het samenvoegen van zwarte gaten is een klasse van objecten die gravitatiegolven van bepaalde frequenties creëren… en amplitudes. Dankzij detectoren als LIGO kunnen we deze geluiden ‘horen’ terwijl ze zich voordoen.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Er wordt al lang gezegd dat er geen geluid in de ruimte is, en dat is waar, tot op zekere hoogte. Conventioneel geluid vereist een medium om door te reizen, en wordt gemaakt wanneer deeltjes comprimeren-en-rarify, waardoor alles van een luide “knal” voor een enkele puls tot een consistente toon voor het herhalen van patronen. In de ruimte, waar er zo weinig deeltjes zijn dat zulke signalen wegsterven, gaan zelfs zonnevlammen, supernova ‘ s, samensmeltingen van zwarte gaten en andere kosmische catastrofes stil voordat ze ooit gehoord worden. Maar er is een ander type compressie-en-zeldzaamheid dat niets anders nodig heeft dan het weefsel van de ruimte zelf om door te reizen: gravitatiegolven. Dankzij de eerste positieve detectieresultaten van LIGO horen we het universum voor de allereerste keer.
twee samenvoegende zwarte gaten. De inspirerende resultaten in de zwarte gaten samen te komen, terwijl… gravitatiegolven dragen de overtollige energie weg. De achtergrond ruimtetijd wordt hierdoor vervormd.
SXS, het simulerende eXtreme Ruimtetijdsproject (http://www.black-holes.org)
gravitatiegolven waren iets dat nodig was om onze zwaartekrachttheorie consistent te laten zijn, volgens de Algemene Relativiteitstheorie. In tegenstelling tot Newton ’s zwaartekracht, waar elke twee massa’ s die om elkaar heen draaien voor altijd in die configuratie zouden blijven, voorspelde Einsteins theorie dat over lang genoeg tijden, gravitationele banen zouden vervallen. Voor iets als de aarde die om de zon draait, zou je nooit leven om het te ervaren: het zou 10^150 jaar duren voordat de aarde spiraalsgewijs de zon in zou gaan. Maar voor extremere systemen, zoals twee neutronensterren die om elkaar heen draaien, kunnen we zien dat de banen in de loop van de tijd vervallen. Om energie te besparen, voorspelde Einsteins zwaartekrachttheorie dat energie moet worden weggevoerd in de vorm van gravitatiegolven.
omdat twee neutronensterren om elkaar heen draaien, voorspelt Einsteins algemene relativiteitstheorie een baan… verval, en de emissie van gravitationele straling. De eerste is waargenomen zeer nauwkeurig voor vele jaren, zoals blijkt uit hoe de punten en de lijn (gr voorspelling) zo goed overeenkomen.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
deze golven zijn waanzinnig zwak, en hun effecten op de objecten in de ruimtetijd zijn ongelooflijk klein. Maar als je weet hoe je naar ze moet luisteren — net zoals de componenten van een radio weten hoe te luisteren naar die lange-frequentie lichtgolven — kun je deze signalen detecteren en ze horen, net zoals je elk ander geluid hoort. Met een amplitude en een frequentie, zijn ze niet anders dan elke andere golf. De algemene relativiteitstheorie maakt expliciete voorspellingen over hoe deze golven zouden moeten klinken, waarbij de grootste golfgenererende signalen het gemakkelijkst te detecteren zijn. De grootste amplitude klinkt allemaal? Het is de inspirerende en samensmelting “chirp”van twee zwarte gaten die spiraal in elkaar.
in September 2015, enkele dagen nadat advanced LIGO voor het eerst gegevens begon te verzamelen, werd een groot, ongewoon signaal Gespot. Het verbaasde iedereen, want het zou zoveel energie hebben gedragen in slechts een korte, 200 milliseconde uitbarsting, dat het alle sterren in het waarneembare universum samen zou hebben overschaduwd. Maar dat signaal bleek robuust te zijn, en de energie van die uitbarsting kwam van twee zwarte gaten — van 36 en 29 zonnemassa ‘ s — die samensmelten tot één enkele 62 zonnemassa. Die ontbrekende drie zonsmassa ‘ s? Ze werden omgezet in pure energie: gravitatiegolven kabbelend door het weefsel van de ruimte. Dat was de eerste gebeurtenis die LIGO ooit ontdekte.
het signaal van LIGO van de eerste robuuste detectie van gravitatiegolven. De golfvorm is niet alleen… een visualisatie; het is representatief voor wat je zou horen als je goed luisterde.
