czarne dziury są jedną klasą obiektów, które tworzą fale grawitacyjne o określonych częstotliwościach… i amplitudy. Dzięki detektorom takim jak LIGO możemy „usłyszeć” te dźwięki w miarę ich pojawiania się.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
od dawna mówi się, że w przestrzeni nie ma dźwięku, a to prawda, do pewnego stopnia. Konwencjonalny dźwięk wymaga medium do podróżowania i powstaje, gdy cząstki kompresują się i rozpadają, tworząc wszystko, od głośnego „huku” dla pojedynczego impulsu do spójnego tonu dla powtarzających się wzorców. W kosmosie, gdzie jest tak mało cząstek, że takie sygnały giną, nawet rozbłyski słoneczne, supernowe, połączenia czarnych dziur i inne kosmiczne katastrofy milkną, zanim zostaną kiedykolwiek usłyszane. Ale jest inny rodzaj sprężania i rozrzedzenia, który nie wymaga niczego innego niż sama tkanina przestrzeni do podróżowania: fale grawitacyjne. Dzięki pierwszym pozytywnym rezultatom detekcji z LIGO, słyszymy wszechświat po raz pierwszy.
dwie łączące się czarne dziury. Efektem inspiracji jest połączenie czarnych dziur, podczas gdy.. fale grawitacyjne przenoszą nadmiar energii. W rezultacie czasoprzestrzeń tła jest zniekształcona.
SxS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SxS) project (http://www.black-holes.org)
fale grawitacyjne były czymś, co musiało istnieć, aby nasza teoria grawitacji była spójna, zgodnie z ogólną teorią względności. W przeciwieństwie do grawitacji Newtona, gdzie dowolne dwie masy orbitujące wokół siebie pozostaną w takiej konfiguracji na zawsze, teoria Einsteina przewidywała, że przez wystarczająco długi czas orbity grawitacyjne ulegną rozpadowi. W przypadku czegoś takiego jak Ziemia krążąca wokół Słońca, nigdy nie przeżyłbyś tego: potrzeba 10^150 lat, aby ziemia znalazła się w spirali w słońcu. Ale w bardziej ekstremalnych układach, takich jak dwie gwiazdy neutronowe orbitujące wokół siebie, możemy zaobserwować rozkładanie się orbit w czasie. Aby oszczędzać energię, teoria grawitacji Einsteina przewidywała, że energia musi być przenoszona w postaci fal grawitacyjnych.
ponieważ dwie gwiazdy neutronowe orbitują wokół siebie, Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje orbitę… rozpadu i emisji promieniowania grawitacyjnego. Ten pierwszy był obserwowany bardzo precyzyjnie od wielu lat, o czym świadczy to, jak bardzo dobrze pasują punkty i linia (GR).
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy/Michael Kramer
fale te są szalenie słabe, a ich wpływ na obiekty w czasoprzestrzeni jest zdumiewająco mały. Ale jeśli wiesz, jak ich słuchać-tak jak komponenty radia wiedzą, jak słuchać fal świetlnych o długiej częstotliwości – możesz wykryć te sygnały i usłyszeć je tak, jak usłyszysz każdy inny dźwięk. Z amplitudą i częstotliwością nie różnią się od innych fal. Ogólna teoria względności jasno przewiduje, jak te fale powinny brzmieć, a największe sygnały generujące fale są najłatwiejsze do wykrycia. Największa Amplituda brzmi wszystko? To inspirujące i łączące się „ćwierkanie”dwóch czarnych dziur, które spiralnie łączą się w siebie.
