Los agujeros negros fusionados son una clase de objetos que crea ondas gravitacionales de ciertas frecuencias… y amplitudes. Gracias a detectores como LIGO, podemos ‘escuchar’ estos sonidos a medida que ocurren.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Se ha dicho durante mucho tiempo que no hay sonido en el espacio, y eso es cierto, hasta cierto punto. El sonido convencional requiere un medio para viajar, y se crea cuando las partículas se comprimen y rarifican, haciendo cualquier cosa, desde un fuerte» bang » para un solo pulso hasta un tono consistente para repetir patrones. En el espacio, donde hay tan pocas partículas que tales señales desaparecen, incluso las erupciones solares, las supernovas, las fusiones de agujeros negros y otras catástrofes cósmicas se silencian antes de que se escuchen. Pero hay otro tipo de compresión y rarefacción que no requiere nada más que el tejido del espacio mismo para viajar: las ondas gravitacionales. Gracias a los primeros resultados positivos de detección de LIGO, estamos escuchando el Universo por primera vez.
la fusión de Dos agujeros negros. Los resultados inspirales en los agujeros negros que se unen, mientras… las ondas gravitacionales se llevan el exceso de energía. El espacio-tiempo de fondo se distorsiona como resultado.
SXS, el proyecto de Simulación de Tiempos Espaciales extremos (SXS) (http://www.black-holes.org)
Las ondas gravitacionales eran algo que necesitaba existir para que nuestra teoría de la gravedad fuera consistente, de acuerdo con la Relatividad General. A diferencia de la gravedad de Newton, donde dos masas cualesquiera que orbitan entre sí permanecerían en esa configuración para siempre, la teoría de Einstein predijo que durante el tiempo suficiente, las órbitas gravitacionales decaerían. Para algo como la Tierra orbitando alrededor del Sol, nunca vivirías para experimentarlo: tomaría 10^150 años para que la Tierra entrara en espiral hacia el Sol. Pero para sistemas más extremos, como dos estrellas de neutrones orbitando entre sí, podríamos ver las órbitas decayendo con el tiempo. Para conservar energía, la teoría de la gravedad de Einstein predijo que la energía debe ser transportada en forma de ondas gravitacionales.
Como dos estrellas de neutrones orbitan entre sí, la teoría de la Relatividad General de Einstein predice orbitales… decaimiento, y la emisión de radiación gravitacional. El primero se ha observado con mucha precisión durante muchos años, como lo demuestra cómo los puntos y la línea (predicción GR) coinciden tan bien.
NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomía / Michael Kramer
Estas ondas son increíblemente débiles, y sus efectos sobre los objetos en el espacio-tiempo son estupendamente pequeños. Pero si sabes cómo escucharlas, al igual que los componentes de una radio saben escuchar esas ondas de luz de frecuencia larga, puedes detectar estas señales y escucharlas igual que escucharías cualquier otro sonido. Con una amplitud y una frecuencia, no son diferentes de cualquier otra onda. La Relatividad General hace predicciones explícitas de cómo deberían sonar estas ondas, siendo las señales generadoras de ondas más grandes las más fáciles de detectar. ¿Todos los sonidos de amplitud más grande? Es el «chirrido» inspiral y de fusión de dos agujeros negros que se unen en espiral entre sí.
En septiembre de 2015, pocos días después de que advanced LIGO comenzara a recopilar datos por primera vez, se detectó una señal grande e inusual. Sorprendió a todos, porque habría transportado tanta energía en una ráfaga corta de 200 milisegundos, que habría superado a todas las estrellas del Universo observable combinadas. Sin embargo, esa señal resultó ser robusta, y la energía de esa ráfaga provino de dos agujeros negros, de 36 y 29 masas solares, que se fusionaron en uno solo de 62 masas solares. Los que faltan tres masas solares? Se convirtieron en energía pura: ondas gravitacionales ondulando a través del tejido del espacio. Ese fue el primer evento que LIGO detectó.
La señal de la LIGO de la primera robusta detección de ondas gravitacionales. La forma de onda no es justa… una visualización; es representativa de lo que realmente escucharías si escucharas correctamente.
