشارات الرقمية: "كانت هذه علامة حمراء كبيرة لأنها تقول ، حسنًا ، ليس لديك طريقة حسابية قوية". بدلاً من ذلك ، تم ضبط أطوال مقاطع البيانات ومعالجتها غير المتكافئة للحصول على إشارة ارتباط في أي إزاحة زمنية مرغوبة تقريبًا ، على حد قوله.

في عملية حسابية منفصلة ، بدا أن جاكسون وفريقه وجدوا أنماطًا غير عشوائية مترابطة من القمم والقيعان في جميع سجلات الضوضاء في الكاشفين. لكن جرين وموفات استنتجوا أن فيزيائيي كوبنهاجن لم "يضعوا نافذة" على مجموعتي بيانات الضوضاء. التعرق هو تقنية قياسية للاتصال السلس للإشارة إلى الصفر في بداية ونهاية جزء من البيانات قبل إجراء عملية رياضية تسمى "تحويل فورييه" التي تسهل المقارنات مع البيانات الأخرى. يتعامل تحويل فورييه مع مقطع البيانات كما لو كان دوريًا ، ويربط البداية والنهاية معًا. إذا لم يتم وضع نافذة على المقطع ، فإن التغييرات المفاجئة في نقاط النهاية المسماة "تشوهات الحدود" يمكن أن تنتهي في الظهور وكأنها ارتباطات عند مقارنة البيانات بمجموعة بيانات ثانية.

عندما قام Green and Moffat بوضع إطار لمجموعتي بيانات الضوضاء ، اختفت الارتباطات المزعومة. وقال جرين "قلقنا هو أن الحسابات التي أجرتها مجموعة كوبنهاجن كانت مفتعلة للحصول على النتيجة التي أرادوا الحصول عليها."

استنتج نيلسن وشركاؤه - ألكسندر نيتز وكولين كابانو ودنكان براون - أيضًا أن الارتباط المزعوم في الضوضاء ليس حقيقيًا ، لكنهم يقولون إن الخطأ يمكن أن يُعزى جزئيًا على الأقل إلى خطأ LIGO في تقديم البيانات الخاطئة في الرقم الأول لورقة الاكتشاف لعام 2016 في رسائل المراجعة الفيزيائية.

قال براون ، عالم فلك الموجات الثقالية في جامعة سيراكيوز وعضو سابق في LIGO ، إن الشكل 1 هو "الشيء الذي رسمه الناس على أذرعهم" ، والذي ترك التعاون هذا العام لمتابعة تحليلات مستقلة للبيانات.

تُظهر اللوحة العلوية للشكل خطوطًا متعرجة جنبًا إلى جنب تمثل إشارة موجة الجاذبية المكتشفة في ليفينجستون وهانفورد. يوجد أدناه أشكال موجية للقالب تتطابق بشكل وثيق مع الإشارات ، وفي اللوحة السفلية ، خطوط خشنة تمثل "بقايا الضوضاء" في الكاشفين ، بعد طرح شكل موجة القالب من كل مجموعة بيانات.

أوضح براون أن كود جاكسون ، الذي فحصه بالتفصيل خلال زيارة إلى كوبنهاغن العام الماضي ، يكشف عن تداخل في القيم المتبقية عند تعويض سبعة مللي ثانية لسبب عادي: الشكل الموجي للقالب الموضح في الشكل 1 ليس هو الشكل الموجي "الأفضل" الذي استخدمه LIGO بالفعل في تحليله الدقيق. وأوضح براون وآخرون أنه تم إنشاء الشكل لأغراض توضيحية. قام صانع الشكل بمطابقة شكل موجة نموذجي مع الإشارات المزدوجة بالعين ، بدلاً من استخدام أفضل إشارة مناسبة كما تحددها الحسابات الدقيقة. تعني العيوب الصغيرة في الشكل الموجي المطروح وجود بعض إشارات موجة الجاذبية المتبقية في مجموعتي البيانات التي لم يتم طرحها ، والتي انتهى بها الأمر مختلطة مع الضوضاء الموضحة في الجزء السفلي من الشكل 1 - مما ينتج عنه ارتباطات يمكن أن تكون مثار من قبل خوارزميات جاكسون وزملائه. قال براون: "ما اكتشفوه كان طرحًا ناقصًا" لشكل موجة الإشارة. "عندما نطرح شكل موجة أفضل من الشكل المستخدم في ورقة PRL ، لا نجد أي بقايا ذات دلالة إحصائية."

وأضاف: "إذا ارتكب LIGO شيئًا خاطئًا ، لم يكن الأمر واضحًا تمامًا أن قطعًا من هذا الرقم كانت توضيحية وأن ادعاء الكشف لا يستند إلى تلك المؤامرة". ومع ذلك ، اتهم جاكسون علماء ليجو في رسالة بريد إلكتروني "بسوء السلوك" واتخاذ "قرار مدروس بعدم إبلاغ القارئ بأنهم ينتهكون أحد القواعد المركزية للممارسة العلمية الجيدة".

على من يقع اللوم ، شخصية ليجو القذرة أم حسابات مجموعة كوبنهاجن الخاطئة؟ قال براون: "في الواقع ، أعتقد أنهما كلاهما". إذا كان جاكسون وزملاؤه قادرين على ضبط معلماتهم لإنشاء ارتباطات عند تعويض سبعة ميلي ثانية ، كما تشير نتائج جرين وموفات ، فإن هذا من شأنه أن يؤدي إلى تحيز حساباتهم بشكل أساسي. بعد ذلك ، في نفس الإزاحة ، اختارت الخوارزمية المتحيزة الخاصة بهم البتات المنقوصة بشكل غير كامل من الإشارة في الضوضاء ، مما يعزز الانطباع الخاطئ.

ومع ذلك ، يؤكد جاكسون أن الارتباطات غير المبررة موجودة ويقول إنه وزملاؤه يستعدون لدحض العمل الأخير. لا يزال يعتقد أن أول وأقوى إشارة موجات جاذبية من LIGO (وجميع الإشارات الأخرى بالامتداد) ربما كانت شيئًا آخر تمامًا - ربما ، كما قال ، "ضربة صاعقة في بوركينا فاسو ، زلزالية ، أو حتى واحدة من" مواطن الخلل "الغامضة التي تراها أجهزة كشف LIGO مرة واحدة كل ساعة ".

لكن كلتا الورقتين الجديدتين راجعتا وأعادتا تحليل بيانات LIGO الأولية وأعادت اكتشاف إشارات موجات الجاذبية داخلها ، باستخدام خوارزميات مختلفة عن خوارزميات LIGO. قام باحثون آخرون بنفس الشيء.