observatie van gravitatiegolven van een binair zwart gat fusie B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
nu is het meer dan een jaar later, en LIGO is momenteel op zijn tweede run. Niet alleen zijn er andere zwart gat-zwart gat fusies gedetecteerd, maar de toekomst van gravitatiegolfastronomie is helder, omdat nieuwe detectoren onze oren zullen openen voor nieuwe soorten geluiden. Ruimte-interferometers, zoals LISA, zullen langere basislijnen hebben en lagere frequentie geluiden horen: geluiden als neutronenster fusies, superzware zwarte gaten, en fusies met zeer ongelijke massa ‘ s. Pulsar timing arrays kunnen zelfs lagere frequenties meten, zoals banen die jaren duren om te voltooien, zoals het superzware zwarte gat paar: OJ 287. En combinaties van nieuwe technieken zullen zoeken naar de oudste gravitatiegolven van allemaal, de relikwieën voorspeld door kosmische inflatie, helemaal terug aan het begin van ons universum.
zwaartekrachtgolven gegenereerd door kosmische inflatie zijn het verste signaal in de tijd dat de mensheid kan krijgen… denk aan potentieel detecteren. Samenwerkingen zoals BICEP2 en NANOgrav kunnen dit indirect doen in de komende decennia.
National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, gerelateerd) — gefinancierd BICEP2-programma; wijzigingen door E. Siegel
Er is zoveel te horen, en we zijn nog maar net begonnen met luisteren voor de eerste keer. Gelukkig, astrofysicus Janna Levin-auteur van het fantastische boek, Black Hole Blues en andere Songs from Outer Space-is klaar om de openbare lezing te geven op Perimeter Institute vanavond, 3 mei, om 19: 00 Eastern / 16: 00 Pacific, en het zal live-streamed hier en live-geblogd door mij in real time! Doe dan mee voor nog meer over dit ongelooflijke onderwerp, en ik kan niet wachten om haar te horen praten.
De live blog begint een paar minuten voor 16: 00 uur Pacific; sluit je bij ons aan en volg ons!
de kromming van de ruimtetijd, in het algemene relativistische beeld, door gravitatiemassa ‘ s.
LIGO / T. Pyle
15:50: het is tien minuten tot showtime, en om het te vieren, hier zijn tien leuke feiten (of zoveel als we kunnen krijgen in) over zwaartekracht en gravitatiegolven.
1. In plaats van “actie op afstand”, waar een onzichtbare kracht wordt uitgeoefend tussen massa ‘ s, zegt de algemene relativiteitstheorie dat materie en energie het weefsel van de ruimtetijd vervormen, en dat kromgetrokken ruimtetijd is wat zich manifesteert als zwaartekracht.
2. In plaats van met oneindige snelheid te reizen, reist de zwaartekracht alleen met de snelheid van het licht.
3.) Dit is belangrijk, omdat het betekent dat als er veranderingen optreden in de positie, configuratie, beweging, enz.van een massief object. de gravitationele veranderingen verspreiden zich alleen met de lichtsnelheid.
computersimulatie van twee samenvoegende zwarte gaten die gravitatiegolven produceren.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
15: 54 PM: 4. Dit betekent dat bijvoorbeeld gravitatiegolven zich alleen met de lichtsnelheid kunnen voortplanten. Als we een gravitatiegolf” detecteren”, detecteren we het signaal van toen die massaconfiguratie veranderde.
5.) Het eerste door LIGO gedetecteerde signaal vond plaats op een afstand van ongeveer 1,3 miljard lichtjaar. Het universum was ongeveer 10% jonger dan het nu is toen die fusie plaatsvond.
rimpelingen in ruimtetijd zijn wat gravitatiegolven zijn.European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS
6. Als de zwaartekracht met oneindige snelheid zou reizen, zouden planetaire banen volledig onstabiel zijn. Het feit dat planeten in ellipsen rond de zon bewegen vereist dat als de algemene relativiteit correct is, de zwaartekracht gelijk moet zijn aan de lichtsnelheid met een nauwkeurigheid van ongeveer 1%.
15: 57 PM: 7. Er zijn veel, veel meer gravitatiegolfsignalen dan wat LIGO tot nu toe heeft gezien; we hebben alleen het gemakkelijkste signaal gedetecteerd dat er is om te detecteren.
8.) Wat een signaal “gemakkelijk” te zien maakt is een combinatie van zijn amplitude, dat wil zeggen, hoeveel het een pad-lengte, of een afstand in de ruimte, evenals de frequentie kan vervormen.
een vereenvoudigde illustratie van LIGO ‘ s laser interferometersysteem.