Observación de Ondas Gravitacionales a partir de una Fusión de Agujeros Negros Binarios B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration y Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Ahora es más de un año después, y LIGO está actualmente en su segunda edición. No solo se han detectado otras fusiones agujero negro-agujero negro, sino que el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales es brillante, ya que los nuevos detectores abrirán nuestros oídos a nuevos tipos de sonidos. Los interferómetros espaciales, como LISA, tendrán líneas de base más largas y escucharán sonidos de frecuencia más baja: sonidos como fusiones de estrellas de neutrones, agujeros negros supermasivos de banquete y fusiones con masas muy desiguales. Los arrays de temporización de púlsar pueden medir frecuencias aún más bajas, como órbitas que tardan años en completarse, como el par de agujeros negros supermasivos: OJ 287. Y las combinaciones de nuevas técnicas buscarán las ondas gravitacionales más antiguas de todas, las ondas reliquias predichas por la inflación cósmica, desde el principio de nuestro Universo.
Las ondas gravitacionales generadas por la inflación cósmica son la señal más lejana en el tiempo que la humanidad puede… concebir la posibilidad de detectar. Colaboraciones como BICEP2 y NANOgrav pueden hacer esto indirectamente en las próximas décadas.
Programa BICEP2 financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NASA, JPL, Fundación Keck, Fundación Moore, relacionado); modificaciones de E. Siegel
Hay mucho que escuchar, y solo hemos comenzado a escuchar por primera vez. Afortunadamente, la astrofísica Janna Levin, autora del fantástico libro, Black Hole Blues y Otras Canciones del Espacio Exterior, está lista para dar una conferencia pública en el Instituto Perimetral esta noche, 3 de mayo, a las 7 PM Este / 4 PM Pacífico, ¡y será transmitida en vivo aquí y publicada en mi blog en tiempo real! Únase a nosotros para más información sobre este increíble tema, y no puedo esperar a escucharla hablar.
El blog en vivo comenzará unos minutos antes de las 4:00 PM Pacífico; únete a nosotros aquí y siga adelante!
La deformación del espacio-tiempo, en el cuadro relativista General, por masas gravitacionales.
LIGO / T. Pyle
3: 50 PM: Faltan diez minutos para la hora del espectáculo, y para celebrarlo, aquí hay diez datos divertidos (o tantos como podamos obtener) sobre la gravedad y las ondas gravitacionales.
1. En lugar de» acción a distancia», donde se ejerce una fuerza invisible entre las masas, la relatividad general dice que la materia y la energía deforman el tejido del espacio-tiempo, y que el espacio-tiempo deformado es lo que se manifiesta como gravitación.
2. En lugar de viajar a una velocidad infinita, la gravitación solo viaja a la velocidad de la luz.
3. Esto es importante, porque significa que si se producen cambios en la posición, configuración, movimiento, etc. de un objeto masivo., los cambios gravitacionales resultantes solo se propagan a la velocidad de la luz.
Simulación por computadora de dos agujeros negros fusionados que producen ondas gravitacionales.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
3: 54 PM: 4. Esto significa que las ondas gravitacionales, por ejemplo, solo pueden propagarse a la velocidad de la luz. Cuando «detectamos» una onda gravitacional, detectamos la señal de cuando cambió la configuración de la masa.
5.) La primera señal detectada por LIGO ocurrió a una distancia de aproximadamente 1,3 mil millones de años luz. El Universo era un 10% más joven de lo que es hoy cuando se produjo esa fusión.
Las ondas en el espacio-tiempo son lo que son las ondas gravitacionales.
Observatorio Gravitacional Europeo, Lionel BRET / EUROLIOS
6. Si la gravitación viajara a una velocidad infinita, las órbitas planetarias serían completamente inestables. El hecho de que los planetas se muevan en elipses alrededor del Sol exige que si la Relatividad General es correcta, la velocidad de la gravedad debe ser igual a la velocidad de la luz con una precisión de aproximadamente 1%.
3: 57 PM: 7. Hay muchas, muchas más señales de ondas gravitacionales de las que LIGO ha visto hasta ahora; solo hemos detectado la señal más fácil de detectar.
8. Lo que hace que una señal sea «fácil» de ver es una combinación de su amplitud, es decir, cuánto puede deformar una longitud de trayectoria o una distancia en el espacio, así como su frecuencia.
