Det finns ljud i rymden tack vare gravitationsvågor

det har länge sagts att det inte finns något ljud i rymden, och det är sant, till en punkt. Konventionellt ljud kräver ett medium att resa igenom och skapas när partiklar komprimerar och rarify, vilket gör allt från ett högt ”bang” för en enda puls till en konsekvent ton för upprepande mönster. I rymden, där det finns så få partiklar att sådana signaler dör bort, till och med solfläckar, supernovaer, sammanslagningar av svarta hål och andra kosmiska katastrofer tystnar innan de någonsin hörs. Men det finns en annan typ av kompression och sällsynthet som inte kräver något annat än själva rymden att resa genom: gravitationsvågor. Tack vare de första positiva detekteringsresultaten från LIGO hör vi universum för första gången.

gravitationsvågor var något som behövde existera för att vår gravitationsteori skulle vara konsekvent, enligt allmän relativitet. Till skillnad från i Newtons gravitation, där två massor som kretsar varandra skulle förbli i den konfigurationen för alltid, förutspådde Einsteins teori att gravitationsbanor skulle förfalla under tillräckligt långa tider. För något som jorden kretsar runt solen, skulle du aldrig leva för att uppleva det: det skulle ta 10^150 år för jorden att spiral in i solen. Men för mer extrema system, som två neutronstjärnor som kretsar kring varandra, kunde vi faktiskt se banorna förfallna över tiden. För att spara energi förutspådde Einsteins gravitationsteori att energi måste transporteras bort i form av gravitationsvågor.

dessa vågor är galet svaga och deras effekter på föremålen i rymdtid är otroligt små. Men om du vet hur man lyssnar på dem – precis som komponenterna i en radio vet hur man lyssnar på de långfrekventa ljusvågorna-kan du upptäcka dessa signaler och höra dem precis som du skulle höra något annat ljud. Med en amplitud och en frekvens skiljer de sig inte från någon annan våg. Allmän relativitet gör uttryckliga förutsägelser för hur dessa vågor ska låta, med de största våggenererande signalerna som är de enklaste att upptäcka. Den största amplituden låter allt? Det är den inspirala och sammanslagna ”chirp” av två svarta hål som spiral in i varandra.

i September 2015, bara några dagar efter att advanced LIGO började samla in data för första gången, upptäcktes en stor, ovanlig signal. Det överraskade alla, för det skulle ha burit så mycket energi på bara en kort 200 millisekund, att det skulle ha överträffat alla stjärnorna i det observerbara universum tillsammans. Men den signalen visade sig vara robust, och energin från den sprängningen kom från två svarta hål — av 36 och 29 solmassor — sammanfogade till en enda 62 solmassa. De som saknar tre solmassor? De omvandlades till ren energi: gravitationsvågor som krusade genom rymdens Tyg. Det var den första händelsen LIGO någonsin upptäckt.

nu är det över ett år senare, och LIGO är för närvarande på sin andra körning. Inte bara har andra svarta hål-svarta hålfusioner upptäckts, men framtiden för gravitationsvågastronomi är ljus, eftersom nya detektorer öppnar våra öron för nya typer av ljud. Rymdinterferometrar, som LISA, kommer att ha längre baslinjer och kommer att höra lägre frekvensljud: låter som neutronstjärnfusioner, festa supermassiva svarta hål och fusioner med mycket ojämna massor. Pulsar timing arrays kan mäta ännu lägre frekvenser, som banor som tar år att slutföra, till exempel det supermassiva svarta hålparet: EGT 287. Och kombinationer av nya tekniker kommer att leta efter de äldsta gravitationsvågorna av alla, de relikvågor som förutses av kosmisk inflation, hela vägen tillbaka i början av vårt universum.

det finns så mycket att höra, och vi har bara börjat lyssna för första gången. Tack och lov, astrofysiker Janna Levin-författare till den fantastiska boken, Black Hole Blues och andra låtar från yttre rymden-är redo att ge den offentliga föreläsningen på Perimeter Institute ikväll, 3 maj, kl 7 PM Eastern / 4 PM Pacific, och det kommer att live-streamas här och live-bloggade av mig i realtid! Följ med oss för ännu mer om detta otroliga ämne, och jag kan inte vänta med att höra henne prata.

livebloggen börjar några minuter före 4:00 PM Pacific; följ med oss här och följ med!

