Abbiamo rilevato le onde gravitazionali e quale sarà il prossimo?

Abbiamo rilevato le onde gravitazionali e quale sarà il prossimo?

Ora viviamo in un universo pieno di onde gravitazionali.

Prima della storica dichiarazione di giovedì mattina dalla riunione della National Science Foundation (NSF) a Washington, c'erano solo voci secondo cui l'Osservatorio gravitazionale dell'onda laser interferometrica (LIGO) ha aperto una componente chiave della teoria della relatività generale di Albert Einstein, ma ora sappiamo che la realtà è più profonda di quanto pensassimo.

Con sorprendente chiarezza, LIGO ha potuto "udire" il momento precedente alla fusione dei buchi neri del sistema binario (due buchi neri che ruotano l'uno attorno all'altro) in un unico insieme, creando un segnale ad onda gravitazionale così chiaro in accordo con un modello teorico che discussione richiesta. LIGO ha assistito alla "rinascita" di un potente buco nero accaduto circa 1,3 miliardi di anni fa.

Le onde gravitazionali sono sempre state e sempre lo saranno, passando attraverso il nostro pianeta (di fatto, passando attraverso di noi), ma solo ora sappiamo come trovarle. Ora abbiamo aperto gli occhi su vari segnali cosmici, vibrazioni causate da eventi energetici noti e stiamo assistendo alla nascita di un campo completamente nuovo di astronomia.

Il suono di due buchi neri che si fondono:

"Ora possiamo ascoltare l'Universo", ha detto Gabriela González, un fisico e rappresentante di LIGO, durante l'incontro trionfale di giovedì. "La scoperta ha segnato l'inizio di una nuova era: il campo dell'astronomia gravitazionale è ora una realtà."

Il nostro posto nell'universo sta cambiando molto e questa scoperta può essere fondamentale, come la scoperta delle onde radio e la comprensione che l'universo si sta espandendo.

La Teoria della Relatività diventa più ragionevole

Tentativi di spiegare quali sono le onde gravitazionali e perché sono così importanti, complesse come le equazioni che li descrivono, ma la loro scoperta non solo rafforza la teoria di Einstein sulla natura dello spazio-tempo, ora abbiamo uno strumento per percepire una parte dell'Universo che era invisibile a noi. Ora possiamo studiare le onde cosmiche create dagli eventi più energetici che si verificano nell'Universo e, possibilmente, usare le onde gravitazionali per nuove scoperte fisiche ed esplorare nuovi fenomeni astronomici.

"Ora dobbiamo dimostrare che abbiamo la tecnologia per andare oltre la scoperta delle onde gravitazionali, perché apre molte opportunità", ha detto Lewis Lehner dell'Istituto di Fisica Teorica in Ontario, in un'intervista rilasciata dopo la dichiarazione di giovedì.

La ricerca di Lener si concentra su oggetti densi (come i buchi neri) che creano potenti onde gravitazionali. Sebbene non sia associato alla cooperazione di LIGO, Lehner ha subito compreso l'importanza di questa scoperta storica. "Non ci sono segnali migliori", ha detto.

Abbiamo rilevato le onde gravitazionali e quale sarà il prossimo?

La scoperta si basa su tre modi, ragiona. In primo luogo, ora sappiamo che le onde gravitazionali esistono e sappiamo come rilevarle. In secondo luogo, il segnale rilevato dalle stazioni LIGO il 14 settembre 2015 è una forte indicazione dell'esistenza di un sistema binario di buchi neri, e ogni buco nero pesa parecchie decine di masse solari. Il segnale è esattamente quello che ci aspettavamo di vedere come risultato della fusione di due buchi neri, uno pesa 29 volte il Sole e l'altro 36 volte. Terzo, e forse il più importante, "la possibilità di mandare in un buco nero" è sicuramente la prova più forte dell'esistenza dei buchi neri.

