Es gibt Schall im Weltraum, Dank Gravitationswellen

Es wurde lange gesagt, dass es im Raum keinen Ton gibt, und das stimmt bis zu einem gewissen Punkt. Herkömmlicher Klang benötigt ein Medium, um sich zu bewegen, und entsteht, wenn Partikel komprimiert und verdünnt werden, was von einem lauten „Knall“ für einen einzelnen Puls bis zu einem konsistenten Ton für sich wiederholende Muster reicht. Im Weltraum, wo es so wenige Teilchen gibt, dass solche Signale absterben, verstummen sogar Sonneneruptionen, Supernovae, Verschmelzungen Schwarzer Löcher und andere kosmische Katastrophen, bevor sie jemals gehört werden. Aber es gibt eine andere Art von Kompression und Verdünnung, die nichts anderes als das Gewebe des Raumes selbst benötigt, um durch zu reisen: Gravitationswellen. Dank der ersten positiven Detektionsergebnisse von LIGO hören wir das Universum zum ersten Mal.

Gravitationswellen waren etwas, das existieren musste, damit unsere Gravitationstheorie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie konsistent war. Anders als in Newtons Gravitation, wo zwei beliebige Massen, die sich gegenseitig umkreisen, für immer in dieser Konfiguration bleiben würden, sagte Einsteins Theorie voraus, dass Gravitationsbahnen lange genug zerfallen würden. Für so etwas wie die Erde, die die Sonne umkreist, würden Sie es nie erleben: Es würde 10 ^ 150 Jahre dauern, bis sich die Erde in die Sonne dreht. Aber für extremere Systeme, wie zwei Neutronensterne, die sich gegenseitig umkreisen, könnten wir tatsächlich sehen, wie die Umlaufbahnen im Laufe der Zeit abklingen. Um Energie zu sparen, sagte Einsteins Gravitationstheorie voraus, dass Energie in Form von Gravitationswellen abgeführt werden muss.

Diese Wellen sind wahnsinnig schwach, und ihre Auswirkungen auf die Objekte in der Raumzeit sind erstaunlich klein. Aber wenn Sie wissen, wie man auf sie hört — so wie die Komponenten eines Radios wissen, wie man auf diese langfrequenten Lichtwellen hört -, können Sie diese Signale erkennen und hören, genau wie Sie jeden anderen Ton hören würden. Mit einer Amplitude und einer Frequenz unterscheiden sie sich nicht von anderen Wellen. Die allgemeine Relativitätstheorie macht explizite Vorhersagen darüber, wie diese Wellen klingen sollten, wobei die größten wellengenerierenden Signale am einfachsten zu erkennen sind. Die größte Amplitude klingt alle? Es ist das inspirale und verschmelzende „Zwitschern“ zweier Schwarzer Löcher, die sich spiralförmig ineinander drehen.

Im September 2015, nur wenige Tage nachdem Advanced LIGO zum ersten Mal Daten gesammelt hatte, wurde ein großes, ungewöhnliches Signal entdeckt. Es überraschte alle, weil es in nur einem kurzen Ausbruch von 200 Millisekunden so viel Energie transportiert hätte, dass es alle Sterne im beobachtbaren Universum zusammen überstrahlt hätte. Dieses Signal erwies sich jedoch als robust, und die Energie dieses Ausbruchs stammte von zwei Schwarzen Löchern — von 36 und 29 Sonnenmassen —, die zu einem einzigen mit 62 Sonnenmassen verschmolzen. Die fehlenden drei Sonnenmassen? Sie wurden in reine Energie umgewandelt: Gravitationswellen, die durch das Gewebe des Weltraums plätschern. Das war das erste Ereignis, das LIGO jemals entdeckt hat.

