La fusione dei buchi neri è una classe di oggetti che crea onde gravitazionali di determinate frequenze… e ampiezze. Grazie a rivelatori come LIGO, possiamo ‘sentire’ questi suoni mentre si verificano.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
È stato a lungo detto che non c’è suono nello spazio, e questo è vero, fino a un certo punto. Il suono convenzionale richiede un mezzo per viaggiare e viene creato quando le particelle si comprimono e rarificano, facendo qualsiasi cosa, da un forte “botto” per un singolo impulso a un tono coerente per ripetere i modelli. Nello spazio, dove ci sono così poche particelle che qualsiasi segnale di questo tipo muore, persino brillamenti solari, supernove, fusioni di buchi neri e altre catastrofi cosmiche tacciono prima che vengano mai ascoltate. Ma c’è un altro tipo di compressione e rarefazione che non richiede altro che il tessuto dello spazio stesso per viaggiare: le onde gravitazionali. Grazie ai primi risultati positivi di LIGO, stiamo ascoltando l’Universo per la prima volta.
Due buchi neri che si fondono. I risultati inspiral nei buchi neri che si uniscono, mentre… le onde gravitazionali portano via l’energia in eccesso. Lo spazio-tempo di sfondo è distorto di conseguenza.
SXS, il progetto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org)
Le onde gravitazionali erano qualcosa che doveva esistere perché la nostra teoria della gravità fosse coerente, secondo la Relatività Generale. A differenza della gravità di Newton, dove due masse orbitanti l’una con l’altra sarebbero rimaste per sempre in quella configurazione, la teoria di Einstein predisse che per tempi abbastanza lunghi le orbite gravitazionali sarebbero decadute. Per qualcosa come la Terra che orbita attorno al Sole, non vivrai mai per sperimentarlo: ci vorrebbero 10^150 anni prima che la Terra entri a spirale nel Sole. Ma per sistemi più estremi, come due stelle di neutroni che orbitano l’un l’altro, potremmo effettivamente vedere le orbite decadere nel tempo. Al fine di risparmiare energia, la teoria della gravità di Einstein predisse che l’energia doveva essere portata via sotto forma di onde gravitazionali.
Mentre due stelle di neutroni orbitano tra loro, la teoria della Relatività Generale di Einstein predice l’orbita… decadimento, e l’emissione di radiazioni gravitazionali. Il primo è stato osservato in modo molto preciso per molti anni, come dimostra il modo in cui i punti e la linea (previsione GR) corrispondono così bene.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy/Michael Kramer
Queste onde sono incredibilmente deboli e i loro effetti sugli oggetti nello spaziotempo sono stupendamente minuscoli. Ma se sai come ascoltarli-proprio come i componenti di una radio sanno come ascoltare quelle onde luminose a lunga frequenza-puoi rilevare questi segnali e ascoltarli proprio come sentiresti qualsiasi altro suono. Con un’ampiezza e una frequenza, non sono diversi da qualsiasi altra onda. La relatività generale fa previsioni esplicite per come dovrebbero suonare queste onde, con i più grandi segnali che generano onde che sono i più facili da rilevare. La più grande ampiezza suona tutto? È il “cinguettio” ispiratore e fondente di due buchi neri che si intrecciano a spirale l’uno nell’altro.
Nel settembre del 2015, pochi giorni dopo che advanced LIGO ha iniziato a raccogliere dati per la prima volta, è stato avvistato un segnale grande e insolito. Ha sorpreso tutti, perché avrebbe trasportato così tanta energia in una breve esplosione di 200 millisecondi, che avrebbe eclissato tutte le stelle nell’Universo osservabile combinate. Eppure quel segnale si è rivelato robusto, e l’energia di quella raffica proveniva da due buchi neri — di 36 e 29 masse solari — che si fondevano in un’unica massa solare 62. Quelle tre masse solari mancanti? Sono stati convertiti in pura energia: onde gravitazionali increspate attraverso il tessuto dello spazio. E ‘ stato il primo evento che LIGO abbia mai rilevato.
Il segnale da LIGO del primo rilevamento robusto delle onde gravitazionali. La forma d’onda non è solo… una visualizzazione; è rappresentativo di ciò che sentiresti effettivamente se ascoltassi correttamente.
