Apa yang sebenarnya akan dilihat oleh observatorium gelombang gravitasi revolusioner

Lisa, sebuah observatorium gelombang gravitasi senilai $ 1,6 miliar yang akan diluncurkan untuk meluncurkan dekade mendatang, akan merevolusi cara kita melihat gelombang gravitasi – gangguan infinitesimal dari ruangwaktu pertama kali diprediksi lebih dari seabad yang lalu dan hanya terdeteksi delapan tahun lalu.

Pada musim gugur, kami menerbitkan penyelaman mendalam ke dalam desain Lisa dan rintangan teknik yang harus diatasi untuk memasukkan kerajinan futuristik ke luar angkasa. Sekarang, kami telah bertanya kepada para ilmuwan tentang data aktual yang akan dikumpulkan Lisa – wawasan apa yang dapat dihasilkan data dan bagaimana wawasan itu akan mengubah pemahaman kita tentang alam semesta, dari sumber riak gravitasi hingga cara gema itu membentuk kosmos.

Lisa: Sederhana namun tepat

LISA adalah singkatan dari antena ruang interferometer laser, dan terdiri dari tiga pesawat ruang angkasa yang mengorbit matahari dalam formasi segitiga tetap. Lisa adalah interferometer, yang berarti bahwa misi akan mengendus gelombang gravitasi menggunakan interferometri laser – mengukur jarak antara massa menggunakan balok laser yang sangat tepat sekitar 5 juta mil (8 juta kilometer), dengan masing -masing lengan segitiga Lisa yang terdiri sekitar 1,6 juta mil (2,5 juta km) dari panjang itu.

Laser sangat penting tetapi hanya satu bagian dari desain Lisa – mereka hanya tongkat pengukur untuk jarak antara tiga kubus logam, satu di masing -masing dari tiga pesawat ruang angkasa Lisa. Kubus-kubus terbuat dari paduan emas-platinum untuk meminimalkan magnet yang bisa menindaklanjutinya. Sekali lagi, tujuan Lisa adalah untuk melaju melalui ruang dengan tidak ada yang menyentuh kubus -kubus ini tetapi ruangwaktu dan riak gravitasi yang naik di atasnya.

“Ide dasar di balik desainnya adalah kami meluncurkan kubus -kubus ini,” kata Saavik Ford, seorang astrofisika di Museum Sejarah Alam Amerika, dalam panggilan dengan Gizmodo. “Kami hanya ingin mereka duduk di sana dan mengalami kegembiraan ruangwaktu tanpa kekuatan lain yang bertindak pada mereka, dan itu adalah bagian terakhir itulah bagian yang sulit.”

“Anda perlu melakukan manuver kerajinan ketika massa (kubus emas-platinum) jatuh, untuk memastikan pesawat ruang angkasa itu sendiri tidak melayang ke massa dan memukulnya, yang akan mengerikan,” tambah Ford.

As far as grasping the complexity of LISA, Ford’s then-graduate student Jake Postiglione has an analogy: The technical challenge is akin to firing a laser from New York to LA (if the Earth was flat), and trying to hit a fruit fly’s eyeball dengan itu. Dan laser dan lalat buah bergerak saat operasi itu terungkap.

Skala tantangan teknik adalah “terus terang mengejutkan,” kata Ford, “dan saya sangat senang bahwa itu bukan departemen saya.”

NASA menyediakan beberapa elemen instrumentasi LISA, termasuk sistem lasernya, sistem teleskop, dan perangkat yang akan mengelola tingkat muatan listrik pada kubus uji.

Frekuensi objek yang mengorbit ditentukan oleh seberapa sering mereka menyelesaikan orbit penuh di sekitar satu sama lain. Detektor gelombang gravitasi kami pandai mendeteksi frekuensi tertentu karena berbagai alasan, tetapi setiap detektor yang ada memiliki satu batasan utama: mereka terjebak di bumi.