Jetzt ist es über ein Jahr später, und LIGO befindet sich derzeit in seinem zweiten Lauf. Es wurden nicht nur andere Fusionen zwischen schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern entdeckt, sondern die Zukunft der Gravitationswellenastronomie ist vielversprechend, da neue Detektoren unsere Ohren für neue Arten von Geräuschen öffnen werden. Weltrauminterferometer wie LISA werden längere Basislinien haben und niederfrequente Geräusche hören: Geräusche wie Neutronensternfusionen, supermassive Schwarze Löcher und Fusionen mit sehr ungleichen Massen. Pulsar-Timing-Arrays können noch niedrigere Frequenzen messen, wie Umlaufbahnen, deren Fertigstellung Jahre dauert, wie das supermassive Schwarze Lochpaar: OJ 287. Und Kombinationen neuer Techniken werden nach den ältesten Gravitationswellen von allen suchen, den Reliktwellen, die durch die kosmische Inflation vorhergesagt wurden, den ganzen Weg zurück zu Beginn unseres Universums.

Es gibt so viel zu hören, und wir haben gerade erst angefangen, zum ersten Mal zuzuhören. Gott sei Dank, Astrophysiker Janna Levin – Autor des fantastischen Buches, Black Hole Blues und andere Lieder aus dem Weltraum – ist bereit, den öffentlichen Vortrag am Perimeter Institute heute Abend zu geben, Mai 3rd, bei 7 PM Eastern / 4 PM Pacific, und es wird hier live gestreamt und von mir in Echtzeit live gebloggt! Begleiten Sie uns dann, um noch mehr über dieses unglaubliche Thema zu erfahren, und ich kann es kaum erwarten, ihren Vortrag zu hören.

Der Live-Blog beginnt einige Minuten vor 4:00 Uhr.; begleiten Sie uns hier und folgen Sie uns!

3: 50 PM: Es ist zehn Minuten bis zur Showtime, und um zu feiern, hier sind zehn lustige Fakten (oder so viele wie wir können) über Schwerkraft und Gravitationswellen.

1. Anstelle von „Aktion in einer Entfernung“, wo eine unsichtbare Kraft zwischen Massen ausgeübt wird, sagt die allgemeine Relativitätstheorie, dass Materie und Energie das Gewebe der Raumzeit verziehen, und dass verzogene Raumzeit das ist, was sich als Gravitation manifestiert.

2.) Statt sich mit unendlicher Geschwindigkeit zu bewegen, bewegt sich die Gravitation nur mit Lichtgeschwindigkeit.

3.) Dies ist wichtig, da dies bedeutet, dass Änderungen an der Position, Konfiguration, Bewegung usw. eines massiven Objekts auftreten. die daraus resultierenden Gravitationsänderungen breiten sich nur mit Lichtgeschwindigkeit aus.

3:54 Uhr: 4.) Dies bedeutet, dass sich beispielsweise Gravitationswellen nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Wenn wir eine Gravitationswelle „erkennen“, erkennen wir das Signal, ab wann sich diese Massenkonfiguration geändert hat.

5.) Das erste von LIGO detektierte Signal trat in einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren auf. Das Universum war etwa 10% jünger als heute, als diese Fusion stattfand.

6. Wenn die Gravitation mit unendlicher Geschwindigkeit reiste, wären Planetenbahnen völlig instabil. Die Tatsache, dass sich Planeten in Ellipsen um die Sonne bewegen, schreibt vor, dass, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist, die Gravitationsgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von etwa 1% entsprechen muss.

3:57 UHR: 7. Es gibt viel, viel mehr Gravitationswellensignale als das, was LIGO bisher gesehen hat; Wir haben nur das einfachste Signal entdeckt, das es zu erkennen gibt.

8.) Was ein Signal „leicht“ sichtbar macht, ist eine Kombination aus seiner Amplitude, dh wie stark es eine Pfadlänge oder eine Entfernung im Raum verformen kann, sowie seiner Frequenz.

9. Da Ligos Arme nur 4 Kilometer lang sind und die Spiegel das Licht tausende Male reflektieren (aber nicht mehr), kann LIGO nur Frequenzen von 1 Hz oder schneller erkennen.

