Der er lyd i rummet takket være gravitationsbølger

det er længe blevet sagt, at der ikke er nogen lyd i rummet, og det er sandt, til et punkt. Konventionel lyd kræver et medium at rejse igennem og oprettes, når partikler komprimerer og rarificerer, hvilket gør alt fra et højt “bang” til en enkelt puls til en ensartet tone til gentagne mønstre. I rummet, hvor der er så få partikler, at sådanne signaler dør væk, går selv solbrændinger, supernovaer, sorte hulfusioner og andre kosmiske katastrofer stille, før de nogensinde bliver hørt. Men der er en anden type kompression-og-rarefaction, der ikke kræver andet end selve rummets Stof at rejse igennem: gravitationsbølger. Takket være de første positive detektionsresultater fra LIGO hører vi universet for første gang.

gravitationsbølger var noget, der var nødvendigt for at vores teori om tyngdekraften var konsistent, ifølge generel relativitet. I modsætning til tyngdekraften, hvor to masser, der kredser om hinanden, ville forblive i den konfiguration for evigt, forudsagde Einsteins teori, at gravitationsbaner over lange nok tider ville henfalde. For noget som Jorden, der kredser om Solen, ville du aldrig leve for at opleve det: det ville tage 10^150 år for Jorden at spiral ind i solen. Men for mere ekstreme systemer, som to neutronstjerner, der kredser om hinanden, kunne vi faktisk se kredsløbene forfaldne over tid. For at spare energi forudsagde Einsteins gravitationsteori, at energi skal transporteres væk i form af gravitationsbølger.

disse bølger er vanvittigt svage, og deres virkninger på objekterne i rumtiden er utroligt små. Men hvis du ved, hvordan man lytter efter dem — ligesom komponenterne i en radio ved, hvordan man lytter efter disse langfrekvente lysbølger-kan du registrere disse signaler og høre dem, ligesom du ville høre enhver anden lyd. Med en amplitude og en frekvens er de ikke anderledes end nogen anden bølge. Generel relativitet giver eksplicitte forudsigelser for, hvordan disse bølger skal lyde, hvor de største bølgegenererende signaler er de nemmeste at opdage. Den største amplitude lyder alt? Det er den inspiral og fusionerende “chirp” af to sorte huller, der spiral ind i hinanden.

i September 2015, kun få dage efter advanced LIGO begyndte at indsamle data for første gang, blev der set et stort, usædvanligt signal. Det overraskede alle, fordi det ville have båret så meget energi på bare en kort, 200 millisekund burst, at det ville have overgået alle stjernerne i det observerbare univers kombineret. Alligevel viste det sig at være robust, og energien fra den udbrud kom fra to sorte huller — af 36 og 29 solmasser — der fusionerede i en enkelt 62 solmasse en. De mangler tre solmasser? De blev omdannet til ren energi: gravitationsbølger, der krusede gennem rummet. Det var den første begivenhed LIGO nogensinde opdaget.

nu er det over et år senere, og LIGO er i øjeblikket på sit andet løb. Ikke kun er der fundet andre sorte hul-sorte hulfusioner, men fremtiden for gravitationsbølgeastronomi er lys, da nye detektorer åbner vores ører for nye typer lyde. Ruminterferometre, som LISA, vil have længere basislinjer og vil høre lavere frekvenslyde: lyder som neutronstjernefusioner, festende supermassive sorte huller og fusioner med meget ulige masser. Pulsar timing arrays kan måle endnu lavere frekvenser, som baner, der tager år at gennemføre, såsom supermassive black hole pair: OJ 287. Og kombinationer af nye teknikker vil lede efter de ældste gravitationsbølger af alle, relikbølgerne forudsagt af kosmisk inflation, helt tilbage i begyndelsen af vores univers.

der er så meget at høre, og vi er kun lige begyndt at lytte for første gang. Heldigvis er astrofysiker Janna Levin-forfatter af den fantastiske bog, Black Hole Blues og andre sange fra det ydre rum — klar til at holde det offentlige foredrag på Perimeter Institute i aften, 3. Maj, på 7 pm Eastern / 4 PM Pacific, og det vil blive live-streamet her og live-blogget af mig i realtid! Deltag i os derefter for endnu mere om dette utrolige emne, og jeg kan ikke vente med at høre hende tale.

live-bloggen begynder et par minutter før 4:00 PM Pacific; Deltag i os her og følg med!

