¿Por qué podemos conocer el origen del universo a través de ondas gravitacionales?
Las fluctuaciones espacio-temporales producen "ondas"
¿Qué son las ondas gravitacionales? Hu Yiming, miembro de la organización científica LIGO y becario postdoctoral en la Universidad de Tsinghua, dijo que la relatividad general se puede resumir en una frase: "El tiempo y el espacio le dicen a la materia cómo moverse, y la materia guía cómo se doblan el tiempo y el espacio". la distribución de la materia cambia, el tiempo y el espacio también cambiarán, se producirán los cambios correspondientes, y este cambio se extenderá a la velocidad de la luz, al igual que al dejar caer una piedra en un lago en calma, aparecerán olas en el lago. Cuando ocurren "eventos a gran escala" en el universo, como fusiones de agujeros negros, las fluctuaciones del espacio-tiempo se extenderán como ondas, que son ondas gravitacionales.
Las ondas gravitacionales se propagan en el espacio y nunca se atenuarán. Precisamente porque casi no hay atenuación durante la propagación, la gente tiene la fantasía de utilizar ondas gravitacionales para comunicarse en el futuro.
Zhuang, experto en óptica y académico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai, dijo que las aplicaciones potenciales como la comunicación por ondas gravitacionales aún están lejos, pero ahora, el valor científico de la detección de ondas gravitacionales es obvio. Se espera que la fusión de cuerpos celestes masivos como los agujeros negros, las explosiones de supernovas y el Big Bang hace más de 654.380 millones de años revele los misterios del origen y la evolución del universo mediante la detección de ondas gravitacionales. La astronomía de ondas gravitacionales será una nueva ventana para que la humanidad comprenda el universo después de la astronomía de ondas electromagnéticas, la astronomía de rayos cósmicos y la astronomía de neutrinos.
Libera "3 soles" en 1 segundo.
Debido a que las ondas gravitacionales son tan débiles, detectarlas se ha considerado una "tarea imposible" durante mucho tiempo. En la década de 1970, Lena Weiss y otros investigadores del Instituto de Tecnología de California propusieron el método de interferencia láser. Este método utiliza el principio del interferómetro de Michelson para reflejar el láser hacia adelante y hacia atrás en el espejo para formar franjas de interferencia. Cuando las ondas gravitacionales llegan a la Tierra, provocan que se desplacen las franjas de interferencia. Aunque la distancia de desplazamiento es extremadamente pequeña, si la sensibilidad de detección alcanza un orden de magnitud inferior a 10 menos 21, se espera que detecte ondas gravitacionales.
En 1991, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, Caltech y el MIT comenzaron a construir LIGO de forma conjunta. La parte principal del detector de ondas gravitacionales son dos brazos de interferencia mutuamente perpendiculares, ambos de 4 kilómetros de longitud. En la intersección de los dos brazos, el haz emitido por la fuente láser se divide en dos partes, que entran en cilindros huecos perpendiculares entre sí y se mantienen en un estado de súper vacío, y luego se reflejan de regreso al punto de partida original. por el espejo del terminal, donde se producen interferencias. Si las ondas gravitacionales pasan, provocarán una deformación del espacio-tiempo. La longitud de un brazo será ligeramente más larga y la longitud del otro brazo será ligeramente más corta, lo que provocará cambios en la diferencia de trayectoria óptica y las franjas de interferencia del láser también cambiarán. respectivamente.
Después de la actualización de 2010 a 2015, la sensibilidad del detector ha aumentado 10 veces, alcanzando 10 elevado a menos 23, y se llama "LIGO avanzado". La señal de ondas gravitacionales detectada esta vez fue captada el 14 de septiembre del año pasado. Proviene de 130 millones de años luz de distancia y se formó por la fusión de dos agujeros negros. En el momento de la fusión, se liberan tres masas solares de energía en forma de ondas gravitacionales en menos de 1 segundo. Después de 1.300 millones de años de viaje, dos de los detectores de LIGO capturaron este círculo de "onda cósmica".
Primero debería empezar con la detección del suelo.
En el campo de la detección de ondas gravitacionales, aunque el proyecto LIGO de Estados Unidos está a la vanguardia, muchos países y regiones como Europa, Japón e India también están llevando a cabo proyectos de detección de ondas gravitacionales con interferómetro láser. .
En China, la comunidad científica está profundamente dividida en el campo de la detección de ondas gravitacionales. Un grupo cree que detectar ondas gravitacionales en la Tierra es demasiado ruidoso y debería ser el primero en detectar ondas gravitacionales en el espacio, para que China pueda ocupar una posición de liderazgo internacional en este campo. El otro grupo cree que, dado el nivel actual de tecnología, es difícil establecer un brazo de interferencia muy estable en el espacio, y China debería iniciar primero un proyecto de detección terrestre.
