Krusninger på rumtiden
Fysikere har brugt otte år og 365 millioner dollars på at bygge en radikalt ny slags observatorium til at detektere gravitationsbølger. Men vil det virke? En prøvekørsel sætter det på prøve
W. Wayt Gibbs*
En kold januar vind sender en rysten gennem Frederick J. Raab mens han med kikkerten for øjnene står på en vold nær centrum af LIGO Hanford Observatory. Hans blik løber nordpå langs en betontunnel, der er lige som en lineal, til en bygning fire kilometer mod nord: der er den ene ende af observatoriet. Efter at have drejet 90 grader panorerer Raab mod vest henover ørkenen, indtil han får øje på et identisk rør og endnu en bygning, også fire kilometer væk. ”Når vi taler om at låse laserstrålen, der skinner inde i disse rør," siger Raab, ”mener vi at holde laserbølgerne stabile bedre end bredden af et atom – over den afstand.”
Raab førte tilsyn med opførelsen af denne retvinklede konstruktion, en af et par, der er de største, dyreste og – hvis de opfylder deres konstruktørers ambition – mest følsomme detektorer, som indgår i 40 års jagt på gravitationsbølger. Dels lineal, dels ur: disse to instrumenter er rumtidsmålere, der vil forsøge at registrere, hvordan kontinuet dundres af de mest voldsomme omvæltninger i universet: eksploderende stjerner, kolliderende sorte huller og måske fænomener, vi endnu ikke har forestillet os. Når disse krusninger spredes udad med lysets hastighed, strækker og presser de skiftevis rummet og får afstanden mellem frit svævende genstande til at ekspandere og trække sig sammen. Men på det tidspunkt vibrationerne når Jorden, vurderer teoretikerne, at de er så svage, at de ændrer afstande med mindre end en del af en trillion milliard.
Selv om det er den allernyeste teknologi, der er proppet i LIGO, er det endnu ikke klart, om den kan opnå den utrolige følsomhed. Reduceret til så lille en mumlen overdøves de mægtigste kosmiske begivenheder let af de blideste jordiske forstyrrelser. ”Tidevandet deformerer både jordens skorpe og havene,” fortæller Raab mig. Det flytter bygningerne her med en tredjedel millimeter, 100 milliarder gange den flytning, en gravitationsbølge ville forårsage. Ethvert jordskælv i verden over styrke seks, rumlen fra enhver lastbil på nærliggende veje, computerventilatorerne i laboratoriet ved siden af – alle disse ting ryster jorden mere end bredden af et atom. ”Selv motorstøj fra jetfly, der passerer over os, kan arbejde sig vej ind,” siger Raab.
Nede i kontrolrummet iagttager vi, hvordan instrumentet kæmper for at kompensere for stød og bump. Fjorten dage inde i en 18 dages prøvekørsel, der begyndte den 28. december, vinder støjen. Raab stirrer på et panel med grafer, der projiceres på bagvæggen. En rød streg hopper op og ned og kortlægger hoveddetektorens status her, når den kastes ud af hak, stabiliserer sig og bliver kastet ud igen få minutter senere. En blå streg, der repræsenterer en mindre kvalitetskontrol detektor, er blevet helt flad.
Under en telekonference fejlfinder fysikeren H. Richard Gustafson problemer med sine kolleger på LIGO Livingston Observatory, som ligger i Louisianas urskove. Deltager i samtalen er direktøren for GEO 600, et lignende, men mindre instrument nær Hannover, Tyskland. ”Her på Hanford havde vi en skrækkelig nat,” siger Gustafson og beretter om problemer med computercrash og støjende elektronik.
Instrumentet i Louisiana har været mere forudsigeligt. I nattens løb kører det glat, men kl. 6:30 går dets linie på kontrolskærmen flad, da morgentrafikken på Interstate 12 nogle få miles fra observatoriet går igang, samtidig med at Weyerhaeuser skovhuggere begynder at fælde fyrretræer tætpå. GEO, med dens kortere, 600 meter arme og mindre krævende præcision, har været en model i pålidelighed, til tjeneste i mere end 90 procent af tiden. Men forskerne behøver alle tre instrumenter oppe at køre og i løbet af to uger varede det bedste stræk af samtidig kørsel kun lidt over halvanden time.