LIGO-samenwerking
9. Omdat LIGO ‘ s armen slechts 4 kilometer lang zijn en de spiegels het licht duizenden keren (maar niet meer) reflecteren, kan LIGO alleen frequenties van 1 Hz of sneller detecteren.
eerder dit jaar kondigde LIGO de allereerste directe detectie van gravitatiegolven aan. Door… als we een observatorium voor gravitatiegolven in de ruimte bouwen, kunnen we de gevoeligheden bereiken die nodig zijn om een bewust buitenaards signaal te detecteren.
ESA / NASA en de LISA-samenwerking
10.) Voor tragere signalen hebben we langere hefbomen en grotere gevoeligheden nodig, en dat betekent naar de ruimte gaan. Dat is de toekomst van gravitatiegolfastronomie!
16: 01: 00: We hebben het gehaald! Tijd om Janna Levin voor te stellen! (Spreek uit “JAN-na”, niet “YON-na”, als je je afvraagt.)
De inspirale en samensmelting van het eerste paar zwarte gaten ooit direct waargenomen.
B. P. Abbott et al. (LIGO wetenschappelijke samenwerking en Virgo-samenwerking)
16.05 uur: Hier is de grote aankondiging / opname: de eerste directe opname van de eerste gravitatiegolf. Het duurde 100 jaar nadat Einstein voor het eerst algemene relativiteitstheorie uitbracht, en ze speelt een opname af! Zorg ervoor dat je gaat luisteren! Wat betekent het om een geluid in de ruimte te” horen”, en waarom is dit een geluid? Dat is het doel, zegt ze, van haar talk.
de sterrenstelsels Maffei 1 en Maffei 2, in het vlak van de Melkweg, kunnen alleen worden onthuld door te zien… door het stof van de Melkweg. Ondanks dat ze tot de dichtstbijzijnde grote sterrenstelsels behoren, werden ze pas in het midden van de 20e eeuw ontdekt.
WISE mission; NASA / JPL-Caltech / UCLA
16:08 PM: als je bedenkt wat er in het universum is, hadden we geen manier om dit te weten ten tijde van Galileo. We dachten aan zonnevlekken, Saturnus, enz., en waren volledig niet in staat zich de grote kosmische schalen of afstanden voor te stellen. Vergeet “het bedenken van andere sterrenstelsels”, we hadden hier niets van bedacht!
16: 10 PM: Janna toont een van mijn favoriete video ‘ s (die ik herken) van de Sloan Digital Sky Survey! Ze namen een onderzoek van 400.000 van de dichtstbijzijnde sterrenstelsels en brachten ze in drie dimensies in kaart. Zo ziet ons (nabije) universum eruit, en zoals je kunt zien, is het eigenlijk vooral lege ruimte!
Het (moderne) Morgan–Keenan spectrale classificatiesysteem, met het temperatuurbereik van elke ster… de klas hierboven, in kelvin.
Wikimedia Commons-gebruiker LucasVB, toevoegingen door E. Siegel
16: 12: Ze maakt een heel goed punt dat ze helemaal vergelijkt: slechts ongeveer 1-op-1000 sterren zullen ooit een zwart gat worden. Er zijn meer dan 400 sterren binnen 30 lichtjaren van ons, en nul van hen zijn o of B sterren, en nul van hen zijn zwarte gaten geworden. Deze blauwste, massiefste en kortst levende sterren zijn de enige die zullen uitgroeien tot zwarte gaten.
het identieke gedrag van een bal die op de grond valt in een versnelde raket (links) en op aarde… (rechts) is een demonstratie van Einstein ‘ s equivalentieprincipe.
Wikimedia Commons gebruiker Markus Poessel, geretoucheerd door Pbroks13
16: 15: als je bedenkt “waar kwam Einsteins theorie vandaan,” Janna maakt een groot punt: het idee van het equivalentieprincipe. Als je zwaartekracht hebt, zou je kunnen overwegen dat je je “zwaar” voelt in je stoel, bijvoorbeeld. Maar deze reactie die je hebt is precies dezelfde reactie die je zou voelen als je versnelt, in plaats van zwaartekracht. Het is niet de zwaartekracht die je voelt, het zijn de effecten van de materie om je heen!