we wrześniu 2015 roku, zaledwie kilka dni po tym, jak advanced LIGO rozpoczęło zbieranie danych po raz pierwszy, zauważono duży, nietypowy sygnał. Zaskoczyło to wszystkich, ponieważ w krótkim, 200 milisekundowym rozbłysku przenosiłoby tyle energii, że przyćmiłoby wszystkie gwiazdy obserwowalnego wszechświata razem wzięte. Jednak sygnał ten okazał się silny, a energia z tego rozbłysku pochodziła z dwóch czarnych dziur — o masach 36 i 29 — łączących się w jedną 62-masową. Te brakujące trzy masy Słońca? Zostały one przekształcone w czystą energię: fale grawitacyjne falujące przez tkaninę przestrzeni. Był to pierwszy przypadek, w którym wykryto LIGO.
sygnał z LIGO pierwszego silnego wykrycia fal grawitacyjnych. Kształt fali jest nie tylko… wizualizacja; jest to obraz tego, co właściwie usłyszelibyśmy, gdybyś słuchali właściwie.
obserwacja fal grawitacyjnych z połączenia binarnej Czarnej Dziury B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
teraz to już ponad rok później, a Ligo jest obecnie w drugim biegu. Nie tylko wykryto inne połączenia czarnej dziury z czarną dziurą, ale przyszłość astronomii fal grawitacyjnych jest jasna, ponieważ nowe detektory otworzą nasze uszy na nowe rodzaje dźwięków. Interferometry kosmiczne, takie jak LISA, będą miały dłuższe linie bazowe i usłyszą dźwięki o niższej częstotliwości: dźwięki takie jak fuzje gwiazd neutronowych, ucztowanie supermasywnych czarnych dziur i fuzje o wysoce nierównych masach. Pulsarowe tablice czasowe mogą mierzyć nawet niższe częstotliwości, takie jak orbity, które trwają lata, takie jak supermasywna para czarnych dziur: OJ 287. I kombinacje nowych technik będą szukać najstarszych fal grawitacyjnych ze wszystkich, fal reliktowych przewidywanych przez Kosmiczną inflację, aż do początku naszego wszechświata.
fale grawitacyjne generowane przez Kosmiczną inflację są najdalszym sygnałem wstecz w czasie, jaki ludzkość może… pomyśl o potencjalnym wykryciu. Współpraca taka jak BICEP2 i NANOgrav może pośrednio tego dokonać w nadchodzących dziesięcioleciach.
National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, related) – finansowany Program BICEP2; modyfikacje autorstwa E. Siegel
jest tyle do usłyszenia, a my dopiero zaczęliśmy słuchać po raz pierwszy. Na szczęście, astrofizyczka Janna Levin-autorka fantastycznej książki, Black Hole Blues i innych piosenek z kosmosu – jest gotowa wygłosić publiczny wykład w Perimeter Institute dziś wieczorem, 3 maja, o 19: 00 Eastern / 4: 00 Pacific, i będzie on transmitowany na żywo tutaj i blogowany na żywo w czasie rzeczywistym! Dołącz do nas, aby jeszcze więcej o tym niesamowitym temacie, i nie mogę się doczekać, aby usłyszeć jej wykład.
blog na żywo rozpocznie się kilka minut przed godziną 16: 00; dołącz do nas i podążaj za nami!
wypaczanie czasoprzestrzeni w ogólnym obrazie Relatywistycznym przez masy grawitacyjne.
LIGO / T. Pyle
3:50 pm: zostało dziesięć minut do showtime, a aby świętować, oto dziesięć ciekawostek (lub tyle, ile możemy uzyskać) o grawitacji i falach grawitacyjnych.
1.) Zamiast” działania na odległość”, gdzie niewidzialna siła jest wywierana między masami, ogólna teoria względności mówi, że materia i energia wypaczają strukturę czasoprzestrzeni, a wypaczona czasoprzestrzeń przejawia się jako grawitacja.
2.) Zamiast podróżować z nieskończoną prędkością, grawitacja porusza się tylko z prędkością światła.
3.) Jest to ważne, ponieważ oznacza, że jeśli wystąpią jakiekolwiek zmiany w pozycji, konfiguracji, ruchu masywnego obiektu itp., wynikające z tego zmiany grawitacyjne rozchodzą się tylko z prędkością światła.
symulacja komputerowa dwóch łączących się czarnych dziur wytwarzających fale grawitacyjne.