Szabolcs Márka, 32 årig ungarsk postdoc på LIGO Livingston, synes at være tilfreds med fremskridtene indtil videre på denne testkørsel, den femte han har ledet og den sidste før de to instrumenter starter på rutinemæssige døgnet-rundt observationer i maj måned. ”Som sædvanlig er vi i problemløsningsmode,” siger Márka.
|
|
|
KONTROLRUMMET på LIGO Livingston Observatory var hjemmet borte fra hjemmet for Caltec fysikeren Szabolcs Márka under de 18 dages prøvekørsel, som han ledede. Til trods for udfordringerne var holdet i stand til at samle mere end 70 timers videnskabelige data fra alle tre amerikanske interferometere samtidigt. |
Lige siden grundlæggerne af LIGO projektet – Kip S. Thorne og Ronald Drever fra California Institute of Technology og Rainer Weiss fra Massachusetts Institute of Technology – først foreslog Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory i 1984, har ingen tvivlet på, at kun en herkuleansk ingeniørbedrift ville få det til at virke. Det er én grund til, at ”projektet stod overfor enorm modstand fra astronomer,” siger Harry M. Collins, sociolog på Cardiff University i Wales, som har studeret feltets haltende udvidelse fra fysikkens bagland til Big Science.
”National Science Foundation afslog vores to første forslag,” husker Thorne. ”Og det tredje, som blev indgivet i 1989, gennemgik fem års meget omhyggeligt gennemsyn.” Højt profilerede astronomer, heriblandt Jeremiah P. Ostriker fra Princeton University, protesterede mod den høje pris, som i 1993 var steget til 250 millioner dollars. De frygtede, at mindre og mindre risikofyldte projekter ville blive skubbet ud af budgettet. Et blåt-bånd panel, som var oprettet til at rangere amerikanske astronomers prioriteter for 1990’erne udelukkede LIGO fra sin ønskeseddel. ”Det var en enstemmig beslutning,” husker John Bahcall, astrofysiker på Institute for Advanced Study i Princeton, N.J., som var formand for kommiteen. Kongressen vedtog LIGO forslaget først, men godkendte ikke betaling før i 1994.
Thorne og andre fortalere for LIGO argumenterede, at gravitationssignaler kunne starte et helt nyt felt i astronomi, fordi de bærer information om universet, som forskere ikke indsamler på nogen anden måde. Disse æteriske krusninger blev forudsagt i 1918 af Albert Einstein, der så dem som en uundgåelig konsekvens af hans almene relativitetsteori. Den tiltrækkende kraft, som vi kalder gravitation, postulerede Einstein som bekendt, forekommer, fordi massive legemer får universets firedimensionale klæde til at slå sig. Hvis et tæt objekt bevæger sig voldsomt, gyser rummet som svar herpå.
Når en gigantisk stjerne f.eks. løber tør for brændstof, kan den detonere i et glimt så lyst som 10 milliarder sole – en supernova. Astronomer tror, at stjernens ydre lag blæses ud i rummet, mens dens jernkerne imploderer med kraft nok til at kombinere alle dens elektroner og protoner til neutroner og eksotiske partikler. I løbet af minutter kollapser en fast metalkugle på størrelse med jorden til en neutronstjerne mindre end 20 kilometer i tværsnit. Den er så tæt, at en teskefuld af dens overflade ville veje næsten en milliard tons. Forskerne forventer, at en noget usymmetrisk supernova ville sende et udbrud af gravitationsenergi, der ville ramme Jorden adskillige minutter før blinket ankom – tid nok til at varsko almindelige astronomer om at rette deres teleskoper mod den. Vigtigere er det, at detaljer om neutronstjernens fødsel ville kunne udtrækkes fra gravitationssignalet selv om det opdukkende objekt selv er lille og svøbt i et tæppe af brændende gas.
LIGO blev konstrueret til at detektere neutronstjerners død såvel som deres fødsel. De fleste stjerner kredser om en partner og en gang imellem vil begge stjerner i et binært par blive til supernovaer og alligevel forblive låst i fælles trældom. Med hver omdrejning mister de to neutronstjerner en lille smule energi, når de påfører det omgivende rummets klæde rynker. På den måde bliver deres kredsløb trinvis tættere og tættere indtil de rives i stykker og smelter sammen og sommetider skaber et sort hul. Nær slutningen på deres rasende tango hvirvler de massive legemer omkring hinanden hundreder af gange i sekundet, mens de slår til rumtidens sengetøj omkring dem. Radiopulser fra sådanne binære systemer giver de mest overbevisende, omend indirekte, vidnesbyrd indtil videre for, at gravitationsbølger virkelig findes.
Men det er stadig rent gætteri om Caltec og M.I.T. grupperne, der driver LIGO for NSF, vil kunne detektere sådanne bølger direkte. ”Det sjove ved LIGO er,” siger Collins, ”at den ikke fra begyndelsen kan love succes.”