قال شوميكر ، المتحدث باسم LIGO: "أعتقد أن السعي وراء تحليلات مستقلة لبيانات موجات الجاذبية هو أمر مهم وقيّم للغاية ، ويسعدنا أن يشارك المزيد من الأشخاص". "أن جاكسون وآخرون. حفز العمل بعض التحقيقات المستقلة الإضافية التي يمكن اعتبارها نتيجة إيجابية ، لكنني شخصيًا أعتقد أنها تأتي بتكلفة غير ضرورية تمامًا لـ "الدراما".

في هذه الأثناء ، سجل كاشفان LIGO التوأم ، جنبًا إلى جنب مع أداة ثالثة في أوروبا تسمى Virgo تم تشغيلها في عام 2017 ، 10 تصادمات للثقب الأسود حتى الآن وتذبذب زمكان واحد من اصطدام النجوم النيوترونية. أعلن العلماء عن أحدث أربعة اكتشافات للثقب الأسود هذا الشهر وأصدروا رسومات مبهرة تُظهر تزايد عدد سكان الكون من هذه المجالات الغامضة وغير المرئية فائقة الكثافة. عندما تم الكشف عن اصطدام النجوم النيوترونية العام الماضي ، دارت 70 تلسكوبًا نحو الألعاب النارية ، أشارت ملاحظاتهم إلى الأصل الكوني للذهب ، ومعدل توسع الكون وأكثر من ذلك.

قال براون إنه ليس من المستغرب أن يثير اكتشاف LIGO الثوري الشك. قال إنه تم الكشف عن حدث قوي "في اليوم الذي قمنا بتشغيله فيه" ، واتضح أن معدل تصادمات الثقوب السوداء في الكون كان في أعلى التوقعات.

قال: "إن الكون يحب علماء فلك الموجات الثقالية".

أعيد طبع القصة الأصلية بإذن من مجلة كوانتا ، وهي مطبوعة مستقلة تحريريًا لمؤسسة سيمونز وتتمثل مهمتها في تعزيز الفهم العام للعلم من خلال تغطية التطورات والاتجاهات البحثية في الرياضيات والعلوم الفيزيائية وعلوم الحياة.


في التيار الرئيسي

هذه الكتل الصغيرة مطمئنة ، لأنها تتلاءم تمامًا مع نطاق الكتلة من 5 إلى 20 كتلة شمسية من الثقوب السوداء ، وهو النوع الذي لوحظ بالفعل باستخدام تلسكوبات الأشعة السينية. عادة ما تقترن هذه الثقوب السوداء بالنجوم العادية ، ويمكننا أن نرى قرص الغاز الساخن الذي يتراكم حول الثقب الأسود وهو يسرق المواد من رفيقه.

& # 8220 حقيقة أنهم اكتشفوا ثقوبًا سوداء منخفضة الكتلة تجعلها أقرب إلى علم الفلك السائد ، حيث غالبًا ما تُرى مثل هذه الثقوب السوداء ، & # 8221 Loeb. & # 8220 أنه يؤسس علم فلك الموجات الثقالية كمجال. & # 8221

& # 8220 عندما حققنا الاكتشاف الأول ، كان الأمر مفاجئًا نوعًا ما لأنهم لا يتداخلون مع التوزيع المعروف للثقوب السوداء ، & # 8221 Vitale. & # 8220 الآن عدنا إلى ثقبين أسودين بكتل تتوافق تمامًا مع ما نتوقعه. من الجيد أن نرى أنه يمكننا استهداف سكان مشابهين. & # 8221

وهذا يعني أيضًا أن ليجو شاهد المزيد من رقصة الفالس القاتلة. كانت الثقوب السوداء في الحدث الأول ضخمة جدًا لدرجة أنها كانت تتأرجح حول بعضها بعشر مرات قبل أن تندمج. في الاصطدام الثاني ، شاهد الفريق 55 دورة كاملة قبل النهاية.

لكن الإشارة من الثقوب السوداء الأصغر كانت أيضًا أكثر صعوبة في الكشف عنها. الأول كان قويًا لدرجة أنه يمكنك رؤيته في البيانات بالعين المجردة. يمكنك حتى سماعه: ترجمة الإشارة إلى موجات صوتية أعطت & # 8220chirp & # 8220 ارتفاعًا في الصوت والحجم حيث تدور الثقوب السوداء حول بعضها البعض بشكل أسرع وأسرع.

تطلبت هذه الطريقة الجديدة خوارزميات أكثر استهدافًا ومعالجة متطورة لإخراج الإشارة من الضوضاء.

& # 8220 كان الحدث الأول صاخبًا جدًا وصارخًا في البيانات ، وقد تم العثور عليه من خلال الخوارزميات التي بحثت فقط عن أي شيء حقًا ، وليس الثقوب السوداء الثنائية على وجه الخصوص ، & # 8221 Vitale يقول. & # 8220 لهذا ، كان من المهم معرفة أننا نبحث عن ثنائيات مضغوطة. & # 8221

& # 8220 إذا حاولت إصدار زقزقة من البيانات ، فكل ما ستسمعه هو & # 8216ksshhhhhhh & # 8217 ، & # 8221 يقول عضو فريق LIGO Nergis Mavalvala ، أيضًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

بغض النظر ، فإن رؤية المزيد من الدورات يجعل هذا النظام مختبرًا أفضل لاختبار نظرية أينشتاين للنسبية العامة.

& # 8220 إذا كان هناك أي انحراف بسيط عن النسبية العامة ، فسوف يتراكم ، & # 8221 Vitale يقول. & # 8220 إذا كان لديك المزيد من الدورات ، فلديك أمل أفضل في معرفة ما إذا كان هناك خطأ ما. & # 8221 حتى الآن ، يتطابق الحدث تمامًا مع النسبية العامة.

قام الفريق أيضًا بقياس خاصية جديدة للثقوب السوداء: كان أحد العملاقين يدور ببطء.

قياس الدوران هو وسيلة لمعرفة كيفية تشكل الثقوب السوداء. إذا أتوا من زوج من النجوم انفجر كلاهما وأصبح ثقوبًا سوداء معًا ، فيجب أن يدوروا في نفس الاتجاه. إذا كانوا بالفعل ثقوبًا سوداء عندما وجدوا بعضهم البعض في بيئة كثيفة مثل الكتلة الكروية ، فلا ينبغي لهم ذلك.

سيساعد المزيد من الاكتشافات في قياس حجم الكون ، وسبر طبيعة المادة واختبار النسبية العامة إلى دقة أعلى من أي وقت مضى.

& # 8220 هذه هي أنواع الأشياء التي نريد القيام بها ، وبالكاد يمكننا القيام بها بأي طريقة أخرى ، & # 8221 Vitale.

لكننا سنحتاج إلى المزيد من الإشارات للإجابة على مثل هذه الأسئلة.