Werner Benger, cc BY-sa 4.0
15:54: 4.) Oznacza to, że na przykład fale grawitacyjne mogą propagować się tylko z prędkością światła. Kiedy „wykrywamy” falę grawitacyjną, wykrywamy sygnał z momentu zmiany konfiguracji masy.
5.) Pierwszy sygnał wykryty przez LIGO pojawił się w odległości około 1,3 miliarda lat świetlnych. Wszechświat był o 10% młodszy niż dziś, kiedy doszło do fuzji.
fale w czasoprzestrzeni są tym, czym są fale grawitacyjne.
European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS
6.), Gdyby grawitacja poruszała się z nieskończoną prędkością, orbity planet byłyby całkowicie niestabilne. Fakt, że planety poruszają się w elipsach wokół Słońca, dowodzi, że jeśli ogólna teoria względności jest poprawna, prędkość grawitacji musi być równa prędkości światła z dokładnością do około 1%.
15: 57: 7) Istnieje wiele, wiele więcej sygnałów fal grawitacyjnych niż to, co Ligo widział do tej pory; wykryliśmy tylko najprostszy sygnał do wykrycia.
8.) To, co sprawia, że sygnał jest „łatwy” do zobaczenia, to kombinacja jego amplitudy, czyli tego, jak bardzo może odkształcić długość ścieżki lub odległość w przestrzeni, a także jego częstotliwość.
uproszczona ilustracja systemu interferometru laserowego LIGO.
współpraca LIGO
9.) Ponieważ ramiona LIGO mają tylko 4 kilometry długości, a lustra odbijają światło tysiące razy (ale nie więcej), oznacza to, że LIGO może wykrywać tylko Częstotliwości 1 Hz lub szybciej.
na początku tego roku Ligo ogłosiło pierwsze w historii bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych. By… budując Obserwatorium fal grawitacyjnych w kosmosie, możemy być w stanie osiągnąć wrażliwość niezbędną do wykrycia celowego sygnału obcych.
współpraca ESA/NASA i LISA
10.) W przypadku wolniejszych sygnałów potrzebujemy dłuższych ramion dźwigni i większej wrażliwości, a to oznacza podróż w kosmos. To przyszłość astronomii fal grawitacyjnych!
16: 01: udało się! Czas zacząć i przedstawić Jannę Levin! (Wymawiaj „JAN-na”, nie” YON-na”, jeśli się zastanawiasz.)
pierwsza para czarnych dziur kiedykolwiek bezpośrednio zaobserwowana.
B. P. Abbott i in. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
16: 05: Oto wielka zapowiedź / ujęcie: pierwsze bezpośrednie nagranie pierwszej fali grawitacyjnej. Minęło 100 lat po tym, jak Einstein po raz pierwszy przedstawił ogólną teorię względności, a ona Puszcza nagranie! Idź i posłuchaj! Co to znaczy w końcu” usłyszeć ” dźwięk w przestrzeni i dlaczego jest to dźwięk? Mówi, że taki jest cel jej wypowiedzi.
galaktyki Maffei 1 i Maffei 2, znajdujące się w płaszczyźnie Drogi Mlecznej, mogą być ujawnione jedynie poprzez widzenie… przez pył Drogi Mlecznej. Pomimo tego, że są jednymi z najbliższych dużych galaktyk, zostały odkryte dopiero w połowie XX wieku.
WISE mission; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: jeśli wziąć pod uwagę to, co jest we wszechświecie, nie mieliśmy możliwości dowiedzieć się niczego z tego w czasie Galileo. Myśleliśmy o plamach słonecznych, Saturnie itp. i zupełnie nie byli w stanie wyobrazić sobie wielkich kosmicznych skal czy odległości. Zapomnijcie o „poczęciu innych galaktyk”, o niczym nie pomyśleliśmy!