Osservazione di onde gravitazionali da una fusione binaria di buchi neri B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Ora è più di un anno dopo, e LIGO è attualmente alla sua seconda esecuzione. Non solo sono state rilevate altre fusioni buco nero-buco nero, ma il futuro dell’astronomia delle onde gravitazionali è luminoso, poiché nuovi rivelatori apriranno le nostre orecchie a nuovi tipi di suoni. Gli interferometri spaziali, come LISA, avranno linee di base più lunghe e sentiranno suoni a frequenza più bassa: suoni come fusioni di stelle di neutroni, banchettando buchi neri supermassicci e fusioni con masse altamente disuguali. Gli array di temporizzazione Pulsar possono misurare frequenze ancora più basse, come orbite che richiedono anni per essere completate, come la coppia di buchi neri supermassicci: OJ 287. E combinazioni di nuove tecniche cercheranno le onde gravitazionali più antiche di tutte, le onde reliche predette dall’inflazione cosmica, fino all’inizio del nostro Universo.
Le onde gravitazionali generate dall’inflazione cosmica sono il segnale più lontano possibile nel tempo… concepire di potenzialmente rilevare. Collaborazioni come BICEP2 e NANOgrav potrebbero indirettamente farlo nei prossimi decenni.
National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, correlati) — Finanziato Programma BICEP2; modifiche di E. Siegel
C’è così tanto da ascoltare, e abbiamo appena iniziato ad ascoltare per la prima volta. Per fortuna, l’astrofisica Janna Levin-autrice del fantastico libro, Black Hole Blues e altre canzoni dallo spazio esterno — è pronta a tenere la conferenza pubblica al Perimeter Institute stasera, maggio 3rd, a 7 PM Eastern / 4 PM Pacific, e sarà live-streaming qui e live-bloggato da me in tempo reale! Unisciti a noi quindi per ancora di più su questo argomento incredibile, e non vedo l’ora di sentire il suo discorso.
Il live blog inizierà pochi minuti prima delle 4:00 PM Pacific; unisciti a noi qui e segui!
La deformazione dello spaziotempo, nel quadro relativistico generale, da masse gravitazionali.
LIGO/T. Pyle
3:50 PM: Mancano dieci minuti allo showtime, e per festeggiare, ecco dieci fatti divertenti (o quanti ne possiamo ottenere) sulla gravità e sulle onde gravitazionali.
1.) Invece di” azione a distanza”, dove viene esercitata una forza invisibile tra le masse, la relatività generale dice che la materia e l’energia deformano il tessuto dello spaziotempo, e che lo spaziotempo deformato è ciò che si manifesta come gravitazione.
2.) Invece di viaggiare a velocità infinita, la gravitazione viaggia solo alla velocità della luce.
3.) Questo è importante, perché significa che se si verificano modifiche alla posizione, alla configurazione, al movimento di un oggetto massiccio, ecc., i cambiamenti gravitazionali che ne derivano si propagano solo alla velocità della luce.
Simulazione al computer di due buchi neri che si fondono producendo onde gravitazionali.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
3: 54 PM: 4. Ciò significa che le onde gravitazionali, ad esempio, possono propagarsi solo alla velocità della luce. Quando “rileviamo” un’onda gravitazionale, rileviamo il segnale da quando è cambiata la configurazione di massa.
5.) Il primo segnale rilevato da LIGO si è verificato a una distanza di circa 1,3 miliardi di anni luce. L’Universo era circa il 10% più giovane di quanto lo sia oggi quando si è verificata quella fusione.
Le increspature nello spaziotempo sono ciò che sono le onde gravitazionali.
Osservatorio Gravitazionale Europeo, Lionel BRET / EUROLIOS
6.) Se la gravitazione viaggiasse a velocità infinita, le orbite planetarie sarebbero completamente instabili. Il fatto che i pianeti si muovano in ellissi attorno al Sole impone che se la Relatività Generale è corretta, la velocità di gravità deve essere uguale alla velocità della luce con una precisione di circa l ‘ 1%.
15: 57 PM: 7.) Ci sono molti, molti più segnali di onde gravitazionali di quello che LIGO ha visto finora; abbiamo rilevato solo il segnale più semplice che c’è da rilevare.
8.) Ciò che rende un segnale “facile” da vedere è una combinazione della sua ampiezza, vale a dire, quanto può deformare una lunghezza del percorso, o una distanza nello spazio, così come la sua frequenza.
Un’illustrazione semplificata del sistema interferometrico laser di LIGO.