& # 8220 يقول لوب إن أهمية هذه الورقة هي أنها تحدد عددًا سكانيًا ، وليس مثالًا واحدًا. & # 8220 هناك فرق نوعي كبير بين وجود نقطة بيانات واحدة وامتلاك نقطتين. إنني أتطلع إلى تحسين الإحصائيات. & # 8221

دمر عيد الميلاد

شهد LIGO إشارته الثانية في الساعة 03:38:53 بالتوقيت العالمي المنسق في يوم الملاكمة العام الماضي ، والذي كان لا يزال في 25 ديسمبر في الولايات المتحدة. & # 8220 لقد كانت هدية عيد الميلاد ، & # 8221 يقول عضو الفريق سالفاتور فيتالي.

هذا يعني أن اكتشافه على الإطلاق يعد بمثابة استراحة محظوظة ، حيث ناقش الفريق ما إذا كان يجب إبقاء الكاشف يعمل خلال عطلة الشتاء أم لا.

لكن كان التوقيت محرجًا بالنسبة إلى فيتالي ، الذي كان يزور عائلته في إيطاليا في سبتمبر عندما وصلت الإشارة الأولى. كجزء من الفريق الذي يدرس الإشارة لمعرفة خصائص الثقوب السوداء ، تم قطع إجازته فجأة من خلال تحليل البيانات المحموم.

& # 8220 من الواضح أن وقتي هناك قد دمر تمامًا بسبب الحدث الأول ، & # 8221 كما يقول. أقسم الفريق على السرية ، لذا لم يستطع حتى إخبار والديه بما حدث.

& # 8220 كان علي فقط أن أقول ذلك & # 8217s مهم ، لكن لا تقلق ، سأقوم بإصلاحه لك في عيد الميلاد ، & # 8221 كما يقول. & # 8220 صباح يوم 26 استيقظت وهذا ما يحدث. هذا يعلمك درسًا: لا تتحقق أبدًا من بريدك الإلكتروني في صباح يوم 26. & # 8221

ظهر هذا المقال مطبوعة تحت العنوان & # 8220LIGO يرى اندماج الثقب الأسود الثاني & # 8221


الاستماع إلى السماء: اكتشاف موجات الجاذبية أثبت صحة أينشتاين

كان الحدث بالغ الأهمية - وجاء البيان الذي أعلن عنه للعالم بنبرة حماسية على النحو الواجب ، بينما كان أيضًا متوقفًا عن الموضوع: "سيداتي سادتي ، لقد اكتشفنا… موجات الجاذبية! لقد فعلناها!"

بهذه الكلمات ، كشف ديفيد ريتز ، المدير التنفيذي لمرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) ، عن الاكتشاف في غرفة مليئة بالصحفيين في نادي الصحافة الوطني في واشنطن العاصمة ، في 11 فبراير 2016. (الاكتشاف الفعلي) وقعت في 14 سبتمبر 2015.)

قدم هذا الاكتشاف أول دليل يدعم إيمان ألبرت أينشتاين بوجود موجات الجاذبية التي كانت جزءًا من نظريته العامة للنسبية. غذى مجال جديد من البحث العلمي ، يسمى علم فلك الموجات الثقالية ، هذا الإنجاز الملحوظ في LIGO - من خلال استخدام جهاز ليزر ، يسمى مقياس التداخل ، والذي يتضمن مستشعرات عالية الدقة ومضخمات تشغيلية ومنتجات أخرى من شركة Analog Devices، Inc. (ADI).

كان مصدر موجة الجاذبية هو اصطدام ثقبين أسودين ، على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض ، مما أدى إلى إنشاء قوة موجة ثقالية أكبر بعشر مرات من الطاقة المشعة مجتمعة لجميع النجوم في الكون.

"لقد وجدوا موجات [الجاذبية] لأينشتاين بعد 100 عام ، وقد حدث ذلك هنا ، وها هي الآلة التي قامت بذلك" ، هكذا عجب ديفيد كريس ، مدير التسويق التقني في ADI وخريج معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "لا يوجد شيء أفضل - وأنا أعلم أن أجزائنا فيه."

الاستماع إلى الكون

يتكون مرصد ليجو من اثنين من المرصدات والمنشآت - أحدهما في هانفورد ، واشنطن ، والآخر في ليفينجستون ، لويزيانا - وكلاهما بدأ العمل في عام 2002. وقد مولت مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) مشروع الفيزياء واسع النطاق ، وكانت هذه المرافق آنذاك تم إنشاؤها وبناؤها وتشغيلها بواسطة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تم تصميم المراصد المزدوجة ، والتي تعد من بين أكبر المشاريع التي تمولها مؤسسة العلوم الوطنية وأكثرها طموحًا حتى الآن ، من أجل "مراقبة" موجات الجاذبية الفيزيائية الفلكية - التي لا يمكن رؤيتها في الواقع. الطريقة الوحيدة لاكتشاف وجود موجات الجاذبية هي "الاستماع" إلى السماء.

تضع كل منشأة من منشآت LIGO الليزر داخل فراغ فائق السرعة ، وتقسم الليزر إلى جزأين ، وترسل كل شعاع لأسفل أحد ذراعي طولهما 2.5 ميل متعامدين مع بعضهما البعض. ثم تنعكس أشعة الليزر مرة أخرى من المرايا الموضوعة في نهايات الذراعين.

مقاييس التداخل هي أدوات استقصائية تستخدم بشكل روتيني في العلوم والهندسة. إنها تعمل عن طريق دمج مصدرين أو أكثر من مصادر الضوء لإنشاء نمط تداخل يمكن قياسه وتحليله. تم تصميم مقاييس التداخل من LIGO لاكتشاف القياسات الصغيرة جدًا التي لا يمكن الحصول عليها من خلال طرق أخرى.

عندما تمر موجة الجاذبية ، فإنها تغير الوقت في المنطقة المحيطة ، مما يتسبب في حركة دقيقة للذراعين بالنسبة لبعضهما البعض ، بترتيب 1/1000 من عرض البروتون. يغير ذلك المراحل النسبية للضوء المرتجع بمجرد تلقي الأجهزة للبيانات ، مما يؤدي إلى إطلاق الضوء إلى جهاز استشعار بصري ، مما ينتج عنه إشارة قابلة للقياس أو "زقزقة".

يقول ريتش أبوت ، رئيس مصمم الدوائر التناظرية في LIGO: "عندما تفكر في مرصد تقليدي ، تحصل على صورة ذهنية لشخص ينظر من خلال عدسة الكاميرا ، وينظر إلى الفضاء من خلال تلسكوب مصمم لاستقبال الضوء". "ما يفعله LIGO - وما يجعله فريدًا - هو أنه يقيس موجات الجاذبية ، التي لا تظهر مثل الضوء." لوصف الحساسية الاستثنائية لمقياس التداخل في LIGO ، يقارنها بميزان الوزن: "إذا كان بإمكانك إزالة كل الرمال من جميع شواطئنا على الأرض وتكديسها على مقياس الوزن ، فإن كاشف LIGO حساس بدرجة كافية بحيث يمكنك اكتشاف إزالة أقل من حبة رمل ".