Intuizione cosmica

Questo evento è stato accompagnato dalla fortuna, come molte altre scoperte scientifiche. LIGO è il più grande progetto finanziato dalla National Science Foundation, che è stata lanciata inizialmente nel 2002. Si è scoperto che dopo molti anni di ricerca dell'elusivo segnale delle onde gravitazionali, LIGO non è abbastanza sensibile e nel 2010 gli osservatori si sono bloccati, mentre la cooperazione internazionale lavora per aumentare la loro sensibilità. Cinque anni dopo, a settembre 2015, è nato il "LIGO migliorato".

A quel tempo, Kip Thorn, co-fondatore di LIGO e un peso massimo della fisica teorica, era fiducioso nel successo di LIGO, dicendo alla BBC: "Siamo qui. Abbiamo raggiunto la grande partita. Ed è abbastanza chiaro che alzeremo il velo della segretezza. "E aveva ragione, pochi giorni dopo la ricostruzione, un'ondata di onde gravitazionali rotolò attraverso il nostro pianeta, e LIGO fu abbastanza sensibile da rilevarli.

Queste fusioni di buco nero non sono considerate niente di speciale; secondo stime approssimative, tali eventi si verificano ogni 15 minuti da qualche parte nell'universo. Ma fu proprio questa fusione avvenuta nel posto giusto (a distanza di 1,3 miliardi di anni luce) al momento giusto (1,3 miliardi di anni fa) per essere catturata dagli osservatori LIGO. Era un puro segnale dall'universo, e Einstein lo predisse, e le sue onde gravitazionali si rivelarono reali, descrivendo un evento cosmico, 50 volte più potente della potenza di tutte le stelle dell'universo messe insieme. Questa enorme esplosione di onde gravitazionali è stata registrata da LIGO come un segnale ad alta frequenza con una modulazione di frequenza lineare, mentre i buchi neri, muovendosi a spirale, si sono fusi in uno solo. Per confermare la propagazione delle onde gravitazionali, LIGO consiste di due stazioni di osservazione, una in Louisiana, l'altra a Washington. Per eliminare i falsi positivi, il segnale delle onde gravitazionali dovrebbe essere rilevato in entrambe le stazioni. 14 settembre, il risultato è stato ottenuto prima in Louisiana, e dopo 7 millisecondi a Washington. I segnali combaciavano e, con l'aiuto della triangolazione, i fisici erano in grado di scoprire che provenivano dallo spazio celeste dell'emisfero australe.

Onde gravitazionali: come possono essere utili?

Quindi, abbiamo la conferma del segnale di fusione del buco nero, e allora? Questa è una scoperta storica, che è abbastanza comprensibile - 100 anni fa, Einstein non poteva nemmeno sognare di trovare queste onde, ma è comunque successo.

La teoria generale della relatività era una delle più profonde percezioni scientifiche e filosofiche del XX secolo e costituisce la base della ricerca più intelligente della realtà. In astronomia, le applicazioni della relatività generale sono chiare: dalla lente gravitazionale alla misurazione dell'espansione dell'Universo. Ma l'applicazione pratica delle teorie di Einstein non è affatto chiara, ma la maggior parte delle moderne tecnologie usa lezioni dalla teoria della relatività in alcune cose che sono considerate semplici. Ad esempio, prendi i satelliti per la navigazione globale, non saranno abbastanza precisi se non applichi una semplice regolazione della dilatazione del tempo (prevista dalla teoria della relatività).

È chiaro che la relatività generale ha applicazioni nel mondo reale, ma quando Einstein introdusse la sua teoria nel 1916, la sua applicazione era altamente discutibile, il che sembrava ovvio. Semplicemente collegava l'Universo, nel modo in cui lo vedeva, e la teoria generale della relatività era nata. E ora è stato dimostrato un altro componente della teoria della relatività, ma come possono essere utilizzate le onde gravitazionali? Astrofisici e cosmologi sono decisamente incuriositi. "Dopo aver raccolto dati da coppie di buchi neri che svolgeranno il ruolo di fari sparsi nell'universo", ha detto il fisico teorico Neil Turok, direttore dell'Istituto di fisica teorica giovedì durante una presentazione video. "Possiamo misurare la velocità l'espansione dell'universo, o la quantità di energia oscura con estrema precisione, è molto più accurata di quella che possiamo oggi. "

"Einstein sviluppò la sua teoria con alcuni indizi della natura, ma basati su una sequenza logica. Dopo 100 anni, si vedono prove molto accurate delle sue previsioni. "

Inoltre, l'evento del 14 settembre ha alcune caratteristiche della fisica che devono ancora essere investigate. Per esempio, Lehner ha notato che dall'analisi di un segnale di un'onda gravitazionale, si può misurare la "rotazione" o il momento angolare di un buco nero. "Se hai lavorato sulla teoria per un lungo periodo, dovresti sapere che il buco nero ha una rotazione molto, molto speciale", ha detto.