Oracle berbasis ruang untuk lubang hitam kuno

Detektor gelombang gravitasi bervariasi dalam jenis frekuensi orbital yang mereka deteksi. Detektor berbasis darat-yaitu kolaborasi ligo-virgo-kagra-hebat dalam mendeteksi frekuensi tinggi, yang sesuai dengan massa yang lebih kecil seperti lubang hitam ukuran bintang. Tetapi ketika massa itu menjadi sedikit lebih besar – katakanlah, lebih dari dua ratus kali massa matahari kita – frekuensi orbital mereka adalah kisaran yang mirip dengan kebisingan yang dihasilkan oleh planet kita sendiri.

“Pada dasarnya ada frekuensi di mana bumi itu sendiri sangat berisik sehingga tanah adalah masalah Anda,” kata Ford. “Anda benar -benar tidak bisa melakukannya. Anda harus pergi ke luar angkasa, dengan satu atau lain cara. “

Di ruang angkasa, array waktu pulsar membuat tongkat pengukuran yang berguna untuk lubang hitam terbesar, meskipun Bumi masih menjadi bagian dari persamaan. Dalam pengaturan itu, observatorium di Bumi memantau kilatan cahaya yang andal dari objek yang berputar dengan cepat (pulsar); Saat waktu cahaya ke bumi itu agak Tertunda atau tergesa -gesa, ini merupakan indikasi bahwa ruangwaktu diregangkan atau dikompresi oleh gelombang gravitasi. Pada tahun 2023, sekelompok kolaborasi array waktu pulsar menemukan bukti kuat latar belakang gelombang gravitasi dalam data pulsar.

https://www.youtube.com/watch?v=_ib6iiexaiy

Lubang hitam yang terlihat oleh array timing pulsar biasanya miliaran kali massa matahari dan berada di tengah galaksi monster – mereka bahkan mengerdilkan Sagitarius A*, lubang hitam di tengah -tengah Bima Sakti, yang secara kasar masuk dengan kira -kira pada dasarnya dengan kira -kira secara kasar secara kasar secara kasar secara kasar kasar Empat juta massa matahari. Jika lubang hitam bubur, Lisa akan menjadi Goldilocks. Misi ini akan mengendus gelombang gravitasi frekuensi rendah yang hampir tidak mungkin untuk dibedakan dari kebisingan pada detektor berbasis bumi. Yang mengatakan, observatorium berbasis ruang mungkin dapat mendeteksi merger lubang hitam besar-besaran-lubang hitam seukuran bintang jatuh ke yang supermasif-bersama dengan biner intim objek kompak dan semburan astrofisik lainnya dan latar belakang.

“Pulsar Timing Array memberi kami informasi tentang latar belakang stokastik untuk biner lubang hitam besar pada frekuensi yang sangat rendah, dan Ligo pada dasarnya telah menetapkan batas pada tingkat dari keluarga yang berbeda dari merger objek kompak massa-bintang,” kata Emanuele Berti, seorang ahli fisika teoritis teoritis massa massa, “kata Emanuele Berti, seorang ahli fisika teori teoritis Teoritis. di Universitas Johns Hopkins, dalam panggilan video dengan Gizmodo. “Pemikiran telah berubah dalam berbagai cara, tetapi saya akan mengatakan bahwa ilmu pengetahuan paling menarik yang dapat kita lakukan dengan Lisa berpusat di sekitar merger biner lubang hitam besar -besaran, karena itu adalah sesuatu yang tidak dapat kita selidiki di tanah.”

Menghindari kebisingan di luar angkasa

Meskipun Lisa akan memiliki jauh lebih sedikit gangguan di ruang angkasa daripada di Bumi – ternyata nol – observatorium harus menyaring kebisingan kosmik. Ada benda -benda di alam semesta yang membuat lubang hitam jauh lebih sulit untuk dilihat karena mereka juga memancarkan gelombang gravitasi. Bentuk yang paling menjengkelkan dari interlopers ringkas ini adalah biner kerdil putih: cangkang kompak dari bintang -bintang yang orbit satu sama lain dan akhirnya bergabung, mengaduk ruangwaktu dalam proses seperti wross dalam mixer. Pengecualian untuk kebisingan ini adalah saat binari berada Jadi Dinyatakan bahwa mereka dapat dipilih secara individual dan diakui apa adanya. Pedang bermata dua kosmik, “binari verifikasi” ini akan membantu para astronom mengkonfirmasi kemampuan Lisa begitu misi berada di posisi.

