1.3 billion years ago, in a distant, distant galaxy, two black holes locked into a spiral, falling inexorably towards each other and collided, converting three Suns' worth of stuff into pure energy in a tenth of a second. For that brief moment in time, the glow was brighter than all the stars in all the galaxies in all of the known Universe. It was a very big bang.
1,3 miljardia vuotta sitten hyvin kaukaisessa galaksissa kaksi mustaa aukkoa lukittautuivat pyörteeseen pudoten vääjäämättä toisiaan kohden, ja ne törmäsivät muuntaen kolmen Auringon verran tavaraa puhtaaksi energiaksi sekunnin kymmenesosassa. Tuon lyhyen hetken ajan hehku oli kirkkaampi kuin kaikki tähdet kaikissa galakseissa koko tunnetussa universumissa. Se oli erittäin iso pamaus.
But they didn't release their energy in light. I mean, you know, they're black holes. All that energy was pumped into the fabric of space and time itself, making the Universe explode in gravitational waves.
Mutta ne eivät vapauttaneet energiaansa valona. Nehän ovat mustia aukkoja. Kaikki se energia pumppautui aika-avaruuden kudokseen itseensä, saaden universumin räjähtämään painovoima-aaltoina.
Let me give you a sense of the timescale at work here. 1.3 billion years ago, Earth had just managed to evolve multicellular life. Since then, Earth has made and evolved corals, fish, plants, dinosaurs, people and even -- God save us -- the Internet. And about 25 years ago, a particularly audacious set of people -- Rai Weiss at MIT, Kip Thorne and Ronald Drever at Caltech -- decided that it would be really neat to build a giant laser detector with which to search for the gravitational waves from things like colliding black holes.
Antakaapa kun havainnollistan aikahaarukan, josta nyt puhutaan. 1,3 miljardia vuotta sitten Maa oli juuri onnistunut kehittämään monisoluista elämää. Sen jälkeen Maa on tehnyt koralleja, kaloja, kasveja, dinosauruksia, ihmisen ja jopa -- jumala meitä auttakoon -- internetin. Ja noin 25 vuotta sitten erityisen uskalias porukka ihmisiä -- Rai Weiss MIT:ssä, Kip Thorne ja Ronald Drever Caltech:llä päättivät, että olisi tosi siistiä rakentaa jättimäinen laser-havaitsin, jolla etsiä painovoima-aaltoja, joita asiat kuten törmäävät mustat aukot lähettävät.
Now, most people thought they were nuts. But enough people realized that they were brilliant nuts that the US National Science Foundation decided to fund their crazy idea. So after decades of development, construction and imagination and a breathtaking amount of hard work, they built their detector, called LIGO: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Suurin osa ihmisistä piti heitä hulluina, mutta tarpeeksi monta ihmistä ymmärsi, että he olivat nerokkaita hulluja. Niinpä Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö päätti rahoittaa heidän tolkuttoman ideansa. Lopulta vuosikymmenten kehityksen, rakennuksen ja mielikuvituksen, ja hengästyttävän kovan työn jälkeen he rakensivat havaitsimensa, nimeltä LIGO. eli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
For the last several years, LIGO's been undergoing a huge expansion in its accuracy, a tremendous improvement in its detection ability. It's now called Advanced LIGO as a result.
Viime vuosien ajan LIGOn tarkkuutta on kehitetty valtavasti. Sen havaitsemiskykyyn on saatu valtava parannus. Tästä johtuen sen nimi on nyt "Kehittynyt LIGO."
In early September of 2015, LIGO turned on for a final test run while they sorted out a few lingering details. And on September 14 of 2015, just days after the detector had gone live, the gravitational waves from those colliding black holes passed through the Earth. And they passed through you and me. And they passed through the detector.
Syyskuun alussa vuonna 2015 LIGO käynnistettiin viimeiselle testikäytölle, kun tutkijat vielä hoitivat muutaman yksityiskohdan. Syyskuun neljästoista vuonna 2015, vain päiviä sen jälkeen, kun havaitsin oli saatettu käyntiin, painovoima aallot niistä törmäävistä mustista aukoista, läpäisivät Maan matkallaan. Ja ne menivät sinun ja minun lävitse ja ne menivät havaitsimen läpi.
(Audio) Scott Hughes: There's two moments in my life more emotionally intense than that. One is the birth of my daughter. The other is when I had to say goodbye to my father when he was terminally ill. You know, it was the payoff of my career, basically. Everything I'd been working on -- it's no longer science fiction! (Laughs)
(Audio) "On kaksi tapahtumaa elämässäni, jotka ovat tunteikkaampia kuin tämä. Toinen on tyttäreni syntymä, toinen on, kun minun piti hyvästellä kuolemansairas isäni. Tiedätkö, se oli periaatteessa korvaus koko urastani. Kaikki minkä eteen olen työskennellyt -- ei ole enää tieteisfiktiota!"