Collaborazione LIGO
9.) Poiché le braccia di LIGO sono lunghe solo 4 chilometri e gli specchi riflettono la luce migliaia di volte (ma non di più), ciò significa che LIGO può rilevare solo frequenze di 1 Hz o più veloci.
All’inizio di quest’anno, LIGO ha annunciato la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali. Da… costruendo un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio, potremmo essere in grado di raggiungere le sensibilità necessarie per rilevare un segnale alieno deliberato.
ESA / NASA e la collaborazione LISA
10.) Per segnali più lenti, abbiamo bisogno di bracci di leva più lunghi e maggiore sensibilità, e questo significherà andare nello spazio. Questo è il futuro dell’astronomia delle onde gravitazionali!
4:01 PM: Ce l’abbiamo fatta! È ora di iniziare e presentare Janna Levin! (Pronuncia “JAN-na”, non “YON-na”, se ti stavi chiedendo.)
L’ispirazione e la fusione della prima coppia di buchi neri mai osservati direttamente.
B. P. Abbott et al. (Collaborazione scientifica LIGO e collaborazione Virgo)
4: 05 PM: Ecco il grande annuncio / scatto: la prima registrazione diretta della prima onda gravitazionale. Ci sono voluti 100 anni dopo che Einstein ha presentato la relatività generale, e sta suonando una registrazione! Assicurati di andare ad ascoltare! Che cosa significa “sentire” un suono nello spazio, dopo tutto, e perché questo è un suono? Questo è lo scopo, dice, del suo discorso.
Le galassie Maffei 1 e Maffei 2, nel piano della Via Lattea, possono essere rivelate solo vedendo… attraverso la polvere della Via Lattea. Pur essendo alcune delle grandi galassie più vicine di tutte, non furono scoperte fino alla metà del 20 ° secolo.
WISE mission; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: Se si considera ciò che c’è là fuori nell’Universo, non avevamo modo di sapere nulla di tutto questo al tempo di Galileo. Stavamo pensando a macchie solari, Saturno, ecc., ed erano completamente incapaci di concepire le grandi scale cosmiche o distanze. Dimenticatevi di “concepire altre galassie”, non avevamo concepito nulla di tutto questo!
4:10 PM: Janna sta mostrando uno dei miei video preferiti (che riconosco) dalla Sloan Digital Sky Survey! Hanno preso un sondaggio di 400.000 delle galassie più vicine e le hanno mappate in tre dimensioni. Questo è ciò che il nostro Universo (vicino) sembra, e come puoi vedere, è davvero per lo più spazio vuoto!
Il (moderno) sistema di classificazione spettrale Morgan–Keenan, con l’intervallo di temperatura di ogni stella… classe mostrato sopra di esso, in kelvin.
Wikimedia Commons utente LucasVB, aggiunte di E. Siegel
4: 12 PM: Lei fa un punto davvero grande che lei sorvola totalmente: solo circa 1-in-1000 stelle potrà mai diventare un buco nero. Ci sono oltre 400 stelle entro 30 anni luce da noi, e zero di loro sono stelle O o B, e zero di loro sono diventati buchi neri. Queste stelle più blu, più massicce e più brevi sono le uniche che cresceranno in buchi neri.
Il comportamento identico di una palla che cade sul pavimento in un razzo accelerato (a sinistra) e sulla Terra… (a destra) è una dimostrazione del principio di equivalenza di Einstein.
Utente Wikimedia Commons Markus Poessel, ritoccato da Pbroks13
4:15 PM: Quando si considera “da dove viene la teoria di Einstein”, Janna fa un ottimo punto: l’idea del principio di equivalenza. Se hai la gravità, potresti considerare che ti senti “pesante” sulla tua sedia, per esempio. Ma questa reazione che hai è la stessa reazione che proveresti se stessi accelerando, piuttosto che gravitare. Non è la gravità che senti, sono gli effetti della materia che ti circonda!
4:17 PM: La band OKGO ha fatto un video volare nella cometa vomito. Janna non può mostrare il tutto, con l’audio, per motivi di copyright, e lo raccomanda vivamente. Fortunatamente per voi, grazie a internet… eccola! Godetevi a vostro piacimento!
Viaggiare una volta intorno all’orbita terrestre in un percorso attorno al Sole è un viaggio di 940 milioni di chilometri.