16: 10: Janna pokazuje jeden z moich ulubionych filmów (które rozpoznaję) z Sloan Digital Sky Survey! Zbadali 400 000 najbliższych galaktyk i zmapowali je w trzech wymiarach. Tak wygląda nasz (pobliski) wszechświat i jak widać, jest to w większości pusta przestrzeń!
(nowoczesny) system klasyfikacji widmowej Morgana–Keenana, z zakresem temperatur każdej Gwiazdy… Klasa pokazana powyżej, w kelvinie.
użytkownik Wikimedia Commons LucasVB, dodany przez E. Siegel
16: 12: Ona robi naprawdę wielką uwagę, że ona całkowicie błyszczy: tylko około 1-na-1000 gwiazd kiedykolwiek stanie się czarną dziurą. W promieniu 30 lat świetlnych od nas znajduje się ponad 400 gwiazd, z których zero to Gwiazdy O lub B, a zero to czarne dziury. Te najbardziej niebieskie, masywne i najkrótsze gwiazdy są jedynymi, które wyrosną w czarne dziury.
identyczne zachowanie kuli spadającej na podłogę w przyspieszonej rakiecie (po lewej) i na Ziemi… (prawo) jest demonstracją zasady równoważności Einsteina.
użytkownik Wikimedia Commons Markus Poessel, retuszowany przez Pbroks13
16:15: kiedy rozważasz „skąd wzięła się teoria Einsteina”, Janna ma rację: idea zasady równoważności. Jeśli masz grawitację, możesz wziąć pod uwagę, że czujesz się „ciężki” na swoim krześle, na przykład. Ale ta reakcja, którą macie, jest dokładnie tą samą reakcją, którą czulibyście, gdybyście przyspieszali, a nie grawitowali. To nie grawitacja, którą czujesz, to efekty otaczającej Cię materii!
16: 17 zespół OKGO nakręcił teledysk latający w komecie wymiocin. Janna nie może pokazać całości, z dźwiękiem, ze względów autorskich i gorąco to poleca. Na szczęście dla Ciebie, dzięki internetowi… tutaj jest! Ciesz się w wolnym czasie!
podróż po orbicie Ziemi w ścieżce wokół Słońca to podróż 940 milionów kilometrów.
Larry McNish w RASC Calgary Centre
4:19 PM: jest jeszcze jedno wielkie odkrycie dla grawitacji: sposób, w jaki rozumiemy, jak rzeczy działają, pochodzi z oglądania, jak rzeczy upadają. Księżyc „spada” wokół Ziemi; Newton zdał sobie z tego sprawę. Ale ziemia opada wokół Słońca; słońce ” spada „wokół galaktyki, a Atomy” spadają ” tutaj na Ziemi. Ale ta sama zasada dotyczy ich wszystkich, o ile są w stanie swobodnego spadania. Niesamowite!
czarne dziury to coś, z czym wszechświat się nie narodził, ale z czasem się rozwinął. Oni… teraz zdominuj entropię wszechświata.
Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel mellinger (tło)
4:21 PM: oto Zabawne odkrycie: przestań myśleć o czarnej dziurze jako o zwiniętej, zmiażdżonej materii, mimo że może tak powstała. Zamiast tego pomyśl o tym jak o obszarze pustej przestrzeni o silnych właściwościach grawitacyjnych. W rzeczywistości, jeśli wszystko, co zrobiłeś, to przypisanie „masy” do tego obszaru przestrzeni, to doskonale zdefiniowałoby Schwarzschilda (nieobciążoną, nieobrotową) czarną dziurę.
supermasywna czarna dziura (Sgr a*) w centrum naszej galaktyki jest spowita pyłem, gazem… środowisko. Promieniowanie rentgenowskie i obserwacje w podczerwieni mogą częściowo przez niego widzieć, ale fale radiowe mogą w końcu być w stanie rozwiązać go bezpośrednio.