أداء عالي: تقنية LIGO و ADI

يستخدم LIGO مجموعة من تقنيات الدوائر المتكاملة من ADI. تعمل مقاييس التداخل LIGO من خلال التنبؤ والتعويض عن جميع مصادر الضوضاء والاهتزازات المحيطة المحتملة. وهذا يعني أن إخراج الليزر الذي يستخدمه مقياس التداخل يجب أن يظل ثابتًا للغاية ، مع وجود اختلافات طفيفة للغاية في التردد والسعة.

لهذا السبب ، احتاج فريق LIGO إلى نظام تغذية مرتدة لقياس ناتج الضوء بشكل مناسب مع التحكم في السعة. يتطلب ذلك مكبر صوت منخفض الضوضاء للغاية مع أداء عالٍ. اختار فريق LIGO مضخم التشغيل AD797 الخاص بـ ADI (أو "op amp") لقدراته المنخفضة الضوضاء والتشويش المنخفضة. يستخدم AD797 op amp أيضًا في تطبيقات التصوير بالأشعة تحت الحمراء والسونار ، من بين استخدامات أخرى. تُستخدم منتجات ADI الأخرى أيضًا في تقنية LIGO:

  • يعمل مستشعر درجة الحرارة AD590 عالي الدقة من ADI على استقرار تردد الليزر ويقيس متوسط ​​درجة حرارة حجرة التفريغ الزجاجية التي تحتوي على الليزر.
  • يمكن أن يتراكم ناتج الليزر بسرعة تصل إلى كيلوواط داخل تجاويف الرنين في الذراعين ، مما يؤدي إلى تشويه القياسات. يستخدم LIGO مضخمًا عالي الجهد ADA4700 لتشغيل المشغلات الكهروستاتيكية لإبقاء المرايا في محاذاة.
  • تعمل الملفات اللولبية على تشغيل نظام تعليق المرآة الخاص بـ LIGO. في هذا النظام ، تقيس شريحة AD736 RMS توصيل الطاقة للملفات اللولبية ، مما يتيح أي إمالة ودرجة وانعراج مطلوبة ودقيقة.

يُعد تثبيت سعة الليزر من بين مفاتيح التعرف الناجح على موجات الجاذبية لأن "التقلبات يمكن أن تظهر كإشارات" ، يلاحظ أبوت. "لهذا السبب كنا بحاجة إلى مثل هذا الحل المركّز وغير المتنوع".

إثبات حق أينشتاين من خلال الأداء

تم اكتشاف أول صورة على الإطلاق لإشارة موجات جاذبية حقيقية في LIGO Livingston ثم بعد 7 مللي ثانية فقط ، وصلت إلى موقع هانفورد. حدث الاكتشاف خلال الأسبوع الأول من استخدام أجهزة الكشف عن الليزر LIGO الجديدة "المتقدمة" ، والتي تضمنت تقنيات الدوائر المتكاملة ADI. كان فريق LIGO سعيدًا باكتشاف موجات الجاذبية بعد وقت قصير من تثبيت الجهاز الجديد - وأن الإشارة كانت "عالية" بحيث لا لبس فيها.

يعكس الفارق بين اكتشاف إشارة الموجة الثقالية وكشف النقاب عنها حاجة الفريق للتحقيق والتأكد من أنها كانت حقيقية بالفعل. لعدة أسابيع ، أجرى علماء ليجو تجارب في كلا المرصدين لاستبعاد احتمال تسبب شذوذ آلي أو خلل في البرامج في حدوث الإشارات. في النهاية ، أكمل العلماء ما يُعرف بتحليل الارتباط والاقتران ، والذي خلص إلى أن الإشارة يمكن أن تكون قد نشأت فقط في الفضاء السحيق. أقسم جميع موظفي LIGO على السرية منذ ذلك الحين وحتى الإعلان العام.

في وقت لاحق ، تم اكتشاف موجة جاذبية ثانية في يوم عيد الميلاد ، 2015. ومرة ​​أخرى ، أجرى العلماء تحقيقات شاملة ، وبعد التأكد من الأصل الكوني للإشارة ، أعلنوا عن اكتشافها في 15 يونيو 2016.

عندما اقترح أينشتاين وجود موجات ثقالية وثقوب سوداء ، كان يعتقد أنه سيكون من المستحيل بشكل أساسي التحقق منها. لا تزال حقيقة أن مستشعرات ADI وغيرها من الأجهزة قد ساهمت في دقة مقاييس التداخل التي أنجزت هذا العمل الفذ في النهاية مصدر فخر كبير لأولئك الذين شاركوا في تطوير التكنولوجيا.

يقول بوب بارفيلد ، مدير الطيران والدفاع في ADI: "تدعم الأجهزة التناظرية التطبيقات الدقيقة لرصد الأرض ، وتحديد مواقع الاتصالات الفضائية ، ومركبات الإطلاق ، واستكشاف الفضاء لأكثر من 40 عامًا حتى الآن". "عندما تفكر في ما يوجد في الفضاء وما هو أبعد مما نعرفه الآن ، فهذا أمر محير للعقل. Some of the things that are being discovered—it’s just exciting to think that we’re on the edge of that.”


Danish Group’s Doubts That LIGO Discovered Gravitational Waves Resurface

A group of physicists in Denmark, which doubted last year whether American experiments to detect gravitational waves had actually confused noise for signal, has reared its head once more. ال عالم جديد reported earlier this week that the group, from the Niels Bohr Institute in Copenhagen, independently analysed the experimental data and found the results to be an “illusion” instead of the actual thing.

The twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories (LIGO), located in the American states of Washington and Louisiana, made the world’s first direct detection of gravitational waves in September 2015. The labs behind the observatories announced the results in February 2016 after multiple rounds of checking and rechecking. The announcement bagged three people instrumental in setting up LIGO the Nobel Prize for physics in 2017.

However, in June that year, Andrew Jackson, the spokesperson for the Copenhagen group, first raised doubts about LIGO’s detection. He claimed that because of the extreme sensitivity of LIGO to noise, and insufficient efforts on scientists’ part to eliminate such noise from their analysis, what the ‘cleaned-up’ data shows as signs of gravitational waves is actually an artefact of the analysis itself.

As David Reitze, LIGO executive director, told آرس تكنيكا, “The analysis done by Jackson وآخرون. looks for residuals after subtracting the best fit waveform from the data. Because the subtracted theoretical waveforms are not a perfect reconstruction of the true signal, … [they] find residuals at a very low level and claim that we have instrumental artefacts that we don’t understand. So therefore he believes that we haven’t detected a gravitational wave.”

