Dalam kebanyakan kes, mengesan kesan graviti tidak begitu keras. Skydivers bergegas ke arah tanah ketika mereka melangkah keluar dari pesawat, dan terima kasih kepada teleskop angkasa, anda dapat melihat cahaya yang menjadi cincin yang menakjubkan oleh kumpulan galaksi yang besar. Tetapi ia telah terbukti sangat sukar untuk mengesan gelombang graviti, riak dalam ruang masa yang dicetuskan oleh peristiwa kosmik yang kuat.
Kandungan Terkait
- Ringan Spacey ini termasuk Face Galactic Smiley dan Rose Interstellar
- Tidak, Kami Tidak Mengesan Gelombang Gravitasi (Namun)
Kebanyakan percubaan setakat ini telah mencari cara riak ruang masa dijangka mempengaruhi cahaya dan perkara. Sekarang ahli sains di AS dan Israel menganggap kita dapat mencari gelombang lebih cepat dan lebih murah jika kita mencari kesannya pada masa dan bukan ruang.
Memburu gelombang graviti telah berlangsung sejak tahun 1916, ketika Albert Einstein meramalkan mereka harus ada sebagai bagian dari teori relativitas umumnya. Dia membuat kes ruang masa seperti kain, dan apa yang kita rasakan sebagai graviti adalah kelengkungan kain yang disebabkan oleh objek besar-besaran. Seperti bola bowling yang digantung dalam selimut, sebagai contoh, bumi planet kita yang besar melengkapkan ruang masa di sekelilingnya.
Teori ini juga menunjukkan bahawa apabila objek yang sangat besar seperti lubang hitam bergabung, letupan graviti akan menghantar riak yang menyebarkan ke luar melalui ruang masa. Mengesan mereka bukan sahaja akan terus mengesahkan teori Einstein, ia akan membuka tingkap baru di alam semesta, kerana para saintis boleh menggunakan gelombang graviti untuk menyiasat peristiwa yang tidak kelihatan di seluruh alam semesta. Tetapi bukti gelombang graviti telah sukar difahami, sebahagian besarnya kerana gelombang semakin lemah semakin jauh mereka bergerak, dan banyak sumber gelombang graviti ditemui di pinggir alam semesta, berbilion-bilion tahun cahaya.
Tahun lepas, satu eksperimen yang dipanggil BICEP2 mendakwa telah mengesan isyarat samar-samar yang berkaitan dengan jenis gelombang graviti kuno, yang dihasilkan oleh spurt pertumbuhan mendadak di alam semesta awal. Tuntutannya adalah pramatang, walau bagaimanapun, analisis kemudiannya mengurangkan keyakinan bahawa pasukan BICEP2 melihat apa-apa yang lebih daripada berpusing debu di Bima Sakti.
Rancangan eLISA yang dirancang oleh Agensi Angkasa Eropah yang dirancang untuk melancarkan pada tahun 2034, direka untuk mengesan jenis gelombang yang berlainan: gelombang mikro, atau frekuensi rendah, gelombang graviti yang dihasilkan oleh penggabungan pasangan lubang hitam supermasif. Para saintis telah menemui lubang hitam supermasif di pusat-pusat galaksi besar, termasuk kita sendiri. Gabungan dua galaksi sedemikian dijangka akan memancarkan gelombang graviti yang dapat menyebarkan seluruh alam semesta. Untuk mencari mereka, eLISA akan menggunakan laser untuk mengukur perubahan kecil dalam jarak pesawat angkasa lepas yang sepatutnya berlaku apabila gelombang graviti berlalu.
Dalam sebuah makalah baru, Avi Loeb di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dan Dani Maoz di Tel Aviv University menunjukkan bahawa kemajuan baru-baru ini dalam timekeeping dapat membolehkan jam atom mengesan gelombang gravitasi lebih cepat dan lebih murah daripada eLISA. Mereka menggariskan cadangan untuk pelbagai jam atom yang ditempatkan pada titik-titik yang berbeza di sekitar matahari yang dapat mengesan fenomena yang disebut pelebaran waktu, apabila kesan graviti dapat menyebabkan waktu perlahan.
Seperti eLISA, rancangan mereka juga memerlukan kapal angkasa terbang dalam pembentukan dan berkomunikasi menggunakan laser. Tetapi daripada menyampaikan maklumat tentang perubahan jarak, laser akan menjejaki perbezaan kecil dalam timekeeping antara jam atom diselaraskan dipasang di atas kapal angkasa.