Allan Adams: So that's my very good friend and collaborator, Scott Hughes, a theoretical physicist at MIT, who has been studying gravitational waves from black holes and the signals that they could impart on observatories like LIGO, for the past 23 years.
Tuo on hyvä ystäväni ja kollegani, Scott Hughes. Hän on teoreettinen fyysikko MIT:llä. Hän on tutkinut painovoima-aaltoja mustista aukoista ja signaaleja, jotka ne voivat välittää observatorioihin kuten LIGO, viimeisen 23 vuoden ajan.
So let me take a moment to tell you what I mean by a gravitational wave. A gravitational wave is a ripple in the shape of space and time. As the wave passes by, it stretches space and everything in it in one direction, and compresses it in the other. This has led to countless instructors of general relativity doing a really silly dance to demonstrate in their classes on general relativity. "It stretches and expands, it stretches and expands."
Antakaapas kun kerron mitä tarkoitan painovoima-aalloilla. Painovoima-aalto on väre avaruuden ja ajan muodossa. Kun sellainen aalto menee läpi, se venyttää avaruutta ja kaikkea siinä olevaa yhteen suuntaan ja tiivistää sitä toiseen suuntaan. Tämä on johtanut lukemattomiin suhteellisuusteorian opettajiin tanssimassa hupsusti havainnollistaessaan yleistä suhteellisuusteoriaa. "Se venyy ja laajenee, se venyy ja laajenee."
So the trouble with gravitational waves is that they're very weak; they're preposterously weak. For example, the waves that hit us on September 14 -- and yes, every single one of you stretched and compressed under the action of that wave -- when the waves hit, they stretched the average person by one part in 10 to the 21. That's a decimal place, 20 zeroes, and a one. That's why everyone thought the LIGO people were nuts. Even with a laser detector five kilometers long -- and that's already crazy -- they would have to measure the length of those detectors to less than one thousandth of the radius of the nucleus of an atom. And that's preposterous.
Joten ongelma painovoima-aalloissa on että ne ovat hyvin heikkoja; naurettavan heikkoja. Esimerkiksi se aalto, joka meihin osui syyskuun 14. päivänä -- ja kyllä, jokainen teistä venyi ja tiivistyi sen aallon toimesta -- kun aallot osuivat, ne venyttivät keskivertoihmistä yhden osan 10 potenssiin 21:stä. Tässä on desimaali, jonka jälkeen 20 nollaa, ja ykkönen. Sen takia kaikki ajattelivat, että LIGO-ihmiset olivat hulluja. Jopa viisi kilometriä pitkällä laser-ilmaisimella -- jo se on hullua -- heidän pitäisi mitata noiden ilmaisimien pituus vähemmäksi kuin yksi tuhannes atomiytimen säteestä. Ja se on posketonta.
So towards the end of his classic text on gravity, LIGO co-founder Kip Thorne described the hunt for gravitational waves as follows: He said, "The technical difficulties to be surmounted in constructing such detectors are enormous. But physicists are ingenious, and with the support of a broad lay public, all obstacles will surely be overcome." Thorne published that in 1973, 42 years before he succeeded.
Joten loppua kohden hänen perinteisessä tekstistään painovoimasta yksi LIGOn perustajista, Kip Thorne kuvasi tätä painovoima-aaltojen metsästystä seuraavasti: hän sanoi, "Tekniset haasteet, jotka pitää ylittää sellaisen ilmaisimen rakentamisessa ovat valtavat. Mutta fyysikot ovat kekseliäitä, ja laajan maallikkokansan tuella kaikki esteet tullaan varmasti voittamaan." Thorne julkaisi tuon vuonna 1973; 42 vuotta ennen kuin hän onnistui.
Now, coming back to LIGO, Scott likes to say that LIGO acts like an ear more than it does like an eye. I want to explain what that means. Visible light has a wavelength, a size, that's much smaller than the things around you, the features on people's faces, the size of your cell phone. And that's really useful, because it lets you make an image or a map of the things around you, by looking at the light coming from different spots in the scene about you.
Nyt palatkaamme LIGOon. Scott tykkää sanoa, että LIGO toimii enemmän kuin korvana kuin silmänä. Haluan selittää mitä tuo tarkoittaa. Näkyvällä valolla on aallonpituus, koko, joka on paljon pienempi kuin asiat ympärilläsi, piirteet ihmisten kasvoilla, puhelimesi koko. Se on hyvin hyödyllistä, sillä se mahdollistaa sinun luovan kuvan tai kartan asioista ympärilläsi käyttäen valoa, joka tulee eri paikoista maisemasta ympäriltäsi.