El año pasado, la Universidad Sun Yat-sen lanzó el "Proyecto Qintian", que propone completar todas las tecnologías clave necesarias para la detección de ondas gravitacionales en el espacio en cuatro etapas, y finalmente lanzó tres satélites en órbita terrestre para la detección de ondas gravitacionales. . Zhuang cree que la máxima prioridad para la comunidad científica y tecnológica de China es lanzar un proyecto internacional de detección terrestre y llevar a cabo investigaciones astronómicas de ondas gravitacionales lo antes posible.
Una serie de signos de interrogación provocados por las ondas gravitacionales
¿Son sonoras las ondas gravitacionales? ¿Se puede utilizar en obras de ciencia ficción? Se avecinan ondas gravitacionales que "quitarán" tres masas solares. ¿Tienes miedo? Entonces, ¿por qué molestarse en intentar detectar las ondas gravitacionales predichas por Einstein hace cien años?
Ondas gravitacionales: ¿sonido o instrumento?
“Nos gustaría llamarlo sonido, pero las ondas gravitacionales no son sonido”, explicó Alan Weinstein, experto en análisis de datos del Observatorio LIGO y profesor de física en el Instituto de Tecnología de California. El sonido viaja a la velocidad del sonido en el aire, mientras que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz y pueden viajar en el vacío. Ambas son vibraciones, pero las ondas gravitacionales son un tipo de vibración completamente nuevo. El observatorio LIGO conecta sus detectores a altavoces para "escuchar" los sonidos de las ondas gravitacionales.
Chen Yanbei, miembro investigador de la Colaboración Científica LIGO y profesor de física en el Instituto de Tecnología de California, señaló que las ondas gravitacionales también son un tipo de vibración mecánica, al igual que el uso de energía muy grande para Toca un tambor muy tenso en el universo.
¿Qué sucede cuando chocan ondas gravitacionales?
Chen Yanbei decía que las ondas gravitacionales transportan mucha energía, pero su efecto real sobre la materia es muy débil, por lo que son difíciles de detectar. Si calculamos el flujo de energía de las ondas gravitacionales por unidad de tiempo y área cerca del suelo, encontraremos que no puede mover cargas, por lo que su efecto es muy débil. Si alguien se para cerca de la fuente de ondas gravitacionales y las ondas gravitacionales lo golpean, teóricamente, la persona se volverá más baja y más gorda, luego más larga, luego más baja y más gorda... y así sucesivamente, pero de hecho, en el suelo las ondas gravitacionales son difícil de detectar.
¿Pueden las ondas gravitacionales hacer realidad la ciencia ficción?
¿Pueden las ondas gravitacionales permitir la navegación interestelar, los viajes en el tiempo o la comunicación interestelar?
Chen Yanbei dijo que las ondas gravitacionales son muy débiles, por lo que es difícil emitir ondas gravitacionales que puedan ser recibidas y detectadas. En teoría, es posible emitir ondas gravitacionales superpuestas a los agujeros negros gemelos fusionados, lo que se espera que produzca un efecto de amplificación de ondas gravitacionales, pero en la práctica es poco probable que se logre. Además, debido a que la curvatura del espacio-tiempo causada por las ondas gravitacionales es muy pequeña, no es realista utilizar ondas gravitacionales para "viajar a través del tiempo y el espacio y regresar al pasado".
Weinstein afirmó que las ondas gravitacionales aún están lejos de la etapa de aplicación. Es demasiado pronto para hablar de ideas de ciencia ficción como "usar ondas gravitacionales para viajar en el tiempo", y el uso de ondas gravitacionales para la comunicación cósmica es sólo una posibilidad débil.
¿Cómo ejerce su influencia el "Plan Qintian"?
¿Cuáles son las similitudes y diferencias entre esta investigación y el proyecto chino de detección de ondas gravitacionales “Proyecto Qintian”? Chen Yanbei dijo que espera que el "Plan Qintian" haga realidad tres visiones. En primer lugar, existen diferentes "ventanas" en las que se pueden medir las ondas gravitacionales. Si el proyecto de ondas gravitacionales espaciales de China observa la fusión de agujeros negros masivos o supermasivos, jugará un papel muy importante en la comprensión de la evolución del universo.
En segundo lugar, el "Proyecto Qintian" puede realizar observaciones conjuntas con el Observatorio LIGO. Por ejemplo, la señal primero ingresa al rango de observación de Qintian, luego llega al observatorio LIGO y es observada nuevamente, lo que permitirá a los científicos obtener más información sobre la misma fuente de onda. Además, China planea utilizar el "Proyecto Qintian" como plataforma para desarrollar tecnología espacial y promover la cooperación entre científicos en diferentes campos, lo que sin duda es de gran importancia.