Problemet er ikke, at gravitationsbølger er svage. ”Energien i gravitationsbølger er forbavsende enorm,” siger Gabriela I. González, fysiker på LIGO Livingston. I løbet af det sidste minut, hvor neutronstjerner bevæger sig i spiral til deres død 65 millioner lysår fra jorden, ville gravitationspulsen være så energirig at ”hvis den ankom i form af synligt lys, ville den være lysere end fuldmånen,” siger Gonzáles.
Men ulig lys, som afsætter al sin energi, når det plasker mod stof, passerer gravitationen spøgelsesagtigt gennem faste objekter, med kun et prik af vekselvirkning. For en gravitationsbølge er jorden og alt på den næsten helt gennemsigtigt. Så selv det kraftige signal fra de sammensmeltende neutronstjerner vil kun vrikke centrum af hvert spejl med nogle få attometer (10-18 meter), den følsomhed LIGO blev konstrueret til at opnå.
Når en af observatoriets arme svulmer op, vil den anden krympe. Laserlysets fase og frekvens inde i armene vil ændre sig i modsatte retninger. Når strålerne fra de to arme superponeres på en referencestråle, vil de være ude af takt og de vaklende beats, de frembringer, kan afkodes af computere for at afsløre ændringen i rumtidens krumning inde i armene. I princippet kan teknikken, kendt som interferometri, måle afstandsændringer, der er meget mindre end det infrarøde laserlys’ bølgelængde – faktisk meget mindre end en atomkerne.
Selvom LIGOs mål for følsomhed er ambitiøst, lader det astronomerne uimponerede. Neutronstjernepar er relativt sjældne; deres død er spektakulær men hurtig. Indenfor 65 millioner lysår vurderer astronomerne, at der kun sker en sådan sammensmeltning hvert 10.000 år. ”Så selv om det er muligt, at vi ville se disse bølger,” siger Thorne, ”er det ikke højst sandsynligt.” Han mener, at det er mere sandsynligt at LIGO ville opsamle sammensmeltning af sorte huller, som er 100 gange kraftigere end neutronstjerne varianten. Men teoretikerne er usikre med en faktor 1.000 om, hvor hyppigt disse begivenheder kunne finde sted indenfor LIGOs område. Der kan være 10 om året eller kun en hvert århundrede.
Hvis man gik ud til 300 millioner lysår, ville det forbedre chancerne, men så ville en typisk hændelse kun ændre længden af LIGOs arme med en del ud af 1022. Observatører vil skulle vente på version 2.0 af LIGO for at detektere en så lille skælven, som kan sammenlignes med at lægge mærke til, at Saturn har bevæget sig nærmere til Solen med bredden af et brintatom.
|
|
|
MARK COLES, direktør for LIGO Louisiana, prøver at overkomme tømmerhugst, trafik og andre støjkilder der modarbejder hans ingeniørers anstrengelser. ”Det kan være, at vi de første få år ikke vil kunne gå hele vejen til fuld design følsomhed,” siger han. ”Men det er alligevel et mægtigt projekt at arbejde på.” |
Som om det ikke var vanskeligt nok, skal LIGO ingeniørerne kæmpe med den kendsgerning, at spejle vrikker af masser af grunde, der ikke har noget at gøre med supernovaer, neutronstjerner eller sorte huller. Varme forårsager, at molekyler i spejlene og kablerne, de hænger i, støder tilfældigt. Denne termiske støj kan drukne gravitationsbølger, hvis frekvens ligger mellem 50 og 200 hertz. Ved højere frekvenser overvældes interferometeret af kvantevirkningen kaldet ”shot noise,” som sker, fordi antallet af fotoner, der rammer dens sensorer, varierer fra det ene øjeblik til det andet. ”Man kunne skrue laserstyrken op for at forstærke signalet over støjen,” forklarer Norna Robertson, en af GEO instrumentets konstruktører. ”Men hvis man sender for meget lys ind, sparker det spejlene omkring på tilfældig måde.”
I øjeblikket er den største udfordring for LIGO dog ved lave frekvenser, hvor jorden er i konstant bevægelse. ”Ved 100 hertz bevæger jorden sig op og ned omkring 10-11 meter,” siger Raab. ”Vi ønsker at se bevægelser på 10-19 meter” fordi det er en 1022 del af LIGOs fire kilometer lange arme. ”Så vi har behov for at reducere den seismiske støj 100 millioner gange.”