3:50 PM: det er ti minutter indtil vistid, og for at fejre, her er ti sjove fakta (eller så mange som vi kan komme ind) om tyngdekraft og gravitationsbølger.

1.) I stedet for” handling på afstand”, hvor der udøves en usynlig kraft mellem masserne, siger generel relativitet, at stof og energi fordrejer stoffet i rumtiden, og at fordrejet rumtid er det, der manifesterer sig som tyngdekraft.

2.) I stedet for at rejse med uendelig hastighed rejser gravitation kun med lysets hastighed.

3.) Dette er vigtigt, fordi det betyder, at hvis der sker ændringer i et massivt objekts position, konfiguration, bevægelse osv., spredes de efterfølgende gravitationsændringer kun ved lysets hastighed.

3:54 om eftermiddagen: 4.) Dette betyder, at gravitationsbølger for eksempel kun kan formere sig ved lysets hastighed. Når vi” opdager ” en gravitationsbølge, registrerer Vi signalet fra, da massekonfigurationen ændrede sig.

5.) Det første signal, der blev detekteret af LIGO, forekom i en afstand på cirka 1, 3 milliarder lysår. Universet var omkring 10% yngre end det er i dag, da fusionen fandt sted.

6.) Hvis gravitation rejste med uendelig hastighed, ville planetariske baner være helt ustabile. Det faktum, at planeter bevæger sig i ellipser omkring solen, kræver, at hvis generel relativitet er korrekt, skal tyngdekraftens hastighed svare til lysets hastighed med en nøjagtighed på omkring 1%.

3: 57 om eftermiddagen: 7.) Der er mange, mange flere gravitationsbølgesignaler end hvad LIGO har set hidtil; vi har kun registreret det nemmeste signal der er at opdage.

8.) Hvad der gør et signal ” let ” at se er en kombination af dets amplitude, det vil sige, hvor meget det kan deformere en sti-længde eller en afstand i rummet såvel som dens frekvens.

9.) Fordi ligos arme kun er 4 kilometer lange, og spejlene reflekterer lyset tusinder af gange (men ikke mere), betyder det, at LIGO kun kan registrere frekvenser på 1 time eller hurtigere.

10.) For langsommere signaler har vi brug for længere håndtag og større følsomhed, og det vil betyde at gå til rummet. Det er fremtiden for gravitationsbølge astronomi!

4: 01 PM: vi gjorde det! Tid til at begynde og introducere Janna Levin! (Udtal “JAN-na”, ikke” YON-na”, hvis du undrede dig.)

4: 05 PM: Her er den store meddelelse / skud: den første direkte optagelse af den første gravitationsbølge. Det tog 100 år efter, at Einstein først fremlagde generel relativitet, og hun spiller en optagelse! Sørg for at gå og lytte! Hvad betyder det at “høre” en lyd i rummet, og hvorfor er det en lyd? Det er formålet, siger hun, med sin tale.

4:08 PM: hvis du overvejer, hvad der er derude i universet, havde vi ingen måde at vide noget af dette på tidspunktet for Galileo. Vi tænkte på solpletter, Saturn osv. var fuldstændig ude af stand til at forestille sig de store kosmiske skalaer eller afstande. Glem alt om at “opfatte andre galakser”, vi havde ikke tænkt på noget af dette!

