Díky gravitačním vlnám je ve vesmíru zvuk
Slučující se černé díry jsou jednou z tříd objektů, které vytvářejí gravitační vlny určitých frekvencí… a amplitud. Díky detektorům, jako je LIGO, můžeme tyto zvuky při jejich vzniku „slyšet“.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Dlouho se říkalo, že ve vesmíru není žádný zvuk, a to je do jisté míry pravda. Běžný zvuk vyžaduje médium, kterým se šíří, a vzniká, když se částice stlačí a zrychlí, čímž vzniká cokoli od hlasitého „třesku“ v případě jediného impulsu až po konzistentní tón v případě opakujících se vzorců. Ve vesmíru, kde je částic tak málo, že všechny podobné signály zaniknou, utichnou i sluneční erupce, supernovy, splynutí černých děr a další vesmírné katastrofy dříve, než je vůbec uslyšíme. Existuje však ještě jeden typ stlačování a rozrušování, který ke svému šíření nepotřebuje nic jiného než samotnou strukturu vesmíru: gravitační vlny. Díky prvním pozitivním výsledkům detekce pomocí sondy LIGO slyšíme vesmír vůbec poprvé.
Dvě splývající černé díry. Výsledkem inspirace je spojení černých děr, zatímco… gravitační vlny odnášejí přebytečnou energii pryč. V důsledku toho dochází k narušení časoprostoru na pozadí.
SXS, projekt Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org)
Gravitační vlny byly něčím, co muselo existovat, aby naše teorie gravitace byla podle obecné relativity konzistentní. Na rozdíl od Newtonovy gravitace, kde by jakákoli dvě tělesa obíhající kolem sebe zůstala v této konfiguraci navždy, Einsteinova teorie předpovídala, že za dostatečně dlouhou dobu se gravitační dráhy rozpadnou. V případě něčeho takového, jako je Země obíhající kolem Slunce, byste se toho nikdy nedožili: trvalo by 10^150 let, než by se Země stočila po spirále do Slunce. Ale u extrémnějších systémů, jako jsou dvě neutronové hvězdy obíhající kolem sebe, bychom skutečně mohli pozorovat rozpad oběžných drah v průběhu času. Einsteinova teorie gravitace předpověděla, že v zájmu zachování energie musí být energie odváděna v podobě gravitačních vln.
Při vzájemném obíhání dvou neutronových hvězd předpovídá Einsteinova obecná teorie relativity rozpad oběžných drah… a emisi gravitačního záření. To první je již mnoho let velmi přesně pozorováno, o čemž svědčí to, jak se body a přímka (předpověď GR) velmi dobře shodují.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Tyto vlny jsou šíleně slabé a jejich účinky na objekty v časoprostoru jsou ohromně malé. Pokud však víte, jak jim naslouchat – stejně jako součástky rádia umí naslouchat těmto dlouhofrekvenčním světelným vlnám – můžete tyto signály detekovat a slyšet je stejně jako jakýkoli jiný zvuk. Svou amplitudou a frekvencí se nijak neliší od jakéhokoli jiného vlnění. Obecná relativita výslovně předpovídá, jak by tyto vlny měly znít, přičemž signály generující největší vlny je nejsnazší detekovat. Největší amplitudu mají všechny zvuky? Je to inspirační a slučovací „cvrkot“ dvou černých děr, které do sebe spirálovitě vstupují.
V září 2015, jen několik dní poté, co pokročilá sonda LIGO začala poprvé sbírat data, byl zaznamenán velký, neobvyklý signál. Všechny překvapil, protože by v pouhém krátkém, 200 milisekundovém záblesku nesl tolik energie, že by zastínil všechny hvězdy v pozorovatelném vesmíru dohromady. Přesto se ukázalo, že tento signál byl robustní a že energie z tohoto záblesku pocházela ze dvou černých děr – o hmotnostech 36 a 29 Sluncí -, které se spojily do jedné o hmotnosti 62 Sluncí. Ty chybějící tři sluneční hmotnosti? Byly přeměněny na čistou energii: gravitační vlny vlnící se ve struktuře vesmíru. To byla první událost, kterou kdy LIGO detekovalo.
Signál z LIGO první robustní detekce gravitačních vln. Průběh vln není jen… vizualizací; je reprezentativní pro to, co byste skutečně slyšeli, kdybyste se pořádně zaposlouchali.