Una ilustración simplificada del sistema de interferómetro láser de LIGO.
LIGO colaboración
9. Debido a que los brazos de LIGO tienen solo 4 kilómetros de largo, y los espejos reflejan la luz miles de veces (pero no más), eso significa que LIGO solo puede detectar frecuencias de 1 Hz o más rápido.
a principios de este año, LIGO anunció la primera detección directa de ondas gravitacionales. Por… construyendo un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio, podríamos alcanzar las sensibilidades necesarias para detectar una señal alienígena deliberada.
ESA / NASA y la colaboración de LISA
10. Para señales más lentas, necesitamos brazos de palanca más largos y mayor sensibilidad, y eso significará ir al espacio. Ese es el futuro de la astronomía de ondas gravitatorias!
4: 01 PM: ¡Lo logramos! ¡Es hora de empezar y presentar a Janna Levin! (Pronuncia» JAN-na», no» YON-na», si te lo preguntabas.)
El inspiral y la fusión del primer par de agujeros negros observados directamente.
B. P. Abbott et al. (Colaboración Científica LIGO y Colaboración Virgo)
4: 05 PM: Aquí está el gran anuncio / toma: la primera grabación directa de la primera onda gravitacional. Pasaron 100 años desde que Einstein presentó por primera vez la relatividad general, ¡y está reproduciendo una grabación! ¡Asegúrate de ir y escuchar! ¿Qué significa «escuchar» un sonido en el espacio, después de todo, y por qué es un sonido? Ese es el propósito, dice, de su charla.
Las galaxias Maffei 1 y Maffei 2, en el plano de la vía Láctea, sólo puede ser revelado por ver… a través del polvo de la Vía Láctea. A pesar de ser algunas de las galaxias grandes más cercanas de todas, no fueron descubiertas hasta mediados del siglo XX.
WISE mission; NASA / JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: Si considera lo que hay en el Universo, no teníamos forma de saber nada de esto en el momento de Galileo. Estábamos pensando en manchas solares, Saturno, etc., y eran completamente incapaces de concebir las grandes escalas cósmicas o distancias. Olvídate de «concebir otras galaxias», ¡no habíamos concebido nada de esto!
4: 10 PM: Janna está mostrando uno de mis videos favoritos (que reconozco) del Sloan Digital Sky Survey! Tomaron un estudio de 400.000 de las galaxias más cercanas y las mapearon en tres dimensiones. Así es como se ve nuestro Universo (cercano), y como pueden ver, ¡realmente es en su mayoría un espacio vacío!
El (moderno) sistema de clasificación espectral Morgan–Keenan, con el rango de temperatura de cada estrella… clase mostrada arriba, en kelvin.
Usuario de Wikimedia Commons LucasVB, adiciones de E. Siegel
4: 12 PM: Ella hace un gran punto que ignora totalmente: solo 1 de cada 1000 estrellas se convertirá en un agujero negro. Hay más de 400 estrellas a 30 años luz de nosotros, y cero de ellas son estrellas O o B, y cero de ellas se han convertido en agujeros negros. Estas estrellas más azules, masivas y de vida más corta son las únicas que se convertirán en agujeros negros.
El comportamiento idéntico de una bola que cae al suelo en un cohete acelerado (izquierda) y en la Tierra… (derecha) es una demostración del principio de equivalencia de Einstein.
Usuario de Wikimedia Commons Markus Poessel, retocado por Pbroks13
4:15 PM: Cuando consideras «de dónde vino la teoría de Einstein», Janna hace un gran punto: la idea del principio de equivalencia. Si tienes gravedad, podrías considerar que te sientes «pesado» en tu silla, por ejemplo. Pero esta reacción que tienes es exactamente la misma reacción que sentirías si estuvieras acelerando, en lugar de gravitar. No es la gravedad lo que sientes, ¡son los efectos de la materia que te rodea!
4:17 PM: La banda OKGO hizo un video volando en el cometa vómito. Janna no puede mostrarlo todo, con audio, por razones de derechos de autor, y lo recomienda encarecidamente. Por suerte para ti, gracias a Internet… aquí está! ¡Disfrute a su antojo!
Viajar una vez alrededor de la órbita de la Tierra en un camino alrededor del Sol es un viaje de 940 millones de kilómetros.