16: 17: de band OKGO maakte een video flying in the vomit comet. Janna kan het hele ding niet laten zien, met audio, om copyright redenen, en raadt het ten zeerste aan. Gelukkig voor jou, dankzij het internet… hier is het! Geniet op uw gemak!
eenmaal rond de baan van de aarde in een pad rond de zon reizen is een reis van 940 miljoen kilometer.Larry McNish van RASC Calgary Centre 16:19: er is nog een grote openbaring voor zwaartekracht: de manier waarop we begrijpen hoe dingen werken komt van kijken hoe dingen vallen. De maan “valt” rond de aarde; Newton besefte dat. Maar de aarde valt rond de zon; de zon “valt” rond de Melkweg; en atomen “vallen” hier op aarde. Maar dezelfde regel geldt voor hen allemaal, zolang ze allemaal in vrije val zijn. Verbazingwekkend!
zwarte gaten zijn iets waarmee het universum niet geboren is, maar dat in de loop van de tijd is gegroeid. Ze… nu domineren de entropie van het universum.ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
16:21 PM: here ‘ s a fun revelation: stop thinking of a black hole as collapsed, crushed matter, even though that might be how it Origin. In plaats daarvan, zie het als gewoon een gebied van lege ruimte met sterke gravitatieeigenschappen. In feite, als alles wat je deed was “massa” toewijzen aan dit gebied van de ruimte, zou dat perfect een Schwarzschild (niet-geladen, niet-roterend) zwart gat definiëren.
Het superzware zwarte gat (Sgr A*) in het centrum van ons melkwegstelsel is gehuld in een stoffig, gasvormig gat… omgeving. Röntgenstralen en infraroodwaarnemingen kunnen er gedeeltelijk doorheen kijken, maar radiogolven kunnen het uiteindelijk direct oplossen.
NASA ‘ s Chandra X-Ray Observatory
16: 23 PM: Als je zou vallen in een zwart gat de massa van de zon, zou je ongeveer een microseconde, van het oversteken van de event horizon (volgens Janna) tot je werd verpletterd tot de singulariteit. Dit komt overeen met wat ik ooit berekende, waar, voor het zwarte gat in het centrum van de Melkweg, we ongeveer 10 Seconden zouden hebben. Aangezien het zwarte gat van de Melkweg 4.000.000 keer zo groot is als onze zon, werkt de wiskunde een beetje uit!
Joseph Weber met zijn vroege gravitatiegolfdetector, bekend als een Weber bar.
Special collections and university archives, University Of Maryland libraries
16:26 uur: hoe zou je een gravitatiegolf detecteren? Eerlijk gezegd, zou het zijn alsof je op het oppervlak van de oceaan zou zijn; je zou op en neer langs het oppervlak van de ruimte, en er was een groot argument in de gemeenschap over de vraag of deze golven echt waren of niet. Het was pas toen Joe Weber kwam en besloot om te proberen deze gravitatiegolven te meten, met behulp van een fenomenaal apparaat — een aluminium staaf — dat zou trillen als een kabbelende Golf de staaf lichtjes “plukte”.
Weber zag veel van dergelijke signalen die hij identificeerde met gravitatiegolven, maar deze werden helaas nooit gereproduceerd of geverifieerd. Hij was, ondanks al zijn slimheid, geen zeer zorgvuldige experimentator.
16: 29 PM: er is een goede vraag van Jon Groubert op twitter: “Ik heb een vraag over iets wat ze zei – Er is iets in een zwart gat, is er niet? Als een zware neutronenster.”Er moet een singulariteit zijn, die ofwel puntachtig is (voor een niet-roterende singulariteit) of een eendimensionale ring (voor een roterende), maar niet gecondenseerde, ingestorte, driedimensionale materie.
waarom niet?
want om als structuur te blijven, moet een kracht zich verspreiden en tussen deeltjes worden overgedragen. Maar deeltjes kunnen alleen krachten overbrengen met de snelheid van het licht. Maar niets, zelfs licht niet, kan “naar buiten” bewegen naar de uitgang van een zwart gat; alles beweegt naar de singulariteit. En dus kan niets zichzelf omhoog houden, en alles stort in in de singulariteit. Triest, maar de fysica maakt dit onvermijdelijk.
van links naar rechts: de twee LIGO detectoren (in Hanford en Livingston, vs) en de Virgo detector… (Cascina, Italië).
© LIGO Laboratory (first two images) and Virgo / Nicola Baldocchi 2015
16:32 uur: na Weber ‘ s mislukkingen (en faam) kwam het idee van LIGO door Rai Weiss in de jaren 1970. het duurde meer dan 40 jaar voor LIGO tot bloei kwam (en meer dan 1.000 mensen om het te laten gebeuren), maar het meest fantastische was dat het experimenteel mogelijk was. Door twee zeer lange hefbomen te maken, kon je het effect zien van een passerende gravitatiegolf.