Vi tager briller og skobeskyttere på og begiver os over mod det høje rum, der indeholder laseren og det meste af detektorens følere. Da han åbner døren til det huleagtige rum, sænker Raab stemmen til lige over en hvisken. Jeg prøver at træde varsomt.
Raab går over til et vakuumkammer af stål på størrelse med en varevogn på højkant. For at komme fra jorden til spejlet derinde skal en seismisk rumlen passere gennem en stabel anordninger, som er konstrueret til at tappe dens energi: en plade på en meter af forstærket beton, saksedonkrafter, luftlejer, fire lag tykke fjedre efter mål, fire tunge stålplader (som hver har forskellig resonansfrekvens) og, endelig, et pendul af pianotråde. ”Vi reducerer seismisk støj med en faktor 100 i pendulophænget og med endnu en faktor på en million med isoleringsstablen,” bemærker Raab. Nogle bevægelser i jorden, som tidevand fra månen, skal alligevel bekæmpes med mere aktive anordninger, som computerkontrollerede elektromagneter, der skubber og trækker i små magneter, der er limet til spejlene.
Alligevel er dæmpning af ydre støj 100 millioner gange ikke nok. ”Her fornylig var der et jordskælv i Sumatra på styrke 7; det slog os offline,” siger Raab. Stærk blæst har også trukket Hanford interferometeret ud af lås.
Ikke al seismisk støj er naturlig. Robert Schofield, postdoc ved University of Oregon, er blevet udpeget til LIGOs støjdetektiv. En aften sidder han ved en kontrolstation og rynker panden over et kort over de seneste signaler detektoren har opsamlet. ”Se på denne top,” siger han. ”Lige her ved 2,3 hertz. Jeg lagde ikke mærke til den før, fordi den er så smal, men den redegør for 20 procent af den støj, der kommer ind i interferometeret.” Efter at have gennemset udskrifter fra et batteri af seismometere, der omringer observatoriet, konkluderer han, at støjen kommer fra den nærliggende 200 East Section af Hanford Nuclear Reservation, en 1.400 kvadratkilometer stor plads til radioaktivt affald, der omgiver LIGO Hanford.
Schofield marcherer gennem hallen, griber et seismometer og et oscilloscop og haler dem ind i en varevogn. Han kører adskillige kilometer længere ind i reservatet, holder ind til siden og sætter sit udstyr op. Vi kan se de tydelige lys fra noget natarbejde i 200 East adskillige kilometer væk. Men vi kan ikke komme nærmere, fordi området har tanke med plutoniumaffald og det beskyttes af sikkerhedsstyrker med maskingeværer. Schofield sætter seismometeret til at lytte i næsten fem minutter. Men det afslører ingen spor af 2,3 hertz støjen. ”Jeg tror det er et stort stykke roterende maskineri, der laver noget djævelsk derude,” fortæller han senere medarbejderne.
Heldigvis er støjen nær 2 hertz ikke et umiddelbart problem. LIGO er som de andre gigantiske gravitationsbølgeobservatorier, der nærmer sig færdiggørelse – GEO i Tyskland, TAMA i Tokyo og VIRGO nær Pisa, Italien – kun tunet til at lytte efter gravitationsbølger fra 40 til omkring 3.000 hertz, tilfældigvis lige i den menneskelige hørelses område. I kontrolrummet har LIGO operatørerne forbundet en højttaler til sensorer på interferometeret; den spiller det, som interferometeret ”hører.” En nærliggende supernova kunne måske komme igennem som et udbrud af statisk støj. Hylet fra døende neutronstjerner ville starte lavt og svinge højere op i en næsten musikalsk kvidren.
Støj hvæser og smelder sædvanligvis, men engang imellem lækker der også en genkendelig lyd ind. ”Der er et periskop på laserbordet, der hæver strålen til den rette højde,” forklarer Schofield. Forskellig støj kan ryste periskopet og indføre små Doppler forskydninger i frekvensen af det lys, der passerer igennem det. ”Hvis nogen taler nær periskopet,” siger han, ”kan man høre deres stemme i den højttaler.”
Så foruden seismograferne har LIGO ingeniørerne proppet anlægget med mikrofoner og magnetometre såvel som sensorer, der overvåger temperatur, tryk og vind. En strøm af data fra omkring 5.000 sensorkanaler bliver optaget samtidigt. Det første forskerne ville gøre, hvis de mente de så en gravitationsbølge, var at se efter fejlfunktioner eller støj, der var lækket ind i systemet.