Larry McNish en el Centro RASC Calgary
4: 19 PM: Hay otra gran revelación para la gravedad: la forma en que entendemos cómo funcionan las cosas viene de ver cómo caen las cosas. La Luna está «cayendo» alrededor de la Tierra; Newton se dio cuenta de eso. Pero la Tierra está cayendo alrededor del Sol; el Sol está «cayendo» alrededor de la galaxia; y los átomos «caen» aquí en la Tierra. Pero la misma regla se aplica a todos, siempre y cuando todos estén en caída libre. Increíble!
Los agujeros negros son algo con lo que el Universo no nació, pero que ha ido adquiriendo con el tiempo. Le… ahora domina la entropía del Universo.
Ute Kraus, grupo de educación física Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (fondo)
4:21 PM: Aquí hay una divertida revelación: deje de pensar en un agujero negro como materia aplastada y colapsada, aunque así pueda ser como se originó. En su lugar, piense en ello como simplemente una región de espacio vacío con fuertes propiedades gravitacionales. De hecho, si todo lo que hicieras fuera asignar «masa» a esta región del espacio, eso definiría perfectamente un agujero negro Schwarzschild (no cargado, no giratorio).
El agujero negro supermasivo (Sgr A*) en el centro de nuestra galaxia está envuelto en un polvoriento, gaseoso… ambiente. Los rayos X y las observaciones infrarrojas pueden ver parcialmente a través de él, pero las ondas de radio podrían finalmente resolverlo directamente.
Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA
4: 23 PM: Si cayeras en un agujero negro la masa del Sol, tendrías alrededor de un microsegundo, desde cruzar el horizonte de eventos (según Janna) hasta morir aplastado en la singularidad. Esto es consistente con lo que una vez calculé, donde, para el agujero negro en el centro de la Vía Láctea, tendríamos unos 10 segundos. Dado que el agujero negro de la Vía Láctea es 4.000.000 de veces más masivo que nuestro Sol, ¡las matemáticas funcionan!
Joseph Weber con su detector de ondas gravitacionales de fase temprana, conocido como barra Weber.
Colecciones especiales y archivos universitarios, bibliotecas de la Universidad de Maryland
4:26 PM: ¿Cómo detectaría una onda gravitacional? Honestamente, sería como estar en la superficie del océano; uno se balanceaba arriba y abajo a lo largo de la superficie del espacio, y había una gran discusión en la comunidad sobre si estas olas eran reales o no. No fue hasta que llegó Joe Weber y decidió tratar de medir estas ondas gravitacionales, usando un dispositivo fenomenal, una barra de aluminio, que vibraría si una onda ondulante «arrancara» la barra muy ligeramente.
Weber vio muchas de estas señales que identificó con ondas gravitacionales, pero, desafortunadamente, nunca se reprodujeron ni verificaron. A pesar de su inteligencia, no era un experimentador muy cuidadoso.
4: 29 PM: Hay una buena pregunta de Jon Groubert en Twitter :» Tengo una pregunta sobre algo que dijo : hay algo dentro de un agujero negro, ¿no? Como una estrella de neutrones pesada.»Debe haber una singularidad, que sea como un punto (para una singularidad no giratoria) o un anillo unidimensional (para una giratoria), pero no materia condensada, colapsada y tridimensional.
¿por Qué no?
Porque para permanecer como una estructura, una fuerza necesita propagarse y transmitirse entre partículas. Pero las partículas solo pueden transmitir fuerzas a la velocidad de la luz. Pero nada, ni siquiera la luz, puede moverse «hacia afuera» hacia la salida de un agujero negro; todo se mueve hacia la singularidad. Y así nada puede sostenerse, y todo colapsa en la singularidad. Triste, pero la física lo hace inevitable.
De izquierda a derecha: los dos detectores LIGO (en Hanford y Livingston, EE.UU.) y el detector Virgo… (Cascina, Italie).
© LIGO Laboratory (primeras dos imágenes) y Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: Tras los fracasos de Weber (y su caída de la fama), la idea de LIGO surgió de Rai Weiss en la década de 1970. Al hacer dos brazos de palanca muy largos, se podía ver el efecto de una onda gravitacional que pasaba.