4: 10 PM: Janna viser en af mine yndlingsvideoer (som jeg genkender) fra Sloan Digital Sky Survey! De undersøgte 400.000 af de nærmeste galakser og kortlagde dem i tre dimensioner. Sådan ser vores (nærliggende) univers ud, og som du kan se, er det virkelig for det meste tomt rum!

4: 12 PM: Hun gør et rigtig godt punkt, at hun helt glosser over: kun omkring 1-i-1000 stjerner bliver nogensinde et sort hul. Der er over 400 stjerner inden for 30 lysår af os, og nul af dem er O-eller B-stjerner, og nul af dem er blevet sorte huller. Disse blåeste, mest massive og korteste levede stjerner er de eneste, der vil vokse til sorte huller.

4:15 PM: når du overvejer “hvor kom Einsteins teori fra”, gør Janna et godt punkt: ideen om ækvivalensprincippet. Hvis du har tyngdekraften, kan du overveje, at du for eksempel føler dig “tung” i din stol. Men denne reaktion, du har, er den nøjagtige samme reaktion, du ville føle, hvis du accelererede, snarere end gravitating. Det er ikke tyngdekraften, du føler, det er virkningerne af sagen omkring dig!

4: 17 PM: bandet OKGO lavede en video, der flyver i opkastet komet. Janna kan ikke vise det hele, med lyd, af ophavsretlige grunde, og anbefaler det stærkt. Heldigvis for dig, takket være internettet… her er det! Nyd på din fritid!

4:19 PM: der er en anden stor åbenbaring for tyngdekraften: den måde, vi forstår, hvordan tingene fungerer, kommer fra at se, hvordan tingene falder. Månen “falder” rundt om Jorden; det indså han. Men Jorden falder rundt om Solen; solen ” falder “rundt om galaksen; og atomer” falder ” her på jorden. Men den samme regel gælder for dem alle, så længe de alle er i frit fald. Fantastisk!

4:21 PM: her er en sjov åbenbaring: stop med at tænke på et sort hul som kollapset, knust stof, selvom det måske var sådan, det opstod. I stedet skal du tænke på det som blot et område med tomt rum med stærke gravitationsegenskaber. Faktisk, hvis alt hvad du gjorde var at tildele “masse” til denne region af rummet, ville det perfekt definere et sort hul (ikke-ladet, ikke-roterende) sort hul.

4: 23 PM: Hvis du skulle falde i et sort hul Solens masse, ville du have omkring et mikrosekund, fra at krydse begivenhedshorisonten (ifølge Janna), indtil du blev knust til døden ved singulariteten. Dette er i overensstemmelse med hvad jeg engang beregnet, hvor, for det sorte hul i midten af Mælkevejen, vi ville have omkring 10 sekunder. Da Mælkevejens sorte hul er 4.000.000 gange så massivt som vores Sol, fungerer matematikken slags!det er en af de mest populære måder at gøre det på.

særlige samlinger og universitetsarkiver, University of Maryland libraries

4:26 PM: hvordan ville du opdage en gravitationsbølge? Ærligt, det ville være som at være på overfladen af havet; du ville bob op og ned langs overfladen af rummet, og der var et stort argument i samfundet om, hvorvidt disse bølger var virkelige eller ej. Det var først, da Joe kom og besluttede at forsøge at måle disse gravitationsbølger ved hjælp af en fænomenal enhed-en aluminiumstang-der ville vibrere, hvis en krusende bølge “plukkede” baren meget lidt.