10.) Für langsamere Signale benötigen wir längere Hebelarme und größere Empfindlichkeiten, und das bedeutet, in den Weltraum zu gehen. Das ist die Zukunft der Gravitationswellenastronomie!

4:01 PM: Wir haben es geschafft! Zeit zu beginnen und Janna Levin vorzustellen! (Sprich „JAN-na“ aus, nicht „YON-na“, wenn du dich fragst.)

4:05 PM: Hier ist die große Ankündigung / Aufnahme: Die erste direkte Aufnahme der ersten Gravitationswelle. Es dauerte 100 Jahre, nachdem Einstein die allgemeine Relativitätstheorie zum ersten Mal hervorgebracht hatte, und sie spielt eine Aufnahme! Stellen Sie sicher, dass Sie gehen und hören! Was bedeutet es, einen Klang im Raum zu „hören“, und warum ist das ein Klang? Das ist der Zweck, sagt sie, ihres Gesprächs.

4:08 PM: Wenn man bedenkt, was da draußen im Universum ist, hatten wir zur Zeit von Galileo keine Möglichkeit, etwas davon zu wissen. Wir dachten an Sonnenflecken, Saturn usw., und waren völlig unfähig, sich die großen kosmischen Skalen oder Entfernungen vorzustellen. Vergiss die „Vorstellung von anderen Galaxien“, wir hatten uns nichts davon ausgedacht!

4:10 Uhr: Janna zeigt eines meiner Lieblingsvideos (das ich erkenne) aus dem Sloan Digital Sky Survey! Sie untersuchten 400.000 der nächstgelegenen Galaxien und kartierten sie in drei Dimensionen. So sieht unser (nahe gelegenes) Universum aus, und wie Sie sehen können, ist es wirklich meistens leerer Raum!

4:12 PM: Sie macht einen wirklich großartigen Punkt, den sie völlig beschönigt: Nur etwa 1 von 1000 Sternen wird jemals zu einem Schwarzen Loch. Es gibt über 400 Sterne innerhalb von 30 Lichtjahren von uns, und null von ihnen sind O- oder B-Sterne, und Null von ihnen sind zu Schwarzen Löchern geworden. Diese blauesten, massereichsten und kurzlebigsten Sterne sind die einzigen, die zu Schwarzen Löchern heranwachsen werden.

4:15 PM: Wenn man bedenkt, „Woher kam Einsteins Theorie“, macht Janna einen großen Punkt: die Idee des Äquivalenzprinzips. Wenn Sie Schwerkraft haben, könnten Sie denken, dass Sie sich zum Beispiel in Ihrem Stuhl „schwer“ fühlen. Aber diese Reaktion, die du hast, ist genau die gleiche Reaktion, die du fühlen würdest, wenn du beschleunigst, anstatt zu gravitieren. Es ist nicht die Schwerkraft, die du fühlst, es sind die Auswirkungen der Materie um dich herum!

4:17 PM: Die Band OKGO hat ein Video flying in the vomit comet gemacht. Janna kann das Ganze aus urheberrechtlichen Gründen nicht mit Audio zeigen und empfiehlt es dringend. Zum Glück für Sie, dank dem Internet… hier ist es! Genießen Sie in Ihrer Freizeit!

4:19 PM: Es gibt eine weitere große Offenbarung für die Schwerkraft: Die Art und Weise, wie wir verstehen, wie Dinge funktionieren, kommt von der Beobachtung, wie Dinge fallen. Der Mond „fällt“ um die Erde; Newton erkannte das. Aber die Erde fällt um die Sonne; die Sonne „fällt“ um die Galaxie; und Atome „fallen“ hier auf der Erde. Aber die gleiche Regel gilt für sie alle, solange sie alle im freien Fall sind. Erstaunlich!