Scientists working with LIGO had rebutted Jackson’s claims back then. The fulcrum of their argument rest on LIGO data being difficult to analyse and that Jackson and co. had made some mistakes in their independent analysis. They also visited the Niels Bohr Institute to work with Jackson and his team, and held extended discussions with him in teleconferences, according to آرس تكنيكا. But Jackson hasn’t backed down.

LIGO detects gravitational waves using a school-level physics concept called interference. When two light waves encounter each other, two things happen. In places where a crest of one wave meets a crest of the other, they combine to form a bigger crest similarly for troughs. Where a crest of one wave meets the trough of another, they cancel each other. As a result, when the recombined wave hits a surface, the viewer sees a fringe pattern: alternating bands of light and shadow. The light areas denote where one crest met another and the shadow, where one crest met a trough.

Each LIGO detector consists of two four-kilometre-long corridors connected like an ‘L’ shape. A machine at the vertex fires two laser beams down each corridor. The beams bounce off of a mirror at the end come back towards the vertex to interfere with each other. The lasers are tuned such that, in the absence of a gravitational wave, they reconvene with destructive interference: full shadow.

When a gravitational wave passes through LIGO, distorting space as it does, one arm of LIGO becomes shorter than the other for a fleeting moment. This causes the laser pulse in that corridor to reach sooner than the other and there’s a fringed interference pattern. This alerts scientists to the presence of a gravitational wave. The instrument is so sensitive that it can detect distortions in space as small as one-hundredth the diameter of a proton.

At the same time, because it’s so sensitive, LIGO also picks up all kinds of noise in its vicinity, including trucks passing by and construction work a few kilometres away. So analysts regularly have dry-runs with the instrument to understand what noise in the signal looks like. When they do detect a gravitational wave, they subtract the noise from the data to see what the signal looks like.

But this is a horribly oversimplified version. Data analysts – and their supercomputers – take months to clean up, study and characterise the data. The LIGO collaboration also subjects the final results to multiple rechecks to prevent premature or (inadvertent) false announcements. Such analysis banks on its own field of study, called numerical relativity.

Since the September 2015 detection, LIGO has made five more gravitational wave detections. Some of these have been together with other observatories in the world. Such successful combined efforts lend further credence to LIGO’s claims. The prime example of this was the August 2017 discovery of gravitational waves from a merger of neutron stars in a galaxy 130-140 million lightyears away. Over 70 other observatories and telescopes around the world joined in the effort to study and characterise the merger.

This is why LIGO scientists have asserted that when Jackson claims they’ve made a mistake, their first response is to ask his team to recheck its calculations. But though their response hasn’t changed since Jackson and co. have started raising questions, a better understanding of the problem has emerged: is LIGO doing enough to help others make sense of its data?

For one, the tone of some of these responses hasn’t gone down well. Peter Coles, a theoretical cosmologist at the Cardiff and Maynooth Universities, wrote on his blog:

I think certain members – though by no means all – of the LIGO team have been uncivil in their reaction to the Danish team, implying that they consider it somehow unreasonable that the LIGO results such be subject to independent scrutiny. I am not convinced that the unexplained features in the data released by LIGO really do cast doubt on the detection, but unexplained features there undoubtedly are. Surely it is the job of science to explain the unexplained?

From LIGO’s perspective, the fundamental issue is that their data – which is in the public domain isn’t easily understood or processed. And Jackson believes LIGO could be hiding some mistakes behind this curtain of complexity.

His and his group’s opinion, however, remains in the minority. وفقا ل عالم جديد report itself, many scientists who sided with Jackson don’t think LIGO has messed up but that it needs to do more to help independent experts understand its data better. Sabine Hossenfelder, a theoretical physicist at the Frankfurt Institute for Advanced Studies, wrote on her blog on November 1:

… the issue for me was that the collaboration didn’t make an effort helping others to reproduce their analysis. They also did not put out an official response, indeed have not done so until today. I thought then – and still think – this is entirely inappropriate of a scientific collaboration. It has not improved my opinion that whenever I raised the issue LIGO folks would tell me they have better things to do.

The LIGO collaboration finally issued a statement on November 1. Excerpt:

The features presented in Creswell et al. arose from misunderstandings of public data products and the ways that the LIGO data need to be treated. The LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration (LVC) have full confidence in our published results. We are preparing a paper that will provide more details about LIGO detector noise properties and the data analysis techniques used by the LVC to detect gravitational-wave signals and infer their source properties.

A third LIGO instrument is set to come up by 2022, this one in India. The two American detectors and other gravitational-wave observatories are all located on almost the same plane in the northern hemisphere. This limits the network’s ability to pinpoint the location of sources of gravitational waves in the universe. A detector in India would solve this problem because it would be outside the plane.

Indian scientists have also been a significant part of LIGO’s effort to study gravitational waves. Thirty-seven of them were part of a larger group of physicists awarded the Special Breakthrough Prize for fundamental physics in 2016.


The story behind LIGO’s detection of gravitational waves

A little over 100 years ago, in 1915, Einstein published his theory of general relativity, which, despite its name, is a theory that actually explains gravity. It states that mass — meaning all matter, including the planets — attracts mass, not because of an instantaneous force but because all matter wrinkles the flexible fabric of space-time.

Space-time is this thing in which we live and that connects us all. It’s like when we lie down on a mattress and distort its contours. The masses move when they see this space-time curvature and they follow the little curves, just like when our bedmate nestles up to us because of the curvature of the mattress.

A year later, Einstein derived from his theory that gravitational waves existed and that these waves were produced when masses move. For example, when two stars revolve around one another, they create folds in space-time that carry energy from the system, and the stars move toward each other. However, he also estimated these effects were so minute, it would never be possible to measure them.

A long time ago, two black holes were revolving around one another, accelerating until they were almost at the speed of light, and they fused into a massive black hole.

Thanks to the work of hundreds of scientists working in many countries over the course of many decades, these gravitational waves were finally discovered for the very first time in 2015. The story starts 1.3 billion years ago. A long, long time ago, in a galaxy far, far away, two black holes were revolving around one another — or, as I like to say, dancing the tango. They started moving slowly, but as they emitted gravitational waves, they grew closer together, accelerating in speed until they were revolving at almost the speed of light and fused into a single black hole that had 60 times the mass of the Sun compressed into the space of 360 kilometers. (That’s the size of the state of Louisiana, where I live.) And this incredible effect produced gravitational waves that carried the news of this cosmic hug to the rest of the universe.

It took us a long time to figure out the effects of these gravitational waves, because the way we measure them is by looking for those effects in distances. When the gravitational waves passed by the Earth, which was in 2015, they produced changes in all distances — the distances between all of you, the distances between you and me, our heights — every one of us stretched and shrank a tiny bit. It was predicted the effect would be proportional to the distance. But it’s still extremely small: even for distances much greater than my height, the effect is infinitesimal. For example, the distance between the Earth and the Sun changed by just one atomic diameter.