4: 34 PM: Este es mi video favorito que ilustra lo que hace una onda gravitacional. Mueve el espacio en sí (y todo lo que hay en él) de un lado a otro en una pequeña cantidad. Si tiene instalado un interferómetro láser (como LIGO), puede detectar estas vibraciones. Pero si estuvieras lo suficientemente cerca y tus oídos fueran lo suficientemente sensibles, ¡podrías sentir este movimiento en tu tímpano!
4: 35 PM: Tengo unos auriculares realmente buenos, Perimeter, pero desafortunadamente no puedo escuchar las diferentes señales del modelo de ondas gravitacionales que Janna está tocando.
El Observatorio LIGO Hanford para la detección de ondas gravitacionales en el estado de Washington, EE.UU.
Laboratorio Caltech/MIT / LIGO
4: 38 PM: Es divertido pensar que este es el vacío más avanzado del mundo, dentro de los detectores LIGO. Sin embargo, pájaros, ratas, ratones, etc., están todos ahí abajo, y se abren paso casi en la cámara de vacío por la que viaja la luz. Pero si el vacío se hubiera roto (ha sido constante desde 1998), el experimento habría terminado. En Luisiana, los cazadores dispararon a los túneles de LIGO. Es horrible lo sensible y caro que es este equipo, pero también lo frágil que es todo.
4:41 PM: Janna está haciendo un gran trabajo contando esta historia de una manera suspensoria pero muy humana. Solo vimos las últimas órbitas de dos agujeros negros en órbita, drásticamente ralentizadas en la película anterior. Estaban a solo unos cientos de kilómetros de distancia, esas últimas cuatro órbitas tomaron 200 milisegundos, y esa es la totalidad de la señal que vio LIGO.
4:43 PM: Si tienes problemas para escuchar/escuchar los eventos de la charla, escucha este video (arriba), tanto en tono natural como en tono aumentado. Los agujeros negros más pequeños (aproximadamente 8 y 13 masas solares) del 26 de diciembre de 2015, son más silenciosos y de tono más alto que los más grandes (29 y 36 masas solares) del 14 de septiembre del mismo año.
4: 46 PM: Solo una pequeña corrección: Janna dice que este fue el evento más poderoso detectado desde el Big Bang. Y eso es técnicamente cierto, debido a los límites de nuestra detección.
Cuando obtenemos cualquier fusión de agujeros negros, aproximadamente el 10% de la masa del agujero negro menos masivo en un par de fusión se convierte en energía pura a través de E = mc2 de Einstein. 29 masas solares es mucho, pero habrá agujeros negros de cientos de millones o incluso miles de millones de masas solares que se han fusionado. Y tenemos pruebas.
La señal binaria de agujero negro más masiva jamás vista: OJ 287.
S. Zola & NASA / JPL
4: 49 PM: Este es OJ 287, donde un agujero negro de masa solar de 150 millones orbita alrededor de un agujero negro de masa solar de ~18 mil millones. Toma 11 años para que ocurra una órbita completa, y la Relatividad General predice una precesión de 270 grados por órbita aquí, en comparación con 43 segundos de arco por siglo para Mercurio.
4:51 PM: Janna hizo un trabajo increíble terminando a tiempo aquí; Nunca he visto una hora de charla terminar después de 50 minutos en una conferencia pública Perimetral. ¡Órale!
La Tierra vista desde un compuesto de imágenes de satélite de la NASA desde el espacio a principios de la década de 2000.
Proyecto de mármol Azul de la NASA
4:52 PM: ¿Qué pasaría si la Tierra fuera aspirada hacia un agujero negro? (Q& Una pregunta de Max. Aunque Janna está dando una gran respuesta, me gustaría señalar que, desde el punto de vista de la onda gravitacional, la Tierra se destrozaría, y obtendríamos una señal de onda «manchada», que sería una señal estática mucho más ruidosa. Una vez que la Tierra fue tragada, el horizonte de eventos crecería solo un poquito, ya que tres millonésimas de masa solar adicionales aumentaban el radio del agujero negro en esa pequeña cantidad correspondiente.
4: 55 PM: Qué charla divertida, una sesión genial y ágil de Q&y una gran experiencia en general. Disfrútalo una y otra vez, porque el video de la charla ahora está incrustado como un enlace permanente. Y gracias por sintonizar!