16: 34 PM: dit is mijn favoriete video die illustreert wat een gravitatiegolf doet. Het beweegt de ruimte zelf (en alles erin) heen en weer met een kleine hoeveelheid. Als u een laser interferometer hebt ingesteld (zoals LIGO), kan deze trillingen worden gedetecteerd. Maar als je dicht genoeg was en je oren gevoelig genoeg waren, kon je deze beweging in je trommelvlies voelen!
16: 35 PM: Ik heb een aantal echt goede koptelefoons, Perimeter, maar helaas kan ik niet horen de verschillende gravitationele golf model signalen die Janna speelt!
The Ligo Hanford Observatory for detecting gravitational waves in Washington State, USA.
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
16:38: het is grappig om te denken dat dit ‘ s werelds meest geavanceerde vacuüm is, in de LIGO detectoren. Maar vogels, ratten, muizen, etc. ze zitten daar allemaal onder, en ze kauwen zich een weg in bijna de vacuümkamer waar het licht doorheen gaat. Maar als het vacuüm was gebroken (het is constant sinds 1998), zou het experiment voorbij zijn geweest. In Louisiana schoten jagers op de LIGOTUNNELS. Het is verschrikkelijk hoe gevoelig en duur Deze apparatuur is, maar toch hoe fragiel het allemaal is, ook.
16: 41 PM: Janna doet het geweldig om dit verhaal op een spannende maar zeer menselijke manier te vertellen. We zagen alleen de laatste paar banen van twee ronddraaiende zwarte gaten, drastisch vertraagd in de bovenstaande film. Ze waren slechts een paar honderd kilometer uit elkaar, die laatste vier banen namen 200 milliseconde, en dat is het hele signaal dat LIGO zag.
16: 43: als je problemen hebt met het luisteren/horen van de gebeurtenissen in de talk, luister dan naar deze video (hierboven), zowel in natuurlijke toonhoogte als in verhoogde toonhoogte. De kleinere zwarte gaten (ruwweg 8 en 13 zonsmassa ‘s) vanaf 26 December 2015, zijn zowel stiller als hoger dan de grotere (29 en 36 zonsmassa’ s) vanaf 14 September in hetzelfde jaar.
16: 46: Een kleine correctie: Janna zegt dat dit de krachtigste gebeurtenis was die ooit is ontdekt sinds de oerknal. En dat is alleen technisch waar, vanwege de grenzen van onze detectie.
wanneer we een fusie van zwarte gaten krijgen, wordt ongeveer 10% van de massa van het minst massieve zwarte gat in een fusiepaar omgezet in pure energie via Einsteins E = mc2. 29 zonsmassa ’s is veel, maar er zullen zwarte gaten zijn van honderden miljoenen of zelfs miljarden zonsmassa’ s die zijn samengevoegd. En we hebben bewijs.
het meest massieve binaire zwart gat signaal ooit gezien: PB 287.
S. Zola & NASA/JPL
16:49: dit is PB 287, waar een 150 miljoen zonnemassa zwart gat rond een ~18 miljard zonnemassa zwart gat draait. Het duurt 11 jaar voor een volledige baan plaatsvindt, en de algemene relativiteitstheorie voorspelt hier een precessie van 270 graden per baan, vergeleken met 43 boogseconden per eeuw voor Mercurius.
16: 51 PM: Janna heeft een ongelooflijke job gedaan om hier op tijd te eindigen; Ik heb nog nooit een uur gesprek zien eindigen na 50 minuten bij een Perimeter openbare lezing. Wow!
De Aarde gezien vanuit een composiet van NASA-satellietbeelden uit de ruimte in de vroege jaren 2000.
NASA/Blue Marble Project
16:52: wat zou er gebeuren als de aarde in een zwart gat werd opgezogen? (Q&een vraag van Max. Hoewel Janna een geweldig antwoord geeft, wil ik er graag op wijzen dat, vanuit het oogpunt van gravitatiegolven, de aarde uit elkaar zou worden versnipperd, en we een “uitgesmeerd” golfsignaal zouden krijgen, dat zou een veel lawaaieriger, statisch-Y signaal zijn. Zodra de aarde werd opgeslokt, zou de waarnemingshorizon maar een klein beetje groeien, als een extra drie miljoenste van een zonnemassa de straal van het zwarte gat met slechts die kleine, overeenkomstige hoeveelheid vergrootte.
16:55: wat een leuke talk, een geweldige en pittige Q&een sessie, en een geweldige ervaring in het algemeen. Geniet er keer op keer van, want de video van de talk is nu ingebed als permalink. En bedankt voor het afstemmen!