På prøvekørslens sidste dag overrækker Gonzales direktøren, Mark Coles, en graf over interferometer output fra samme morgen. Den indeholder et hop, der ligner et virkeligt signal. Det er det ikke. ”Vi har lige opfundet et speedometer for kvægbeskyttelsen på indkørslen,” siger hun grinende. Når hver aksel på en passerende lastbil rammer de vandrette skinner, fremkommer der en rumlen i gravitationsbølge kanalen.
Falske signaler kan også forkastes ved at sammenligne data fra to eller flere observatorier, forklarer Márka. ”Hvis begge LIGO pladser ser signaler af samme form indenfor nogle få millisekunder af hinanden og GEO, som ligger på en anden kontinentalplade og er forbundet med et andet elektrisk net, også gør, så er det meget, meget usandsynligt, at det er et falsk signal fra en fælles støjkilde.”
Alligevel er der grænser for, hvad de kan gøre for at undgå menneskefrembragt støj. Problemet er særlig slemt på Livingston pladsen. ”Vi kan se tog, der kører forbi tre gange om dagen,” siger Coles. ”Vi kan se arbejderne, der transporterer træer. Vi kan se, når trafikken stiger til frokost.” Under denne prøvekørsel var Livingston instrumentet kun online 62 procent af tiden, ikke medregnende korte blip. Alle tre LIGO interferometre var kun oppe samtidigt i 18 procent af kørslen.
|
|
|
MERE LIGE END JORDENS OVERFLADE, rejser betontunnellen, der indeholder den vestlige arm af LIGO Livingston Observatory, sig flere meter over jorden på dens fire kilometers løb, mens planeten krummer under den. Tunnellen indeholder et lufttæt stålrør. Inde i røret er der et vakuum og gennem vakuet skinner en stråle infrarødt lys med samme styrke som 20 millioner laserpegere. |
”Vi ved, at vi har et problem med støj fra jorden i Livingston,” bekræfter Rainer Weiss, talsperson for LIGO Scientific Collaboration. ”Og det vil blive endnu værre. Samfundet kryber ind på os.” Barry Barish, leder af projektet, siger, at nye aktive isolationsstakke udvikles og vil blive installeret næste år. ”Jeg ville ønske, at vi ikke var nødt til at gøre det,” siger Weiss. ”Det var en maskinmæssig forbedring, som vi havde planlagt at tilføje under opgraderingen til LIGO II i 2006.” Opgraderingen vil føje mindst 750.000 dollar til de 365 millioner, som NSF har brugt indtil videre på projektet og til de 165 millioner, som de lige har tildelt for de næste fem år.
Men selv når systemerne er låst på og arbejder, siger Weiss, ”er vi stadig kilometer borte – en faktor på 1.000 borte – fra vor design følsomhed. Vi håber at blive mindst 10 gange bedre til juni. Men ud over det ved jeg ikke.”
Usikkerheden bekymrer stadig LIGOs gamle kritiker, Ostriker: ”Jeg har altid troet, at detektion af gravitationsbølger vil give os indsigter, som vi ikke kan opnå på nogen anden måde. Når det er sagt, mener jeg, at LIGO programmet har været et topmålt spild af penge – penge der kunne være brugt til mere produktiv videnskab.”
Men Thorne ser tingene anderledes. ”Teoretikere har haft meget dårlige resultater med at forudsige, hvad vi ville se, når et nyt vindue åbnes til universet,” siger han. ”Tidlige radioteleskoper opdagede, at signalerne var meget stærkere, end teoretikerne forventede. Det skete igen, da røntgen vinduet åbnede i 1960’erne. Og da vi begyndte at lede efter neutroner fra solen, blev vi overraskede over, hvor få der var. I en vis forstand vil åbningen af gravitationsvinduet give os et mere radikalt anderledes syn på universet, end disse tidligere fremskridt gjorde.” Krusninger på rumtiden kan måske endnu nå at ryste videnskaben.
Mere at udforske
Einstein’s Unfinished Symphony. Marcia Bartusiak. Joseph Henry Press, 2000.
Laser Interferometric Gravitational Wave Detectors. Norma A. Robertson i Classical and Quantum Gravity, Vol. 17, No. 15, siderne R19-R40; 7. august, 2000. Findes på www.iop.org/Journals/CQG
New Physics and Astronomy with the New Gravitational-Wave Observatories. Scott A. Hughes et al. i Proceedings of the 2001 Snowmass Meeting. Findes på www.ligo.caltech.edu/docs/P/P010029-00.pdf
* W. Wayt Gibbs er senior skribent.
Fra Ripples in Spacetime, Scientific American april 2002, siderne 62-71.