4:21 PM: Hier ist eine lustige Offenbarung: Hör auf, an ein Schwarzes Loch als kollabierte, zerquetschte Materie zu denken, auch wenn es so entstanden sein könnte. Betrachten Sie es stattdessen einfach als eine Region des leeren Raums mit starken Gravitationseigenschaften. In der Tat, wenn alles, was Sie taten, war, dieser Region des Raumes „Masse“ zuzuweisen, würde das ein Schwarzschild (nicht geladenes, nicht rotierendes) Schwarzes Loch perfekt definieren.

4:23 Uhr: Wenn Sie in ein schwarzes Loch mit der Masse der Sonne fallen würden, hätten Sie ungefähr eine Mikrosekunde Zeit, um den Ereignishorizont (laut Janna) zu überqueren, bis Sie an der Singularität zu Tode gequetscht wurden. Das stimmt mit dem überein, was ich einmal berechnet habe, wo wir für das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ungefähr 10 Sekunden hätten. Da das Schwarze Loch der Milchstraße 4.000.000 mal so massiv ist wie unsere Sonne, funktioniert die Mathematik!

4:26 PM: Wie würden Sie eine Gravitationswelle erkennen? Ehrlich gesagt, es wäre wie auf der Oberfläche des Ozeans; Sie würden entlang der Oberfläche des Weltraums auf und ab hüpfen, und es gab einen großen Streit in der Gemeinschaft darüber, ob diese Wellen real waren oder nicht. Erst Joe Weber kam und beschloss, diese Gravitationswellen mit einem phänomenalen Gerät – einem Aluminiumstab – zu messen, der vibrieren würde, wenn eine plätschernde Welle den Stab sehr leicht „zupft“.Weber sah viele solcher Signale, die er mit Gravitationswellen identifizierte, aber diese wurden leider nie reproduziert oder verifiziert. Er war trotz all seiner Klugheit kein sehr sorgfältiger Experimentator.4: 29 PM: Es gibt eine gute Frage von Jon Groubert auf Twitter: „Ich habe eine Frage zu etwas, das sie gesagt hat – es gibt etwas in einem Schwarzen Loch, nicht wahr? Wie ein schwerer Neutronenstern.“ Es sollte eine Singularität geben, die entweder punktförmig (für eine nicht rotierende Singularität) oder ein eindimensionaler Ring (für eine rotierende) ist, aber keine kondensierte, kollabierte, dreidimensionale Materie.

Warum nicht?

Denn um als Struktur bestehen zu bleiben, muss sich eine Kraft ausbreiten und zwischen Partikeln übertragen werden. Aber Teilchen können nur Kräfte mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Aber nichts, nicht einmal Licht, kann sich „nach außen“ zum Ausgang eines Schwarzen Lochs bewegen; alles bewegt sich in Richtung Singularität. Und so kann sich nichts halten, und alles bricht in die Singularität zusammen. Traurig, aber die Physik macht dies unvermeidlich.

4:32 PM: Nach Webers Misserfolgen (und dem Sturz von Ruhm) kam die Idee von LIGO in den 1970er Jahren von Rai Weiss. Es dauerte mehr als 40 Jahre, bis LIGO zum Tragen kam (und über 1.000 Menschen, um es zu verwirklichen), aber das Fantastischste war, dass es experimentell möglich war. Indem man zwei sehr lange Hebelarme machte, konnte man den Effekt einer vorbeiziehenden Gravitationswelle sehen.4:34 PM: Dies ist mein Lieblingsvideo, das zeigt, was eine Gravitationswelle macht. Es bewegt den Raum selbst (und alles darin) um einen winzigen Betrag hin und her. Wenn Sie ein Laserinterferometer (wie LIGO) eingerichtet haben, kann es diese Vibrationen erkennen. Aber wenn Sie nahe genug waren und Ihre Ohren empfindlich genug waren, konnten Sie diese Bewegung in Ihrem Trommelfell spüren!

4:35 Uhr: Ich habe auch ein paar wirklich gute Kopfhörer, aber leider kann ich die verschiedenen Gravitationswellen-Modellsignale, die Janna spielt, nicht hören!