Larry McNish al RASC Calgary Centre
4:19 PM: C’è un’altra enorme rivelazione per gravity: il modo in cui capiamo come funzionano le cose deriva dal guardare come le cose cadono. La Luna sta “cadendo” intorno alla Terra; Newton lo ha capito. Ma la Terra sta cadendo intorno al Sole; il Sole sta “cadendo” intorno alla galassia; e gli atomi “cadono” qui sulla Terra. Ma la stessa regola vale per tutti, purché siano tutti in caduta libera. Incredibile!
I buchi neri sono qualcosa con cui l’Universo non è nato, ma è cresciuto per acquisire nel tempo. Essi… ora domina l’entropia dell’Universo.
Kra Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
4:21 PM: Ecco una rivelazione divertente: smetti di pensare a un buco nero come materia collassata e schiacciata, anche se potrebbe essere così che è nata. Invece, pensalo come semplicemente una regione di spazio vuoto con forti proprietà gravitazionali. Infatti, se tutto quello che hai fatto è stato assegnare “massa” a questa regione dello spazio, ciò definirebbe perfettamente un buco nero Schwarzschild (non carico, non rotante).
Il buco nero supermassiccio (Sgr A*) al centro della nostra galassia è avvolto in un polveroso, gassoso… ambiente. I raggi X e le osservazioni infrarosse possono parzialmente vedere attraverso di essa, ma le onde radio potrebbero finalmente essere in grado di risolverlo direttamente.
Osservatorio a raggi X Chandra della NASA
4: 23 PM: Se dovessi cadere in un buco nero della massa del Sole, avresti circa un microsecondo, dall’attraversare l’orizzonte degli eventi (secondo Janna) fino a quando non sei stato schiacciato a morte alla singolarità. Questo è coerente con quello che ho calcolato una volta, dove, per il buco nero al centro della Via Lattea, avremmo circa 10 secondi. Dal momento che il buco nero della Via Lattea è 4.000.000 volte più massiccio del nostro Sole, la matematica funziona!
Joseph Weber con il suo rivelatore di onde gravitazionali in fase iniziale, noto come Weber bar.
Collezioni speciali e archivi universitari, biblioteche dell’Università del Maryland
4:26 PM: Come rileveresti un’onda gravitazionale? Onestamente, sarebbe come essere sulla superficie dell’oceano; andresti su e giù lungo la superficie dello spazio, e c’era una grande discussione nella comunità sul fatto che queste onde fossero reali o meno. Non è stato fino a quando Joe Weber è arrivato e ha deciso di provare a misurare queste onde gravitazionali, usando un dispositivo fenomenale – una barra di alluminio-che vibrerebbe se un’onda increspata “pizzicasse” leggermente la barra.
Weber vide molti di questi segnali che identificò con le onde gravitazionali, ma questi, sfortunatamente, non furono mai riprodotti o verificati. Era, per tutta la sua intelligenza, non uno sperimentatore molto attento.
4:29 PM: C’è una buona domanda di Jon Groubert su twitter: “Ho una domanda su qualcosa che ha detto – c’è qualcosa all’interno di un buco nero, non è vero? Come una stella di neutroni pesante.”Dovrebbe esserci una singolarità, che è puntiforme (per una singolarità non rotante) o un anello unidimensionale (per uno rotante), ma non condensato, collassato, materia tridimensionale.
Perché no?
Perché per rimanere come struttura, una forza deve propagarsi ed essere trasmessa tra le particelle. Ma le particelle possono trasmettere forze solo alla velocità della luce. Ma niente, nemmeno la luce, può muoversi” verso l’esterno ” verso l’uscita di un buco nero; tutto si muove verso la singolarità. E così nulla può reggersi, e tutto crolla nella singolarità. Triste, ma la fisica rende questo inevitabile.
Da sinistra a destra: i due rivelatori LIGO (a Hanford e Livingston, Stati Uniti) e il rivelatore Virgo… (Cascina, Italia).
© LIGO di Laboratorio (prime due immagini) e Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: Dopo Weber e fallimenti (e la caduta dalla fame), l’idea di LIGO è venuto lungo Rai Weiss nel 1970. Ci sono voluti più di 40 anni per LIGO giungere a buon fine (e oltre 1.000 persone per farlo accadere), ma la maggior parte cosa fantastica è che è stato sperimentalmente possibile. Facendo due lunghi bracci di leva, si poteva vedere l’effetto di un’onda gravitazionale passante.