In 2015, we didn’t think we’d see anything in the data we were collecting via LIGO — and then nature surprised us.

How can that be measured? Fifty years ago, visionary physicists at Caltech and MIT — Kip Thorne, Ron Drever, Rai Weiss — thought they could precisely measure these distances using lasers that measured the distances between mirrors placed kilometers apart. (Editor’s note: on October 3, 2017, Thorne and Weiss — along with Barry Barish — were awarded the Nobel Prize in Physics for this work.) It took many years, a lot of labor, and many scientists to develop the technology and the ideas. Almost 30 years ago, researchers started building the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO): a pair of gravitational wave detectors, or interferometers, in the US. Each is four kilometers long one is in Livingston, Louisiana, in the middle of a beautiful forest, and the other is in Hanford, Washington, in the middle of the desert.

These L-shaped interferometers have lasers that travel from the center through four kilometers in a vacuum, they’re reflected in mirrors, and then they return via separate arms. We measure the differences in the distances of the two identical arms. These detectors are very, very, very sensitive — they’re the most precise instruments in the world. But why make two? The signals we want to measure come from space, but since the mirrors are moving all the time, we need two interferometers in order to distinguish the gravitational wave effects (which are astrophysical effects and should show up on the two detectors) from the local effects (which should appear separately, on either of the detectors).

In September 2015, we were finishing installing the second-generation technology in the detectors. We weren’t at the optimal sensitivity that we wanted — and we’re still not, two years later — but we wanted to gather data. We didn’t think we’d see anything, but we were ready to start collecting. And then nature surprised us. On September 14, 2015, we saw, in both detectors, a gravitational wave. In both detectors, we saw a signal with cycles that increased in amplitude and frequency and then went back down. These were the same in both detectors, and they were gravitational waves. And not only that — in decoding this type of wave, we were able to deduce they came from black holes fusing together to make one, more than a billion years ago. That was fantastic.

At first, we couldn’t believe it. We didn’t imagine this would happen until much later it was a surprise for all of us. It took us months to convince ourselves it was true, because we didn’t want to leave any room for error. لكنها كانت صحيحة. To clear up any doubt the detectors really could measure these waves, we measured another gravitational wave — it was smaller than the first one — in December 2015. The first gravitational wave produced a difference in the distance of four-thousandths of a proton over four kilometers. The second detection was even smaller, but it was still very convincing by our standards.

We like to say gravitational waves have a purpose, because they’re opening up a new way to explore the universe.

Despite the fact that these are space-time waves and not sound waves, we like to put them into loudspeakers and listen to them. We call this “the music of the universe.” If you listen to the first two notes, the second, shorter sound was the last fraction of a second of the two black holes which, in that fraction of a second, emitted vast amounts of energy. It was so much energy, it was like three Suns converting into energy, following that famous formula E = mc2. We love this music so much we actually dance to it.

People frequently ask me, “What can gravitational waves be used for?” When they asked author Jorge Luis Borges, “What is the purpose of poetry?” he asked them, “What’s the purpose of dawn? What’s the purpose of caresses? What’s the purpose of the smell of coffee?” And he answered, “The purpose of poetry is pleasure it’s for emotion, it’s for living.”

Since time immemorial, when humans — all of us, everyone, as kids — have looked up at the sky for the first time and seen the stars, we’ve wondered, “What are stars?” That curiosity is what makes us human. And that’s what we do with science. We like to say gravitational waves have a purpose, because they’re opening up a new way to explore the universe. Until now, we were able to see the light of the stars via electromagnetic waves. Now we can listen to the sound of the universe, even to things — like gravitational waves — that don’t emit light.

As we make the detectors more and more sensitive, we’ll be able to see other objects, like neutron stars that fuse and turn into black holes, or explosions of supernovas.

Are they useful? Can we derive any technology from gravitational waves? نعم ، على الأرجح. But it will probably take a lot of time. Even though we’ve developed the technology to detect the waves, maybe we’ll discover in 100 years that they’re useful. It takes a lot of time to derive technology from science, but that’s not why we do it. All technology is derived from science, but we practice science for the enjoyment.

So what’s left for us to do? كثيرا. As we make the detectors more and more sensitive — and we have lots of work to do there — not only are we going to see more black holes and be able to catalog how many there are, where they are, and how big they are, we’ll also be able to see other objects. We’ll see neutron stars fuse and turn into black holes. We’ll see a black hole being born. We’ll see rotating stars in our galaxy produce sinusoidal waves. We’ll see explosions of supernovas in our galaxy. We’ll be seeing a whole spectrum of new sources.

We like to say we’ve added a new sense to the human body: now, in addition to seeing, we’re able to hear. This is a revolution in astronomy, like when Galileo invented the telescope. Or, it’s like when they added sound to silent movies. This is just the beginning. We like to think the road to science is very long (it’s also very fun). Our large, international community of scientists, working from many countries together as a team, is helping make this road — we’re shedding light, sometimes encountering detours, and building, perhaps, a highway to the universe.

عن المؤلف

Gabriela González is a physicist working on the discovery of gravitational waves with the LIGO team. She is also a professor of physics and astronomy at Louisiana State University. González has been a member of the LIGO Scientific Collaboration since it was funded in 1997, served as the elected LSC spokesperson in 2011-2017, and is known for participating in the announcement of the discovery of gravitational waves in 2016.


A &lsquomarvellous new quest&rsquo

Speaking at the announcement made at the headquarters of the National Science Foundation in the US, the executive director of LIGO, David H Reitze, beamed with joy.

&ldquoOur observation of gravitational waves accomplishes an ambitious goal set out over five decades ago to directly detect this elusive phenomenon and better understand the universe, and, fittingly, fulfils Einstein&rsquos legacy on the 100th anniversary of his General Theory of Relativity,&rdquo he said.

Adding his thoughts, LIGO&rsquos founder, Rainer Weiss, said: &ldquoThe description of this observation is beautifully described in the Einstein theory of general relativity formulated 100 years ago and comprises the first test of the theory in strong gravitation. It would have been wonderful to watch Einstein&rsquos face had we been able to tell him.&rdquo

Perhaps the most famous person to comment on the panel, astrophysicist Kip Thorne, described the new discovery as being a &ldquomarvellous new quest&rdquo for humanity.

&ldquoWith this discovery, we humans are embarking on a marvellous new quest: the quest to explore the warped side of the universe &ndash objects and phenomena that are made from warped spacetime. Colliding black holes and gravitational waves are our first beautiful examples,&rdquo he said.

If you&rsquore still lost as to what the discovery of gravitational waves means, then check out this handy video we also covered, which sums it up in around 90 seconds.

Comments from National Science Foundation to follow&hellip


LIGO: The biggest discovery in modern astronomy?