Sound is different. Audible sound has a wavelength that can be up to 50 feet long. And that makes it really difficult -- in fact, in practical purposes, impossible -- to make an image of something you really care about. Your child's face. Instead, we use sound to listen for features like pitch and tone and rhythm and volume to infer a story behind the sounds. That's Alice talking. That's Bob interrupting. Silly Bob.
Ääni toimii eri lailla. Kuultavalla äänellä on aallonpituus, joka voi olla jopa 15 metriä pitkä. Ja se vaikeuttaa -- itse asiassa, käytännössä, tekee mahdottomaksi -- ottaa kuvan jostain, josta todella välität. Lapsesi kasvoista. Se sijaan, me käytämme ääntä kuunnellaksemme ominaisuuksia kuten äänenkorkeutta, -sävyä, -rytmiä ja -voimakkuutta päätelläksemme tarinan äänen takaa. Tuo on Alice joka puhuu. Tuo on Bob joka keskeyttää. Höpsö Bob.
So, the same is true of gravitational waves. We can't use them to make simple images of things out in the Universe. But by listening to changes in the amplitude and frequency of those waves, we can hear the story that those waves are telling. And at least for LIGO, the frequencies that it can hear are in the audio band. So if we convert the wave patterns into pressure waves and air, into sound, we can literally hear the Universe speaking to us. For example, listening to gravity, just in this way, can tell us a lot about the collision of two black holes, something my colleague Scott has spent an awful lot of time thinking about.
Joten, sama pätee myös painovoima-aaltoihin. Emme pysty käyttämään niitä luomaan yksinkertaisia kuvia Universumista. Mutta kuuntelemalla muutoksia aaltojen huippuarvoissa ja taajuudessa voimme kuulla sen tarinan, jonka nuo aallot kertovat. Ja ainakin LIGOlle, taajuudet, joita se voi kuulla, ovat kuuloalueellamme. Joten jos muutamme aaltokuviot paineaalloiksi ja ilmaksi, ääneksi, voimme kirjaimellisesti kuulla Universumin puhuvan meille. Esimerkiksi kuuntelemalla painovoimaa ihan vain näin se voi kertoa meille paljon kahden mustan aukon törmäyksestä, asiasta, jota miettiessään kollegani Scott on kuluttanut valtavan määrän aikaa.
(Audio) SH: If the two black holes are non-spinning, you get a very simple chirp: whoop! If the two bodies are spinning very rapidly, I have that same chirp, but with a modulation on top of it, so it kind of goes: whir, whir, whir! It's sort of the vocabulary of spin imprinted on this waveform.
Scott H: "Jos ne kaksi mustaa aukkoa eivät pyöri, kuulet yksinkertaisen sirityksen: whuup! Jos kaksi kappaletta pyörivät nopeasti, kuulee saman sirityksen, mutta siihen sisältyy modulaatio, se kuulostaa jotenkuten: whir, whir, whible, whible! Se on tietynlainen sanakirja pyörimisestä painautuneena tähän aaltomuotoon."
AA: So on September 14, 2015, a date that's definitely going to live in my memory, LIGO heard this:
Joten syyskuun 14. 2015, päivämäärä, jonka tulen muistamaan vielä kauan, LIGO kuuli tämän:
[Whirring sound]
[pörinää]
So if you know how to listen, that is the sound of --
Joten, jos tiedät kuinka kuunnella tuo on ääni siitä kun --
(Audio) SH: ... two black holes, each of about 30 solar masses, that were whirling around at a rate comparable to what goes on in your blender.
Scott H. "...kaksi mustaa aukkoa, kumpikin noin 30 auringon massaa, jotka suhisivat toistensa ympäri nopeudella, joka on verrattavissa tehosekoittimeen."
AA: It's worth pausing here to think about what that means. Two black holes, the densest thing in the Universe, one with a mass of 29 Suns and one with a mass of 36 Suns, whirling around each other 100 times per second before they collide. Just imagine the power of that. It's fantastic. And we know it because we heard it.
On syytä pysähtyä tähän miettimään, mitä tuo tarkoittaa. Kaksi mustaa aukkoa, tihein asia Universumissa, toisen massa 29 Aurinkoa ja toisen 36 Aurinkoa vipeltää toistensa ympäri 100 kertaa sekunnissa ennen kuin ne törmäävät. Voitko kuvitella tapahtuman voimaa. Se on upeaa. Ja tiedämme sen, sillä kuulimme sen.
That's the lasting importance of LIGO. It's an entirely new way to observe the Universe that we've never had before. It's a way that lets us hear the Universe and hear the invisible.