4:38 PM: Es ist lustig zu denken, dass dies das weltweit fortschrittlichste Vakuum in den LIGO-Detektoren ist. Doch Vögel, Ratten, Mäuse usw., sind alle unter dort, und sie kauen ihren Weg in fast die Vakuumkammer, die das Licht durchläuft. Aber wenn das Vakuum gebrochen worden wäre (es ist seit 1998 konstant), wäre das Experiment vorbei gewesen. In Louisiana schossen Jäger auf die LIGO-Tunnel. Es ist erschreckend, wie empfindlich und teuer dieses Gerät ist, aber wie zerbrechlich es auch ist.4:41 PM: Janna macht einen wirklich tollen Job und erzählt diese Geschichte auf eine spannende, aber sehr menschliche Art und Weise. Wir sahen nur die letzten paar Umlaufbahnen von zwei umkreisenden Schwarzen Löchern, die im obigen Film drastisch verlangsamt wurden. Sie waren nur ein paar hundert Kilometer voneinander entfernt, diese letzten vier Umlaufbahnen dauerten 200 Millisekunden, und das ist die Gesamtheit des Signals, das LIGO sah.

4: 43 PM: Wenn Sie Probleme beim Hören / Hören der Ereignisse im Vortrag haben, hören Sie sich dieses Video (oben) sowohl in natürlicher Tonhöhe als auch in erhöhter Tonhöhe an. Die kleineren Schwarzen Löcher (ungefähr 8 und 13 Sonnenmassen) vom 26. Dezember 2015 sind sowohl leiser als auch höher als die größeren (29 und 36 Sonnenmassen) vom 14.September desselben Jahres.

4:46 PM: Nur eine kleine Korrektur: Janna sagt, dass dies das mächtigste Ereignis war, das jemals seit dem Urknall entdeckt wurde. Und das ist nur technisch wahr, wegen der Grenzen unserer Erkennung.

Wenn wir Verschmelzungen von Schwarzen Löchern erhalten, werden ungefähr 10% der Masse des am wenigsten massereichen Schwarzen Lochs in einem Verschmelzungspaar über Einsteins E = mc2 in reine Energie umgewandelt. 29 Sonnenmassen sind viel, aber es wird Schwarze Löcher von Hunderten von Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen geben, die miteinander verschmolzen sind. Und wir haben Beweise.

4:49 PM: Dies ist OJ 287, wo ein Schwarzes Loch mit 150 Millionen Sonnenmassen ein schwarzes Loch mit ~ 18 Milliarden Sonnenmassen umkreist. Es dauert 11 Jahre, bis eine vollständige Umlaufbahn eintritt, und die Allgemeine Relativitätstheorie sagt hier eine Präzession von 270 Grad pro Umlaufbahn voraus, verglichen mit 43 Bogensekunden pro Jahrhundert für Merkur.

4: 51 PM: Janna hat einen unglaublichen Job gemacht, der hier pünktlich endete; Ich habe noch nie gesehen, dass eine Stunde Vortrag nach 50 Minuten bei einem großen öffentlichen Vortrag tatsächlich endete. Toll!

4:52 PM: Was würde passieren, wenn die Erde in ein Schwarzes Loch gesaugt würde? (Q&Eine Frage von Max.) Obwohl Janna eine großartige Antwort gibt, möchte ich darauf hinweisen, dass die Erde aus Sicht der Gravitationswelle auseinander gerissen würde und wir ein „verschmiertes“ Wellensignal erhalten würden, das wäre ein viel lauteres, statisches Signal. Sobald die Erde verschluckt wurde, würde der Ereignishorizont nur ein winziges bisschen wachsen, da zusätzliche drei Millionstel Sonnenmasse den Radius des Schwarzen Lochs um genau diesen winzigen, entsprechenden Betrag erhöhten.

4:55 PM: Was für ein lustiges Gespräch, ein tolles und bissiges Q&Eine Sitzung und insgesamt eine großartige Erfahrung. Genießen Sie es immer wieder, denn das Video des Vortrags ist jetzt als Permalink eingebettet. Und danke fürs Einschalten!