Viber så mange sådanne signaler, som han identificerede med gravitationsbølger, men disse blev desværre aldrig gengivet eller verificeret. Han var, for al sin kløgt, ikke en meget omhyggelig eksperimentator.4: 29 PM: der er et godt spørgsmål fra Jon Groubert på kvidre: “jeg har et spørgsmål om noget, hun sagde – Der er noget inde i et sort hul, er der ikke? Som en tung neutronstjerne.”Der skal være en singularitet, som enten er punktlignende (for en ikke-roterende singularitet) eller en endimensionel ring (for en roterende), men ikke kondenseret, kollapset, tredimensionelt stof.

hvorfor ikke?

fordi for at forblive som en struktur, skal en kraft forplantes og overføres mellem partikler. Men partikler kan kun overføre kræfter ved lysets hastighed. Men intet, ikke engang lys, kan bevæge sig “udad” mod udgangen af et sort hul; alt bevæger sig mod singulariteten. Og så kan intet holde sig op, og alt falder sammen i singulariteten. Trist, men fysikken gør dette uundgåeligt.

4:32 PM: efter Uber ‘s fejl (og fald fra berømmelse) kom ideen om LIGO sammen af Rai Vaiss i 1970’ erne. det tog mere end 40 år for LIGO at komme til at virke (og over 1.000 mennesker for at få det til at ske), men det mest fantastiske var, at det var eksperimentelt muligt. Ved at lave to meget lange håndtag, kunne du se effekten af en forbipasserende gravitationsbølge.

4: 34 PM: dette er min yndlingsvideo, der illustrerer, hvad en gravitationsbølge gør. Det bevæger rummet selv (og alt i det) frem og tilbage med en lille mængde. Hvis du har et laserinterferometer oprettet (som LIGO), kan det registrere disse vibrationer. Men hvis du var tæt nok, og dine ører var følsomme nok, kunne du føle denne bevægelse i din trommehinde!

4: 35 om eftermiddagen: Jeg har nogle rigtig gode hovedtelefoner, Perimeter, men desværre kan jeg ikke høre de forskellige gravitationsbølgemodelsignaler, som Janna spiller!

4:38 PM: det er sjovt at tro, at dette er verdens mest avancerede vakuum inde i LIGO detektorer. Alligevel fugle, rotter, mus osv., er alle under der, og de tygger sig ind i næsten det vakuumkammer, som lyset bevæger sig igennem. Men hvis vakuumet var blevet brudt (det har været konstant siden 1998), ville eksperimentet have været forbi. I Louisiana skød jægere på LIGO-tunnellerne. Det er forfærdeligt, hvor følsomt og dyrt dette udstyr er, men alligevel hvor skrøbeligt det hele er også.

4: 41 PM: Janna gør et rigtig godt stykke arbejde med at fortælle denne historie på en spændende, men meget menneskelig måde. Vi så kun de sidste par baner af to kredsende sorte huller, drastisk bremset i ovenstående film. De var kun et par hundrede kilometer fra hinanden, de sidste fire baner tog 200 millisekund, og det er hele signalet, som LIGO så.

4: 43 PM: hvis du har problemer med at lytte/høre begivenhederne i foredraget, skal du lytte til denne video (ovenfor), både i naturlig tonehøjde og øget tonehøjde. 8 og 13 solmasser) fra 26.December 2015 er både mere støjsvage og højere end de større (29 og 36 solmasser) fra 14. September samme år.

4: 46 PM: bare en lille korrektion: Janna siger, at dette var den mest magtfulde begivenhed, der nogensinde er opdaget siden Big Bang. Og det er kun teknisk sandt, på grund af grænserne for vores opdagelse.10% af massen af det mindst massive sorte hul i et fusionspar omdannet til ren energi via Einsteins E = mc2. 29 solmasser er meget, men der vil være sorte huller på hundreder af millioner eller endda milliarder solmasser, der er fusioneret sammen. Og vi har beviser.

4:49 PM: dette er OJ 287, hvor et 150 millioner solmasse sort hul kredser om et ~18 milliarder solmasse sort hul. Det tager 11 år for en komplet bane at forekomme, og generel relativitet forudsiger en præcession på 270 grader pr.

4: 51 PM: Janna gjorde et utroligt stykke arbejde, der sluttede til tiden her; jeg har aldrig set en times snak faktisk ende efter 50 minutter på et offentligt foredrag. Hold da op!