4:34 PM: Questo è il mio video preferito che illustra ciò che un’onda gravitazionale fa. Muove lo spazio stesso (e tutto in esso) avanti e indietro di una piccola quantità. Se si dispone di un interferometro laser impostato (come LIGO), è in grado di rilevare queste vibrazioni. Ma se tu fossi abbastanza vicino e le tue orecchie fossero abbastanza sensibili, potresti sentire questo movimento nel tuo timpano!
4:35 PM: Ho delle cuffie davvero buone, Perimeter, ma sfortunatamente non riesco a sentire i diversi segnali del modello di onda gravitazionale che Janna sta suonando!
L’Osservatorio LIGO Hanford per la rilevazione delle onde gravitazionali nello Stato di Washington, USA.
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
4:38 PM: È divertente pensare che questo è il vuoto più avanzato del mondo, all’interno dei rivelatori LIGO. Eppure uccelli, ratti, topi, ecc., sono tutti sotto là, e masticano la loro strada in quasi la camera di vuoto che la luce viaggia attraverso. Ma se il vuoto fosse stato rotto (è costante dal 1998), l’esperimento sarebbe finito. In Louisiana, i cacciatori hanno sparato ai tunnel LIGO. È orribile quanto sia sensibile e costosa questa apparecchiatura, ma anche quanto sia fragile.
4:41 PM: Janna sta facendo un ottimo lavoro raccontando questa storia in un modo pieno di suspense ma molto umano. Abbiamo visto solo le ultime orbite di due buchi neri orbitanti, drasticamente rallentate nel film sopra. Erano solo a poche centinaia di chilometri di distanza, quelle ultime quattro orbite hanno preso 200 millisecondi, e questo è l’intero segnale che LIGO ha visto.
4:43 PM: Se hai problemi ad ascoltare / ascoltare gli eventi nel discorso, ascolta questo video (sopra), sia in tono naturale che in tono aumentato. I buchi neri più piccoli (circa 8 e 13 masse solari) del 26 dicembre 2015, sono entrambi più silenziosi e più acuti di quelli più grandi (29 e 36 masse solari) del 14 settembre dello stesso anno.
4:46 PM: Solo una piccola correzione: Janna dice che questo è stato l’evento più potente mai rilevato dal Big Bang. E questo è solo tecnicamente vero, a causa dei limiti del nostro rilevamento.
Quando otteniamo fusioni di buchi neri, circa il 10% della massa del buco nero meno massiccio in una coppia di fusioni viene convertita in energia pura tramite E = mc2 di Einstein. 29 masse solari sono molte, ma ci saranno buchi neri di centinaia di milioni o addirittura miliardi di masse solari che si sono fuse insieme. E abbiamo le prove.
Il segnale binario del buco nero più massiccio mai visto: OJ 287.
S. Zola & NASA/JPL
4:49 PM: Questo è OJ 287, dove un buco nero di massa solare di 150 milioni orbita attorno a un buco nero di massa solare di ~18 miliardi. Ci vogliono 11 anni perché si verifichi un’orbita completa, e la Relatività Generale prevede una precessione di 270 gradi per orbita qui, rispetto a 43 secondi d’arco per secolo per Mercurio.
4:51 PM: Janna ha fatto un lavoro incredibile finendo in tempo qui; Non ho mai visto un colloquio di un’ora in realtà finire dopo 50 minuti in una conferenza pubblica perimetrale. Wow!
La Terra vista da un composito di immagini satellitari della NASA dallo spazio nei primi anni 2000.
NASA/Blue Marble Project
4:52 PM: Cosa succederebbe se la Terra venisse risucchiata in un buco nero? (Q & Una domanda da Max.) Anche se Janna sta dando una grande risposta, vorrei sottolineare che, da un punto di vista dell’onda gravitazionale, la Terra sarebbe stata distrutta, e avremmo ottenuto un segnale d’onda “spalmato”, che sarebbe stato un segnale molto più rumoroso, statico-y. Una volta che la Terra è stata inghiottita, l’orizzonte degli eventi crescerebbe solo un po’, dato che un extra di tre milionesimi di massa solare aumentava il raggio del buco nero solo di quella minuscola quantità corrispondente.
4:55 PM: Che discorso divertente, un grande e scattante Q& Una sessione, e una grande esperienza complessiva. Godetevi ancora e ancora, perché il video del discorso è ora incorporato come un permalink. E grazie per la messa a punto!