3: 50 PM: det är tio minuter tills showtime, och för att fira, här är tio roliga fakta (eller så många som vi kan komma in) om gravitation och gravitationsvågor.

1.) Istället för” handling på avstånd”, där en osynlig kraft utövas mellan massor, säger allmän relativitet att Materia och energi förvränger rymdtidens tyg, och att förvrängd rymdtid är det som manifesterar sig som gravitation.

2.) Istället för att resa i oändlig hastighet, reser gravitationen bara med ljusets hastighet.

3.) Detta är viktigt, eftersom det betyder att om några förändringar inträffar i ett massivt objekts position, konfiguration, rörelse etc., de efterföljande gravitationsförändringarna sprids endast med ljusets hastighet.

3: 54 PM: 4.) Detta betyder att gravitationsvågor, till exempel, bara kan sprida sig med ljusets hastighet. När vi” upptäcker ” en gravitationsvåg, upptäcker vi signalen från när den masskonfigurationen ändrades.

5.) Den första signalen som detekterades av LIGO inträffade på ett avstånd av cirka 1, 3 miljarder ljusår. Universum var ungefär 10% yngre än det är idag när sammanslagningen inträffade.

6.) Om gravitationen reste i oändlig hastighet skulle planetbanor vara helt instabila. Det faktum att planeter rör sig i ellipser runt solen kräver att om den allmänna relativiteten är korrekt måste tyngdkraften motsvara ljusets hastighet med en noggrannhet på cirka 1%.

3: 57 PM: 7.) Det finns många, många fler gravitationsvågsignaler än vad LIGO har sett hittills; vi har bara upptäckt den enklaste signalen som finns att upptäcka.

8.) Det som gör en signal ”lätt” att se är en kombination av dess amplitud, det vill säga hur mycket den kan deformera en banlängd eller ett avstånd i rymden, liksom dess frekvens.

9.) Eftersom ligos armar bara är 4 kilometer långa och speglarna reflekterar ljuset tusentals gånger (men inte mer), betyder det att LIGO bara kan upptäcka frekvenser på 1 Hz eller snabbare.

10.) För långsammare signaler behöver vi längre spakarmar och större känslighet, och det kommer att innebära att vi går till rymden. Det är framtiden för gravitationsvågastronomi!

4: 01 PM: vi gjorde det! Dags att börja och presentera Janna Levin! (Uttala ”JAN-na”, inte” YON-na”, om du undrade.)

4: 05 PM: Här är det stora meddelandet / skottet: den första direkta inspelningen av den första gravitationsvågen. Det tog 100 år efter att Einstein först lade fram allmän relativitet, och hon spelar en inspelning! Se till att du går och lyssnar! Vad betyder det att” höra ” ett ljud i rymden, trots allt, och varför är detta ett ljud? Det är syftet, säger hon, med hennes prat.

4:08 PM: om du funderar på vad som finns där ute i universum, hade vi inget sätt att veta något av detta vid Galileos tid. Vi tänkte på solfläckar, Saturnus, etc. och var helt oförmögna att föreställa sig de stora kosmiska skalorna eller avstånden. Glöm ”att tänka på andra galaxer”, vi hade inte tänkt på något av detta!

4: 10 PM: Janna visar en av mina favoritvideor (som jag känner igen) från Sloan Digital Sky Survey! De tog en undersökning av 400 000 av närmaste galaxer och kartlade dem i tre dimensioner. Så här ser vårt (närliggande) universum ut, och som du kan se är det verkligen mest tomt utrymme!