La formazione di onde gravitazionali con la fusione di due buchi neri:

Per qualche ragione, la rotazione finale del buco nero è più lenta del previsto, indicando che i buchi neri si scontrano a bassa velocità, o che si trovavano in una collisione che ha provocato un momento angolare articolare che si opponevano l'un l'altro. "È molto interessante, perché la natura lo ha fatto?" Disse Lehner.

Questo recente mistero può tornare ad alcuni fondamenti della fisica, che non sono stati presi in considerazione, ma, più intrigante, può rivelare una "nuova", fisica insolita, che non si adatta alla teoria generale della relatività. E questo rivela altre applicazioni delle onde gravitazionali: poiché sono create da forti fenomeni gravitazionali, abbiamo l'opportunità di sondare questo mezzo da lontano, con possibili sorprese lungo la strada. Inoltre, potremmo combinare le osservazioni dei fenomeni astrofisici con le forze elettromagnetiche per comprendere meglio la struttura dell'Universo.

Applicazione?

Naturalmente, dopo gli enormi annunci fatti da un complesso di scoperte scientifiche, molte persone al di fuori della comunità scientifica sono interessate a come possono influenzarle. La profondità della scoperta può essere persa, il che, ovviamente, si applica alle onde gravitazionali. Ma consideriamo un altro caso in cui Wilhelm Roentgen scoprì i raggi X nel 1895, durante gli esperimenti con tubi a raggi catodici, poche persone sanno che solo pochi anni dopo queste onde elettromagnetiche diventeranno una componente chiave nella medicina di tutti i giorni dalla diagnosi al trattamento. Allo stesso modo, la prima creazione sperimentale di onde radio nel 1887, Heinrich Hertz confermò le ben note equazioni elettromagnetiche di James Clerk Maxwell. Solo nel tempo, negli anni '90 del XX secolo, Guglielmo Marconi, che ha creato un trasmettitore radio e un ricevitore radio, ha dimostrato la sua applicazione pratica. Inoltre, le equazioni di Schrödinger che descrivono il complesso mondo della dinamica quantistica sono ora utilizzate nello sviluppo del calcolo quantistico ultraveloce.

Abbiamo rilevato le onde gravitazionali e quale sarà il prossimo?

LIGO Engineer valuta l'inquinamento da interferone

Tutte le scoperte scientifiche sono utili e molte, in definitiva, hanno un uso quotidiano, che diamo per scontato. Al momento, l'applicazione pratica delle onde gravitazionali è limitata all'astrofisica e alla cosmologia - ora abbiamo una finestra nell'Universo oscuro, che non è visibile alle radiazioni elettromagnetiche. Senza dubbio, scienziati e ingegneri troveranno un altro uso per queste pulsazioni cosmiche, oltre a percepire l'Universo. Tuttavia, per rilevare queste onde, ci devono essere buoni progressi nella tecnologia ottica in LIGO, in cui le nuove tecnologie appariranno nel tempo. Certo, la rilevazione delle onde gravitazionali - il trionfo dell'umanità, che aiuterà a esplorare il nostro Universo per le generazioni future. Questo è sicuramente un periodo d'oro per la scienza, in cui le scoperte storiche sono diventate comuni. E abbiamo il potenziale intellettuale di creare un modello dell'Universo e di dimostrare sperimentalmente il nostro caso.

Ma per me la cosa più eccitante è vedere le prime mappe gravitazionali dello spazio, dove vengono tracciati periodici ronzii di stelle di neutroni e impulsive eruzioni di supernove, che aprono un nuovo Universo pieno di onde cosmiche.

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