Recently, I've been very fortunate to exchange emails and to meet a few of the key physicists at Caltech who are involved with the LIGO project. LIGO stands for the Laser Interferometer Gravitational Observatory. The program started back in the eighty's, it has involved thousands of workers, many, many universities, and cost a little over a billion dollars. Almost exactly one year ago and 100 years after Einstein's prediction of gravity waves, the observatory (actually two widely separated facilities) first detected the gravitational waves from two coalescing black holes. The coalescence took about 1/5 of a second when two massive black holes separated by about the distance from LA to San Francisco joined to become a single black hole. في غضون 0.2 seconds, three solar masses were converted into energy in the form of a radiating gravitational wave. Each observatory has the capability of detecting stress on the level of measuring the distance to the sun to within a small fraction of the diameter of an atom! This is a VERY, very small signal!

Eric Gustafson at Caltech just sent me a new movie about the discovery that's been release to the New Scientist. It is quite well done and you can watch it here:

The team at Caltech is now working on the future of GW detectors that could result in being able to observe the entire universe in the GWs spectrum (in maybe 50 years or so.) So the future of this whole technology is pretty exciting. In the meantime, I'll be surprised if there isn't a Nobel prize related to this project brewing somewhere. Of course the amazing thing is that Einstein figured this out 100 years ago (though he actually said that he didn't think that it would ever be measured.)

#2 555aaa

We had a talk here recently from Joey Shapiro-Key, one of the UW researchers on LIGO. She said that the LIGO detectors over on the Hanford reservation can detect the movement of one of the mirrors by something like the width of a proton. There are tours available at the Hanford reservation facility. You can also visit other parts of the nuclear facility at Hanford but the tour schedules aren't compatible.

Edited by 555aaa, 07 February 2017 - 09:21 PM.

#3 petert913

The Portland, OR astronomy club ( Rose City Astronomers) had a field trip there last year and it was really great.

We are trying to arrange another tour, plus possible star party with LIGO members.

Check www.rosecityastronomers.net home page to check it out.

#4 Dave Mitsky

سابق مجلة علم الفلك و سكاي & تلسكوب editor Robert Naeye gave a presentation on the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory at the November ASH meeting.

#5 jhayes_tucson

One of the additional features of the interferometers that amazed me is the amount of power in the system. Each resonator in the interferometer arms contains nearly a mega-Watt of optical power (as I recall it is something like 900 kW.) That number dictates the diameter of the beams and the quality of the coatings. They have to deal not only with shot noise but with radiation pressure noise and brownian noise due to energy in the optical coatings. This whole project took OCD to an entirely unheard of level.

Eric let on that the actual first signal discovery almost got completely screwed up because only two hours before the signal, a couple of grad students where out at night doing braking tests with a car along the beam lines to look for vibration isolation problems in the system. As I recall, something came up (like having to be up for a flight..or something) that caused them to quit their test early and go home. The movie talks a bit about vetting the data and the theory that someone might have intentionally injected false data. Behind the scenes, they called that the "evil genius" theory and they spent a full 6-months vetting every possibility to make sure that the data was real before announcing the discovery.

Edited by jhayes_tucson, 07 February 2017 - 10:43 PM.

#6 BYoesle

Truly an amazing engineering and science marvel, and a place well worth visiting:


LIGO sees gravitational waves

The experiment confirms the last piece of Einstein&rsquos general theory of relativity.

There&rsquos officially a new way to look at the universe, and it&rsquos not with a telescope.

After weeks of speculation, the LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration confirmed that they have seen waves in the very fabric of space-time, generated when two orbiting black holes spiraled into one another. So begins an era of gravitational wave astronomy.

These ripples in space were predicted as part of Albert Einstein&rsquos general theory of relativity 100 years ago. While they had been measured indirectly through observation of orbiting pulsars, they had never been directly observed &ndash until now.

&ldquoWe have detected gravitational waves,&rdquo David Reitze, LIGO&rsquos executive director, told a packed room at the National Press Club in Washington, DC, today. &ldquoWe did it.&rdquo

The Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, or LIGO, picked up signatures of space stretching and warping as the black holes released energy in the form of gravitational waves 1.3 billion years ago. The black holes, 29 and 36 times the mass of the sun and 150 kilometers in diameter, merged to form a larger black hole with 62 solar masses, releasing the rest of the energy in gravitational waves that started speeding towards Earth when multicellular life there was just developing.

The waves from the black hole merger were brief, lasting mere milliseconds. But the output from that collision was &ldquo50 times greater than all the power put out by all the stars in the universe put together,&rdquo says Kip Thorne, professor of physics at Caltech.

The signal arrived during an engineering test on Sept. 14 last year, a few days before the formal start of Advanced LIGO&rsquos first observing run, which lasted from Sept. 18 until mid-January.

&ldquoThe signal took a billion years to come to Earth and produce this tiny distortion in our detectors that we are very proud to measure,&rdquo says Gabriela González, Louisiana State University professor and spokesperson for the LIGO Scientific Collaboration.

LIGO uses two identical interferometers in Louisiana and Washington to search for gravitational waves. At each one, a laser beam is split so it travels down a pair of perpendicular arms. At the end of each 4-kilometer-long tube, it bounces off a mirror and heads back toward the origin, where it recombines with the rest of the light.

LIGO uses identical interferometers in Livingston, Louisiana (above), and Hanford, Washington.

Without gravitational waves, the distance remains identical, and the light waves cancel each other. But if a gravitational wave passes through, it stretches space-time in one direction and compresses it in another. This makes one arm of the interferometer longer than the other, and the waves of light don&rsquot match up as they should, revealing the telltale signal. LIGO is so sensitive, it can detect if the distance between its mirrors changes by 1/10,000 the width of a proton &ndash a positively minuscule measurement.

&ldquoThis was a truly scientific moonshot,&rdquo Reitze says. &ldquoAnd we did it. We landed on the moon.&rdquo

Reitze says the collaboration took months of rechecking to make sure that the signal was not a test or a false signal. Scientists confirmed that the signal was a gravitational wave that beautifully matched the prediction made by supercomputers and Einstein&rsquos theory. In addition to being the first direct observation of gravitational waves, this also provided the first proof that binary black holes exist in the universe.

The initial installation of LIGO ran for several years without seeing gravitational waves before beginning a five-year upgrade to create Advanced LIGO. The system is currently running four times better than when it turned off in 2010, but there are still improvements to go. At full capacity, LIGO will be 10 times more sensitive. Upgrades include an additional mirror, a more powerful laser source and improved sensors and seismic isolation.

&ldquoWe are going to have a huge richness of gravitational wave signals in LIGO&rdquo over the coming years, Thorne says.

Large optic inspection at the LIGO Livingston Laboratory.