4: 12 PM: Hon gör en riktigt bra punkt som hon helt glansar över: bara om 1-i-1000 stjärnor kommer någonsin att bli ett svart hål. Det finns över 400 stjärnor inom 30 ljusår från oss, och noll av dem är O-eller B-stjärnor, och noll av dem har blivit svarta hål. Dessa blåaste, mest massiva och kortaste Levande stjärnor är de enda som kommer att växa till svarta hål.

4:15 PM: när du tänker på ”var kom Einsteins teori ifrån”, gör Janna en bra poäng: tanken på ekvivalensprincipen. Om du har gravitation kan du överväga att du känner dig ”tung” i din stol, till exempel. Men den här reaktionen som du har är exakt samma reaktion som du skulle känna om du accelererade, snarare än att gravitera. Det är inte gravitationen som du känner, det är effekterna av saken runt dig!

4: 17 PM: bandet OKGO gjorde en video som flyger i Spy comet. Janna kan inte visa det hela, med ljud, av upphovsrättsliga skäl, och rekommenderar det starkt. Tur för dig, tack vare internet… här är det! Njut på din fritid!

4:19 PM: Det finns en annan stor uppenbarelse för gravity: hur vi förstår hur saker fungerar kommer från att titta på hur saker faller. Månen ”faller” runt jorden; Newton insåg det. Men jorden faller runt solen; solen ”faller” runt galaxen; och atomer ”faller” här på jorden. Men samma regel gäller för dem alla, så länge de är alla i fritt fall. Fantastiskt!

4:21 PM: här är en rolig uppenbarelse: sluta tänka på ett svart hål som kollapsat, krossat material, även om det kan vara hur det härrörde. Tänk istället på det som helt enkelt en region med tomt utrymme med starka gravitationsegenskaper. Faktum är att om allt du gjorde var att tilldela ”massa” till denna region av rymden, skulle det perfekt definiera ett Schwarzschild (icke-laddat, icke-roterande) svart hål.

4: 23 PM: Om du skulle falla i ett svart hål solens massa, skulle du ha ungefär en mikrosekund, från att korsa händelsehorisonten (enligt Janna) tills du krossades till döds vid singulariteten. Detta överensstämmer med vad jag en gång beräknade, var, för det svarta hålet i mitten av Vintergatan, skulle vi ha ungefär 10 sekunder. Eftersom Vintergatans svarta hål är 4 000 000 gånger så massivt som vår sol, fungerar matematiken!

4: 26 PM: hur skulle du upptäcka en gravitationsvåg? Ärligt talat, det skulle vara som att vara på ytan av havet; du skulle bob upp och ner längs ytan av rymden, och det fanns ett stort argument i samhället om huruvida dessa vågor var verkliga eller inte. Det var inte förrän Joe Weber kom och bestämde sig för att försöka mäta dessa gravitationella vågor, med hjälp av en fenomenal enhet-en aluminiumstång-som skulle vibrera om en krusande våg ”plockade” baren väldigt lite.

Weber såg många sådana signaler som han identifierade med gravitationsvågor, men dessa har tyvärr aldrig reproducerats eller verifierats. Han var, för all sin skicklighet, inte en mycket försiktig experimenterare.

4: 29 PM: Det finns en bra fråga från Jon Groubert på twitter: ”Jag har en fråga om något hon sa – Det finns något i ett svart hål, eller hur? Som en tung neutronstjärna.”Det borde finnas en singularitet, som antingen är punktliknande (för en icke-roterande singularitet) eller en endimensionell ring (för en roterande), men inte kondenserad, kollapsad, tredimensionell Materia.

varför inte?

För att förbli som en struktur måste en kraft sprida sig och överföras mellan partiklar. Men partiklar kan bara överföra krafter med ljusets hastighet. Men ingenting, inte ens ljus, kan röra sig ”utåt” mot utgången av ett svart hål; allt rör sig mot singulariteten. Och så kan ingenting hålla sig upp, och allt kollapsar i singulariteten. Tråkigt, men fysiken gör detta oundvikligt.