Perubahan temporal yang diramalkan adalah kecil: "Kami bercakap tentang satu bahagian dalam sejuta trilion dalam ketepatan masa, " kata Loeb. "Untuk mengesan jenis perubahan itu, anda memerlukan jam yang tidak akan mendapat atau kehilangan hanya sepersepuluh detik walaupun ia beroperasi selama 4.5 bilion tahun, atau seluruh umur Bumi."
Sehingga baru-baru ini, ketepatan semacam ini adalah di luar kemampuan jam atom yang menggunakan elemen cesium, yang menjadi asas bagi standard masa antarabangsa yang terkini. Tetapi pada awal 2014, ahli fizik di Institut Kebangsaan dan Teknologi Kebangsaan (NIST) melancarkan jam atom "kisi optik" eksperimen yang menetapkan rekod dunia baru untuk ketepatan dan kestabilan. Jam ini beroperasi pada frekuensi optik dan memberikan ketepatan yang lebih besar daripada jam atom sesium, yang bergantung kepada gelombang mikro untuk menjaga masa.
Secara teori, jam atom optik dapat memberikan ketepatan yang diperlukan untuk mengesan pergeseran masa kecil yang diramalkan dari gelombang graviti. Loeb dan Maoz berhujah bahawa reka bentuk mereka akan lebih mudah dan boleh dicapai dengan kos yang lebih rendah, kerana ia memerlukan laser kurang kuat daripada eLISA. Jam atom ketepatan yang lebih rendah telah digunakan pada satelit GPS, jadi Loeb menganggap ia mungkin untuk menghantar generasi baru jam atom ke ruang juga.
Dua kapal angkasa yang diletakkan jarak jauh selain dapat merasakan kedua-dua puncak dan palung gelombang graviti yang lulus. (Loeb et al., Arxiv.org) Persediaan yang terbaik adalah sepasang jam atom yang dipasang pada kapal angkasa berkembar yang berkongsi orbit Bumi mengelilingi matahari. Sebuah kapal angkasa utama juga akan berada di orbit untuk menyelaraskan isyarat yang datang dari jam. Kerajinan jam-jam harus dipisahkan oleh kira-kira 93 juta batu-kira-kira jarak antara Bumi dan matahari, atau satu unit astronomi (AU).
"Itu satu kebetulan yang baik, kerana satu AU berlaku kira-kira sama dengan separuh gelombang panjang untuk gelombang graviti [kekerapan rendah], seperti jenis saintis berfikir menggabungkan lubang hitam supermasif, " kata Loeb. Dalam erti kata lain, ia akan menjadi tepat jarak yang tepat untuk merasakan kedua-dua puncak dan palung gelombang graviti melalui sistem suria, jadi jam atom yang diposisikan pada kedua-dua titik akan mengalami kesan pelebaran masa yang paling besar.
Buat masa ini misi sedemikian bukan pada sebarang ruang kerja agensi atau cadangan anggaran ruang. Tetapi Loeb berharap idea itu akan mencetuskan kajian yang lebih teliti terhadap alternatif eLISA. Projek eLISA "mendapat manfaat dari dekad perbincangan, jadi kami harus membenarkan reka bentuk alternatif ini dipelajari sekurang-kurangnya selama beberapa bulan sebelum menolaknya."
Loeb menambah bahawa terdapat banyak aplikasi praktikal daripada mempunyai jam atom yang lebih tepat di angkasa, seperti ketepatan GPS yang lebih baik dan komunikasi yang lebih baik. Dia berfikir jam kisi optik pertama boleh dilancarkan oleh perniagaan untuk tujuan komersial, dan bukannya oleh agensi kerajaan. "Kalau itu berlaku, mana-mana sains yang kita dapat dari itu akan menjadi hasil sampingan, " katanya.
Jun Ye, seorang ahli fizik di University of Colorado dan rakan NIST, berkata cadangan Loeb dan Maoz "membuka depan intelektual baru" mengenai penggunaan jam atom optik untuk menguji fizik asas, termasuk mencari gelombang graviti. "Saya optimistik mengenai penambahbaikan jam optik dan akhirnya penggunaannya dalam aplikasi tersebut, " kata Ye.