LIGO, which is jointly operated by MIT and Caltech and has collaborators from more than 80 institutions worldwide, is scheduled for a six-month observing run later this year. The project will also eventually be joined later this year by Europe&rsquos Advanced Virgo, a third interferometer that could help triangulate the location of wave-generating objects in the sky. This will help telescope-based astronomers aim their lenses at the right spot to look for optical counterparts when experiments like LIGO see a signal. Japan and India are also slated to have gravitational wave experiments.

And there&rsquos plenty to study. While this signal emerged from the dance of two black holes, gravitational waves could also come from orbiting neutron stars or a black hole devouring a neutron star. There could even be relic gravitational waves left over from the big bang.

Scientists are interested in learning more about the properties of gravitational waves and using them to figure out just how many neutron stars and black holes are around or how binary systems form and change. But the questions don&rsquot stop there. Data coming out of LIGO could help address how matter behaves in extreme conditions, whether general relativity is the right theory of gravity or if the black holes that actually exist line up with the black holes predicted by Einstein&rsquos theory.

&ldquoNow that we have detectors able to detect these systems, now that we know binary black holes are out there, we&rsquoll be listening to the universe,&rdquo González says.

Gravitational wave astronomy will help scientists peer into our universe in a new way. The course of history has been expanding from visible light&ndashto radio waves, microwaves, gamma rays and even neutrinos. This first direct observation of gravitational radiation is just the next wave of information from the universe.

&ldquoThis is a very, very special moment,&rdquo says France Córdova, director of the National Science Foundation, which funds the LIGO observatories. &ldquoIt&rsquos seeing our universe with new eyes in an entirely new way.&rdquo


If LIGO did find gravitational waves, what does that imply about unifying gravity with the current standard model?

I have always had the impression that either general relativity is wrong or our current standard model is wrong.

If our standard model seems to be holding up to all of our experiments and then we find strong evidence of gravitational waves, where would we go from there?

لا شيئ. Gravitational waves are just a feature of General Relativity, which is a classical field theory, and so these would be another important piece of evidence for GR. The discovery would also open up the road to gravitational wave astronomy and the study of black hole mergers and similar events.

However nothing of this is affected by the quantization of gravity and the details of a theory of everything. GWs are well into the classical limit.

Think of the people who discovered EM waves did that tell them anything about quantum electrodynamics, or even quantum mechanics?

I would add to this a little.

The actual detection adds nothing since, as you say, the waves are postulated by a non quantum theory of gravity. However, data analysis of the precise nature of the waves could lead us to more.

For example supernova gravitational wave signals depend on the physics of supernovas. There is then a potential down the line for signal to differentiate beyond GR predictions for supernova (or supermassive black hole ringdown, compact object orbits etc) and just GR. It may be that these events never touch on a regime where GR breaks down and a quantum gravity would not and, even if they do, we are still a very long way from that kind of instruments and models necessary for such a study but it does make some food for thought.

Are gravity waves just oscilating changes in gravity intensity at a given point?

Think of the people who discovered EM waves did that tell them anything about quantum electrodynamics, or even quantum mechanics?

كذلك نوع من. Quantization was first discovered by studying the electromagnetic waves comming from a black body emitter.

are you familiar with mond by any chance?

i heard gravitational waves in bekenstein's (TeVeS) MOND model need 2 metrics on "double spacetime". together with the fact that it introduces 3 additional fields (TeVeS, 1 Tensor, 1 Vector, 2 Scalar) that makes it seem to me like a much more elegant way of explaining the observation that lead to people thinking there's dark matter. (irony off at this point).

no seriously, is the above halfway accurate and how would MOND be affected by experiments detecting gravitational waves?

Right, Gravity waves are expected. The important bit is Gravity wave astronomy. Maybe, just maybe, they are what other intelligent civilizations use to communicate long distances, and we may have just open the door to the cosmic internet.

IIRC, they did account for quantum fluctuations when constructing LIGO. So while the actual detection of gravity waves might not add to QED, it does play role in the overall experiment.

Iɽ like to address the rumors Lawrence Krauss is not a LIGO member, much less spokesman. The LIGO people themselves have been very careful in the past about announcing results, which is a good policy as the actions of BICEP2 show. Not to mention, they have blind injections where a signal is added to data as a test of the team's ability to recover it, and they do NOT tell the team that a blind injection has been made. That's why it's blind. Even if they do have data with a significant signal in it, they have to go through the process of making sure it wasn't a blind injection. Last time it happened that I know of (I'm not a LIGO member either) they already had a paper written up and comments and corrections made before the word came that it was a blind injection.

TLDR: please don't listen to rumors from Lawrence Krauss, just wait for the official LIGO spokesperson, Dr. Gabriela Gonzalez, to hold a press conference.

which is a good policy as the actions of BICEP2 show.

I found the whole BICEP2 - several decade old prediction leading to the modern day experiment and potential discovery, then eventual dusty galaxy - to be one of the best public demonstrations of the scientific method in action. I know it's good policy not to get ahead of yourself, but in some respects airing your failures is just as wonderful as successes because you get to see the actual process going on from the outside.

I don't understand why Larry decided to tweet this out. Really confusing. He should know better.

Last time it happened that I know of (I'm not a LIGO member either) they already had a paper written up and comments and corrections made before the word came that it was a blind injection.

كيف يحدث هذا؟ Wouldn't it be like they say 'hey we found something' and management is like 'oh nah that was just the test'? I mean you don't arrest your security auditor for hacking and have him about to be sentenced before management says 'oh hey no it was just a test' or write a study about how well your new drug worked before announcing 'wait it was just a placebo.'

Yes but that's slightly misleading, since blind injections don't happen at every observatory around the world simultaneously.

Other wise seismic waves would also produce fake results akin to blind injections all the time causing people to jump the gun, this is why there are many observatories around the world to correlate data.

Hey so this does not answer your question but rather is a response to your impression.

The standard model is actually perfectly compatible with gravity. In fact gravity as a quantum field theory is totally fine provided you view it as an effective field theory.

Essentially the problems with quantum gravity come in at higher and higher energies. We know it needs to be modified somehow but it is unclear how that should come about. However all gravitational theories should, in their low energy limit, reproduce GR and its effective quantum description.

There is one consistency test that the SM passes with flying colours actually which is that the gravitational anomaly vanishes in the theory. To prove I am not lying see pg 707 Peskin and Schroeder , or for an original reference you have http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0370269372908258 and for a discussion of that reference in the context of the SM one could consult http://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.39.693. I have not read these papers in detail as a disclaimer.

The basic punchline though is that although we cannot observe quantized gravitons the "problems" they present theoretically disappear once one thinks in terms of an effective field theory, which is really more of a philosophical shift than anything else.

If you want more details comment below and I will be happy to provide them.


شاهد الفيديو: موجات الثقالة أو الجاذبية شرح مبسط LIGO - gravitationnelle wave (شهر نوفمبر 2021).