4:32 PM: efter Webers misslyckanden (och faller från berömmelse) kom tanken på LIGO med Rai Weiss på 1970-talet. det tog mer än 40 år för LIGO att komma till stånd (och över 1000 personer för att få det att hända), men det mest fantastiska var att det var experimentellt möjligt. Genom att göra två mycket långa hävarmar kunde du se effekten av en passande gravitationsvåg.

4: 34 PM: detta är min favoritvideo som illustrerar vad en gravitationsvåg gör. Det rör sig utrymme själv (och allt i det) fram och tillbaka med en liten mängd. Om du har en laserinterferometer inställd (som LIGO) kan den upptäcka dessa vibrationer. Men om du var tillräckligt nära och dina öron var känsliga nog, kunde du känna denna rörelse i trumhinnan!

4: 35 PM: Jag har några riktigt bra hörlurar, Perimeter, men tyvärr kan jag inte höra de olika gravitationsvågmodellsignalerna som Janna spelar!

4:38 PM: det är roligt att tro att detta är världens mest avancerade vakuum, inuti LIGO-detektorerna. Men fåglar, råttor, möss, etc., är alla där under, och de tuggar sig in i nästan vakuumkammaren som ljuset färdas genom. Men om vakuumet hade brutits (det har varit konstant sedan 1998) skulle experimentet ha varit över. I Louisiana sköt jägare på LIGO-tunnlarna. Det är skrämmande hur känslig och dyr den här utrustningen är, men ändå hur ömtålig allt är också.

4: 41 PM: Janna gör ett riktigt bra jobb som berättar den här historien på ett spännande men väldigt mänskligt sätt. Vi såg bara de sista få banorna i två kretsande svarta hål, drastiskt avtog i ovanstående film. De var bara några hundra kilometer från varandra, de sista fyra banorna tog 200 millisekund, och det är hela signalen som LIGO såg.

4:43 PM: om du har problem med att lyssna/höra händelserna i samtalet, lyssna på den här videon (ovan), både i naturlig tonhöjd och ökad tonhöjd. De mindre svarta hålen (ungefär 8 och 13 solmassor) från 26 December 2015 är både tystare och högre än de större (29 och 36 solmassor) från 14 September samma år.

4: 46 PM: bara en liten korrigering: Janna säger att detta var den mest kraftfulla händelsen som någonsin upptäckts sedan Big Bang. Och det är bara tekniskt sant, på grund av gränserna för vår upptäckt.

När vi får några svarta hålfusioner omvandlas ungefär 10% av massan av det minst massiva svarta hålet i ett fusionspar till ren energi via Einsteins E = mc2. 29 solmassor är mycket, men det kommer att finnas svarta hål på hundratals miljoner eller till och med miljarder solmassor som har gått samman. Och vi har bevis.

4:49 PM: detta är EGT 287, där ett 150 miljoner solmassa svart hål kretsar kring ett ~18 miljarder solmassa svart hål. Det tar 11 år för en fullständig bana att inträffa, och allmän relativitet förutspår en precession på 270 grader per bana här, jämfört med 43 bågsekunder per århundrade för Mercury.

4: 51 PM: Janna gjorde ett otroligt jobb som slutade i tid här; Jag har aldrig sett en timmes samtal slutar faktiskt efter 50 minuter vid en Perimeter offentlig föreläsning. Wow!

4:52 PM: vad skulle hända om jorden sugs upp i ett svart hål? (Q& en fråga från Max.) Även om Janna ger ett bra svar, skulle jag vilja påpeka att från en gravitationsvågsynpunkt skulle jorden strimlas ihop, och vi skulle få en ”utsmetad” vågsignal, det skulle vara en mycket bullrigare statisk-y-signal. När jorden blev sväljad skulle händelsehorisonten växa bara en liten bit, eftersom ytterligare tre miljoner av en solmassa ökade det svarta hålets radie med bara det lilla motsvarande beloppet.

4: 55 PM: vilket roligt samtal, en bra och snygg Q& en session och en fantastisk upplevelse totalt sett. Njut av det om och om igen, för videon av samtalet är nu inbäddad som en permalänk. Och tack för att du stämmer in!