NASA ’ s Chandra X-Ray Observatory
16: 23: Jeśli miałbyś wpaść do czarnej dziury o masie słońca, miałbyś około mikrosekundy, od przekroczenia horyzontu zdarzeń (według Janny) aż do zgniecenia na śmierć w osobliwości. Jest to zgodne z tym, co kiedyś obliczyłem, gdzie dla czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej mamy około 10 sekund. Ponieważ czarna dziura Drogi Mlecznej jest 4 000 000 razy masywniejsza niż nasze Słońce, matematyka się sprawdza!
Joseph Weber ze swoim detektorem fal grawitacyjnych we wczesnym stadium, znanym jako bar Webera.
zbiory specjalne i archiwa uniwersyteckie, Biblioteki Uniwersytetu Maryland
16:26: Jak wykryć falę grawitacyjną? Szczerze mówiąc, to byłoby jak przebywanie na powierzchni oceanu; podskakiwałbyś w górę i w dół wzdłuż powierzchni kosmosu, i był duży argument w społeczności, czy te fale były prawdziwe, czy nie. Dopiero gdy pojawił się Joe Weber i postanowił zmierzyć te fale grawitacyjne, używając fenomenalnego urządzenia – aluminiowego pręta-który wibrował, gdyby falująca fala lekko „wyrwała” pręt.
Weber widział wiele takich sygnałów, które identyfikował z falami grawitacyjnymi, ale te, niestety, nigdy nie zostały odtworzone ani zweryfikowane. Nie był zbyt ostrożnym eksperymentatorem.
16: 29: jest dobre pytanie od Jona Grouberta na Twitterze: „mam pytanie o coś, co powiedziała-coś jest w czarnej dziurze, prawda? Jak ciężka gwiazda neutronowa.”Powinna istnieć osobliwość, która jest albo punktowa (dla nieobrotowej osobliwości), albo jednowymiarowy pierścień (dla obracającej się), ale nie skondensowana, zwinięta, trójwymiarowa Materia.
Dlaczego nie?
ponieważ aby pozostać jako struktura, siła musi się propagować i być przenoszona między cząstkami. Ale cząstki mogą przenosić siły tylko z prędkością światła. Ale nic, nawet światło, nie może poruszać się „na zewnątrz” w kierunku wyjścia z czarnej dziury; wszystko porusza się w kierunku osobliwości. Tak więc nic nie może się utrzymać, a wszystko zapada się w osobliwość. Smutne, ale fizyka sprawia, że jest to nieuniknione.
od lewej do prawej: dwa detektory LIGO (w Hanford i Livingston w USA) i detektor Virgo… (Cascina, Włochy).
© Ligo Laboratory (pierwsze dwa zdjęcia) i Virgo/Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: po niepowodzeniach Webera (i upadku ze sławy) pomysł Ligo pojawił się w latach 70. przez Rai Weiss.zajęło to ponad 40 lat (i ponad 1000 ludzi, aby to się stało), ale najbardziej fantastyczną rzeczą było to, że było to eksperymentalnie możliwe. Wykonując dwa bardzo długie ramiona dźwigni, można było zobaczyć efekt przechodzącej fali grawitacyjnej.
16:34: to mój ulubiony film ilustrujący, co robi fala grawitacyjna. Porusza samą przestrzeń (i wszystko w niej) tam iz powrotem o niewielką ilość. Jeśli masz ustawiony interferometr Laserowy (taki jak LIGO), może wykryć te wibracje. Ale gdybyś był wystarczająco blisko, a twoje uszy były wystarczająco wrażliwe, czułbyś ten ruch w błonie bębenkowej!
16: 35: Mam naprawdę dobre słuchawki, ale niestety nie słyszę różnych sygnałów fal grawitacyjnych, które gra Janna!
Obserwatorium Ligo Hanford do wykrywania fal grawitacyjnych w stanie Waszyngton, USA.