Tämä kertoo LIGOn jatkuvasta tärkeydestä. Se on kokonaan uusi tapa havainnoida Universumia, jollaista meillä ei ole ennen ollut. Se on tapa, jolla voimme kuulla Universumin ja kuulla näkymättömän.
And there's a lot out there that we can't see -- in practice or even in principle. So supernova, for example: I would love to know why very massive stars explode in supernovae. They're very useful; we've learned a lot about the Universe from them. The problem is, all the interesting physics happens in the core, and the core is hidden behind thousands of kilometers of iron and carbon and silicon. We'll never see through it, it's opaque to light. Gravitational waves go through iron as if it were glass -- totally transparent. The Big Bang: I would love to be able to explore the first few moments of the Universe, but we'll never see them, because the Big Bang itself is obscured by its own afterglow. With gravitational waves, we should be able to see all the way back to the beginning. Perhaps most importantly, I'm positive that there are things out there that we've never seen that we may never be able to see and that we haven't even imagined -- things that we'll only discover by listening.
Ja tuolla on paljon, mitä me emme voi nähdä -- käytännössä, tai edes periaatteessa. Supernova, esimerkiksi. Haluaisin tietää, miksi hyvin massiiviset tähdet räjähtävät supernoviksi. Ne ovat hyödyllisiä; olemme oppineet paljon Universumista niistä. Ongelma on, että kaikki kiinnostava fysiikka tapahtuu ytimessä, ja ydin on piilossa tuhansien kilometrien paksuisen rauta, hiili ja pii kerroksen alla. Emme tule näkemään sen läpi, se on läpinäkymätön valolle Painovoima-aallot kulkevat raudan läpi, kuin se olisi lasia -- täysin läpinäkyvä. Alkuräjähdys: haluaisin pystyä tutkimaan Universumin ensimmäisiä hetkiä, mutta emme tule näkemään niitä, sillä alkuräjähdys on peittynyt omaan jälkihehkuunsa. Mutta painovoima-aalloilla meidän pitäisi voida nähdä alkuun asti. Ehkäpä tärkein asia: olen varma, että tuolla jossain on asioita, joita emme ole koskaan nähneet, joita emme välttämättä koskaan näe, ja joita emme ole edes kuvitelleet -- asioita, jotka löydämme ainoastaan kuuntelemalla.
And in fact, even in that very first event, LIGO found things that we didn't expect. Here's my colleague and one of the key members of the LIGO collaboration, Matt Evans, my colleague at MIT, addressing exactly that:
itse asiassa, jopa tuossa aivan ensimmäisessä tapahtumassa, LIGO löysi asioita, joita emme odottaneet. Tässä kollegani ja yksi pääjäsenistä LIGO-yhteistyössä, Matt Evans, kollegani MIT:llä, puhuu juuri siitä:
(Audio) Matt Evans: The kinds of stars which produce the black holes that we observed here are the dinosaurs of the Universe. They're these massive things that are old, from prehistoric times, and the black holes are kind of like the dinosaur bones with which we do this archeology. So it lets us really get a whole nother angle on what's out there in the Universe and how the stars came to be, and in the end, of course, how we came to be out of this whole mess.
"Tähdet, jotka tuottavat mustia aukkoja, joita me täällä havainnoimme ovat Universumin dinosauruksia. Ne ovat massiivisia asioita ja vanhoja, esihistoriallisista ajoista asti, ja mustat aukot, ovat ikään kuin dinosaurusten luita, joilla me toteutamme tätä arkeologiaa. Joten saamme näin kokonaan uuden perspektiivin siitä, mitä Universumista löytyy, ja miten tähdet saivat alkunsa, ja lopulta, tietenkin, miten me saimme alkumme tästä koko sotkusta."
AA: Our challenge now is to be as audacious as possible. Thanks to LIGO, we know how to build exquisite detectors that can listen to the Universe, to the rustle and the chirp of the cosmos. Our job is to dream up and build new observatories -- a whole new generation of observatories -- on the ground, in space. I mean, what could be more glorious than listening to the Big Bang itself? Our job now is to dream big. Dream with us.
Meidän haasteemme nyt on olla niin uskaliaita kuin mahdollista. Kiitos LIGOn, nyt tiedämme miten rakentaa hienostuneita ilmaisimia, jotka voivat kuunnella Universumia, kosmoksen rahinaa ja siritystä. Meidän tehtävämme on unelmoida ja rakentaa uusia observatorioita -- kokonaan uusi sukupolvi observatorioita -- maahan ja avaruuteen. Mikä voisi olla loistokkaampaa, kuin kuunnella itse alkuräjähdystä? Tehtävämme on nyt unelmoida isosti. Unelmoi kanssamme.
Thank you.
Kiitos.
(Applause)
(Aplodeja)