The Gravitational Wave Crests: Big Discoveries zijn Worth the Wait (Op-Ed)

Fleming Crim is assistent-directeur van de NSF-directie Wiskundige en Exacte Wetenschappen. Crim leidt een staf van bijna 180 en houdt toezicht op een jaarlijks budget van $ 1,3 miljard, waarbij de directie het kernonderzoek in astronomie, chemie, fysica, materiaalwetenschap en wiskunde ondersteunt. Crim heeft dit artikel bijgedragen aan Expert Voices van ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

Eind vorige maand getuigde ik voor het Amerikaanse Congres samen met drie vooraanstaande natuurkundigen over een onderwerp dat grotendeels onbekend was op Capitol Hill: gravitatiegolven. Na tientallen jaren van inspanning had de LIGO Science Collaboration deze golven voor het eerst rechtstreeks waargenomen en voor vertegenwoordigers van beide zijden van het gangpad was het enthousiasme voelbaar.

Inzicht in de werking van het universum is een beloning voor fundamenteel onderzoek en de hoorzitting was een gelegenheid om het Congres te bedanken voor hun steun - en om te praten over het lange, gecompliceerde pad dat dergelijke ontdekkingen volgen.

Wetenschap is altijd nieuw, niet altijd snel

De geschiedenis van de Gravitational Wave Observatory (LIGO) van Laser Interferometer weerspiegelt vastberadenheid, inspiratie en vasthoudendheid: hoewel Einstein honderd jaar geleden gravitatiegolven voorspelde, was hun directe waarneming een ontmoedigende - schijnbaar onmogelijke - taak. De mogelijkheid om een ​​nieuw venster op het universum te openen was echter zo verleidelijk dat de NSF in de jaren zeventig begon met het financieren van onderzoek naar prototype laserinterferometers. In 1994 legde het bureau bijna $ 300 miljoen vast aan een groep onder leiding van Kip Thorne en Ron Drever van Caltech en Rainer Weiss van MIT om hun prototypen om te vormen tot een waarachtig waarnemingscentrum voor zwaartekrachtgolven.

Het onderzoek - gedreven door genialiteit, visie, enthousiasme, experimenteel vermogen en diepgaande theoretische inzichten - overtuigde de NSF, de National Science Board en het Congres om een ​​risico te nemen. Hoewel de NSF nog nooit zoiets op zo'n schaal had gefinancierd, rechtvaardigde het potentieel voor transformerende wetenschap zo'n grote toewijding. Bij het opstarten van dit project omarmde het bureau een nieuwe rol door een groot, hoogrisico- en hoogbeloningsonderzoekplatform te financieren. Het was een nieuwe en gewaagde gok op de toekomst.

Een van de belangrijkste redenen voor dit ambitieuze onderzoek was om te beslissen of het zelfs haalbaar was om een ​​instrument te bouwen dat gevoelig genoeg is om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Omdat we geloofden dat de onderzoekers in de goede richting gingen - en dat er zowel langs de weg als na het detecteren kennis te verkrijgen was, was het antwoord op die vraag 'ja'. [Zwaartekrachtgolven: de 'donkere kant' van het universum bespioneren]

Het pad was inderdaad een lange weg die continu leren en ontwikkelen van nieuwe technologie vereiste om de detectors op het vereiste gevoeligheidsniveau te brengen. Of de wetenschappers nu spiegelcoatings verfijnen, algoritmen voor analyse fijn afstemmen of trillingsisolatie waarborgen, het proces werd geleidelijk verder ontwikkeld. En in 2008 ging de NSF met het voortdurende niet-aflatende engagement naar het Congres voor de fondsen - $ 205 miljoen - om die volgende-generatie tool te bouwen: Advanced LIGO. Het was dit instrument dat afgelopen najaar een zwaartekrachtgolf ontdekte.

Achteraf bezien is het gemakkelijk om een ​​eenvoudige, duidelijke weg te vinden naar die doorbraak, maar achteraf vereenvoudigt vaak het verleden. Die beslissingen waren niet eenvoudig of duidelijk of unaniem. Alle betrokkenen namen het soort berekend risico dat inherent is aan het verkennen van het onbekende.

De zoekopdracht die we nu vieren hoefde niet op deze manier uit te komen. De wetenschappelijke gemeenschap en de NSF gokten erop dat het nieuw toegewijde instrument zwaartekrachtgolven zou detecteren, maar er zouden diepgaande inzichten zijn geweest, zelfs als dat niet het geval was. Vanwege de buitengewone gevoeligheid van het instrument, zou de afwezigheid van een observatie leidende modellen van het universum hebben beperkt en ons begrip van de zwaartekracht.

Dat gezegd hebbende, het is veel spannender om zwaartekrachtsgolven waar te nemen en de weddenschap te winnen, een nieuw tijdperk van observatie te openen. De NSF nam het risico om een ​​groot instrument te ondersteunen dat het potentieel in zich had om onze kijk op het universum te transformeren. Deze standvastigheid bij het financieren van de meest ambitieuze wetenschap dient de natie bijzonder goed.

Wetenschap stopt niet na een doorbraak

De ontdekking van zwaartekrachtgolven is een begin, geen einde. Het markeert de geboorte van zwaartekrachtgolfastronomie, een nieuw hulpmiddel om de kosmos te begrijpen. Het echte goede nieuws is dat Advanced LIGO is ontworpen om driemaal gevoeliger te zijn en waarnemingen in de herfst met een nog groter bereik te beginnen. En die waarnemingen zijn één element binnen de LIGO Scientific Collaboration, een groep van meer dan 1.000 wetenschappers aan universiteiten in de Verenigde Staten en in 15 landen. De Verenigde Staten hebben deze internationale samenwerking geleid, maar de voortdurende nauwe samenwerking met onze internationale partners is de sleutel om de wetenschap naar een hoger niveau te tillen.

Nieuwe observatoria die onze partners in Europa, Japan en India ontwikkelen, beloven een spannende toekomst. Met twee detectoren is het alleen mogelijk om de bron van het signaal naar een groot deel van de lucht te lokaliseren. Met extra detectoren is het mogelijk om de bron van gravitatiegolven te 'trianguleren' en andere, meer gedetailleerde waarnemingen te doen.

Fundamenteel onderzoek is onzeker en riskant, maar het is ook revolutionair. LIGO is een treffend voorbeeld, maar niet de enige. Fundamentele wetenschap heeft onze wereld getransformeerd en zal deze blijven veranderen op manieren die we ons nog niet hebben voorgesteld - op dezelfde manier dat Einstein's eigen relativiteitstheorie de nauwkeurigheid van onze GPS garandeert of dat dezelfde techniek wordt gebruikt om de gevoelige laser van LIGO te stabiliseren frequenties helpen ook bij het bouwen van de halfgeleiders in onze computers en mobiele telefoons.

Hoewel iedereen die betrokken is bij de ontdekking van zwaartekrachtgolven enorme trots kan zijn op deze laatste fundamentele onderzoeksresultaten, is het nu niet het moment om te rusten. Dit is het moment om de grenzen van de hele wetenschap te verleggen, voort te bouwen op wat we hebben geleerd en nieuwe vensters in ons universum te openen.