Laboratorium Caltech/MIT/LIGO
16:38: zabawne jest myśleć, że jest to najbardziej zaawansowana próżnia na świecie, wewnątrz detektorów LIGO. Jednak ptaki, szczury, myszy itp. wszystkie są pod spodem i żują się w komorze próżniowej, przez którą przechodzi światło. Ale gdyby próżnia została przerwana (jest stała od 1998 roku), eksperyment byłby skończony. W Luizjanie myśliwi strzelali do tuneli LIGO. To przerażające, jak wrażliwy i drogi jest ten sprzęt, ale jak kruchy to wszystko jest też.
4:41 PM: Janna robi naprawdę świetną robotę opowiadając tę historię w trzymający w napięciu, ale bardzo ludzki sposób. Widzieliśmy tylko kilka ostatnich Orbit dwóch orbitujących czarnych dziur, drastycznie zwolnionych w powyższym filmie. Były oddalone od siebie o kilkaset kilometrów, ostatnie cztery orbity zajęły 200 milisekund i to jest cały sygnał, który widział LIGO.
16:43: jeśli masz problemy ze słuchaniem/słyszeniem wydarzeń w prelekcji, posłuchaj tego filmu (powyżej), zarówno w tonacji naturalnej, jak i zwiększonej. Mniejsze czarne dziury (około 8 i 13 mas Słońca) z 26 grudnia 2015 roku są zarówno cichsze, jak i wyższe od większych (29 i 36 mas Słońca) z 14 września tego samego roku.
16:46: tylko mała korekta: Janna mówi, że było to najpotężniejsze wydarzenie od czasu Wielkiego Wybuchu. I to jest tylko technicznie prawdziwe, ze względu na granice naszej wykrywalności.
kiedy uzyskamy jakiekolwiek Fuzje czarnej dziury, około 10% masy najmniej masywnej czarnej dziury w parze fuzji zostaje przekształcone w czystą energię przez Einsteina E = mc2. 29 mas Słońca to dużo, ale będą czarne dziury o masie setek milionów, a nawet miliardów mas Słońca, które się połączyły. I mamy dowód.
najbardziej masywny sygnał binarny czarnej dziury w historii: OJ 287.
S. Zola& NASA/JPL
4:49 PM: to jest OJ 287, gdzie czarna dziura o masie 150 milionów mas Słońca okrąża czarną dziurę o masie ~18 miliardów mas Słońca. Potrzeba 11 lat na osiągnięcie pełnej orbity, a ogólna teoria względności przewiduje precesję o 270 stopni na orbitę, w porównaniu do 43 sekund łukowych na wiek dla Merkurego.
4: 51 PM: Janna wykonała niesamowitą robotę kończąc się tutaj na czas; nigdy nie widziałem godzinnego wykładu kończącego się po 50 minutach na publicznym wykładzie. Wow!
Ziemia widziana z obrazu satelitarnego NASA z kosmosu na początku lat 2000.
NASA/Blue Marble Project
16:52: Co by się stało, gdyby Ziemia została wessana do czarnej dziury? (Q&pytanie od Max.) Chociaż Janna daje świetną odpowiedź, chciałbym zauważyć, że z punktu widzenia fal grawitacyjnych Ziemia zostałaby rozdrobniona i otrzymalibyśmy „rozmazany” sygnał falowy, który byłby znacznie głośniejszy, statyczny sygnał Y. Gdy ziemia zostanie połknięta, horyzont zdarzeń wzrośnie tylko trochę, ponieważ dodatkowe trzy milionowe części masy Słońca zwiększyły promień czarnej dziury o tę niewielką, odpowiadającą jej ilość.
16:55: co za fajna rozmowa, świetne i zgrabne Q& sesja i ogólnie świetne wrażenia. Ciesz się tym ponownie i ponownie, ponieważ wideo z wykładu jest teraz osadzone jako permalink. I dzięki za dostrojenie!