Lisa secara bersamaan akan mendeteksi kebisingan dari jutaan sumber, banyak di antaranya berada di dalam galaksi kita, menurut NASA. Para ilmuwan akan memisahkan gandum dari sekam dengan bantuan sejumlah besar pemrosesan data dan menyesuaikan data ke teori dan model objek yang diketahui alam semesta yang ada. Dengan lebih dari satu dekade sampai LISA diharapkan diluncurkan, para ilmuwan sedang mengerjakan tantangan data tiruan untuk mempersiapkan diri untuk real deal.

Menelusuri evolusi kosmik

“Sebenarnya hanya ada dua pertanyaan dalam astrofisika, dan mereka ‘bagaimana kita bisa sampai di sini?’ dan ‘Apakah kita sendirian?’ ”Kata Ford. “Setiap hal yang kami lakukan adalah diarahkan untuk menjawab sepotong kecil dari satu atau yang lain, dan kadang -kadang keduanya, dari pertanyaan -pertanyaan itu.”

“Kami tidak berada di permainan lubang hitam umumnya berbicara untuk menjawab sesuatu untuk dilakukan dengan ‘Are We Alone?,’” Tambah Ford. “Tapi ‘bagaimana kita bisa sampai di sini cukup penting untuk memahami lubang hitam ini.”

Memahami kelahiran, kehidupan, dan kematian bintang -bintang – dan peran tungku fusi nuklir ini dalam memproduksi unsur -unsur – terikat erat dengan kehadiran lubang hitam. Selain itu, jenis bintang yang dibentuk oleh galaksi dan jumlah di mana mereka membentuk dapat dihubungkan dengan massa dan perilaku lubang hitam di inti galaksi -galaksi itu. Lubang hitam bisa menjadi pemakan yang berantakan – sering bersendawa materi bintang dan melemparkannya ke luar angkasa – membuat mereka peserta aktif dalam evolusi alam semesta di sekitar mereka.

“Di sana adalah beberapa dokumen tentang itu disebut Kecil Merah Titik -titik itu titik keluar itu di sana adalah pingsan AGNS (inti galaksi aktif – inti bercahaya galaksi yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif) itu adalah mungkin yang akan datang dari bertambah besar sekali hitam lubang, ”kata Berti. “AII dari ini bukti sekali lagi poin keluar itu besar sekali hitam lubang harus memiliki ada cantik lebih awal pada di dalam itu sejarah dari itu semesta. Dia memiliki selalu pernah A Puzzle, but dia menjadi even lagi dari A membingungkan.”

Webb Space Telescope Observasi titik -titik merah kecil melihat bercak cahaya seperti ketika alam semesta berusia antara 600 juta tahun dan 1,5 miliar tahun. Meskipun penelitian terbaru menunjukkan bahwa titik -titik adalah tanda -tanda pertumbuhan lubang hitam yang sebelumnya dikaburkan di alam semesta awal – dan model kosmologis tidak “rusak” seperti yang disarankan oleh berita utama – pengamatan LISA akan membantu mengungkapkan sifat pasti dari sumber cahaya yang membingungkan.

Lisa akan mengamati pengadukan lubang hitam dan lebih baik mengkarakterisasi serangkaian benda ringkas di alam semesta kita. Informasi itu juga dapat diterapkan pada model kosmologis yang ada dan teori yang berlaku, seperti relativitas umum Einstein. Data-kebenaran tanah (untuk berbicara-kita berbicara tentang ruang di sini) akan menjadi tes stres yang menarik untuk ide-ide tentang alam semesta, salah satunya terkenal divalidasi ketika Ligo pertama kali mendeteksi gelombang gravitasi pada tahun 2015. Ada banyak yang diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui diketahui Tidak diketahui dalam rumit hitam yang bertinta, tetapi para ilmuwan Lisa bertekad untuk menarik kembali tirai – jika hanya sedikit – di beberapa misteri paling mendasar di alam semesta.