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Nyní je to o více než rok později a LIGO je v současnosti ve druhém běhu. Nejenže byly detekovány další fúze černých děr s černými dírami, ale budoucnost astronomie gravitačních vln je jasná, protože nové detektory nám otevřou uši pro nové typy zvuků. Vesmírné interferometry, jako je LISA, budou mít delší základní linie a uslyší zvuky o nižších frekvencích: zvuky jako splynutí neutronových hvězd, hodující supermasivní černé díry a splynutí s velmi nerovnoměrnými hmotnostmi. Časovací soustavy pulsarů mohou měřit ještě nižší frekvence, například oběhy, které trvají roky, jako je dvojice supermasivních černých děr: OJ 287. A kombinace nových technik umožní hledat nejstarší gravitační vlny ze všech, reliktní vlny předpovězené kosmickou inflací, a to až na samém počátku našeho vesmíru.
Gravitační vlny generované kosmickou inflací jsou nejvzdálenějším signálem v čase, který si lidstvo může… představit jako potenciálně detekovatelný. Spolupráce, jako je BICEP2 a NANOgrav, to může v příštích desetiletích nepřímo dokázat.
National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, související) – financovaný program BICEP2; úpravy E. Siegel
Je toho tolik ke slyšení a my jsme teprve začali poprvé naslouchat. Naštěstí je astrofyzička Janna Levinová – autorka fantastické knihy Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space (Blues černých děr a jiné písně z vesmíru) – připravena přednést veřejnou přednášku v Perimeter Institute dnes večer, 3. května, v 19:00 východního času / 16:00 pacifického času, a bude zde živě přenášena a mnou v reálném čase živě blogována! Připojte se k nám, abychom se dozvěděli ještě více o tomto neuvěřitelném tématu, a já se nemohu dočkat, až si její přednášku poslechnu.
Živý blog začne několik minut před 16:00 v Pacifiku; připojte se k nám zde a sledujte nás!
Křivení časoprostoru, v obecném relativistickém obraze, gravitačními hmotami.
LIGO/T. Pyle
3:50 hod:
Do začátku pořadu zbývá deset minut a na oslavu vám přinášíme deset zábavných faktů (nebo tolik, kolik se jich sem vejde) o gravitaci a gravitačních vlnách.
1.) Namísto „působení na dálku“, kdy mezi hmotami působí neviditelná síla, obecná teorie relativity říká, že hmota a energie deformují strukturu prostoročasu a tento deformovaný prostoročas se projevuje jako gravitace.
2.) Místo aby se gravitace šířila nekonečnou rychlostí, šíří se pouze rychlostí světla.
3.) To je důležité, protože to znamená, že pokud dojde k jakýmkoli změnám polohy, konfigurace, pohybu atd. hmotného objektu, následné gravitační změny se šíří pouze rychlostí světla.
Počítačová simulace dvou splývajících černých děr vytvářejících gravitační vlny.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
3:54 PM: 4.) To znamená, že například gravitační vlny se mohou šířit pouze rychlostí světla. Když „detekujeme“ gravitační vlnu, detekujeme signál z okamžiku, kdy se tato konfigurace hmoty změnila.
5.) První signál detekovaný zařízením LIGO se objevil ve vzdálenosti přibližně 1,3 miliardy světelných let. Vesmír byl v době tohoto splynutí asi o 10 % mladší než dnes.
Vlnění v časoprostoru jsou právě gravitační vlny.
Evropská gravitační observatoř, Lionel BRET/EUROLIOS
6.) Kdyby se gravitace šířila nekonečnou rychlostí, dráhy planet by byly zcela nestabilní. Skutečnost, že se planety pohybují po elipsách kolem Slunce, nařizuje, že pokud je obecná relativita správná, musí se rychlost gravitace rovnat rychlosti světla s přesností přibližně 1 %.
3:57 PM: 7.) Existuje mnohem, mnohem více signálů gravitačních vln, než kolik jich zatím zaznamenala sonda LIGO; my jsme detekovali pouze ten nejsnadněji detekovatelný signál.
8.) To, co dělá signál „snadno“ pozorovatelným, je kombinace jeho amplitudy, tedy toho, jak moc dokáže deformovat délku dráhy nebo vzdálenost v prostoru, a také jeho frekvence.
Zjednodušená ilustrace systému laserového interferometru LIGO.
Spolupráce LIGO
9.) Protože ramena LIGO jsou dlouhá pouze 4 kilometry a zrcadla odrážejí světlo tisíckrát (ale ne vícekrát), znamená to, že LIGO může detekovat pouze frekvence 1 Hz nebo rychlejší.
Na začátku tohoto roku LIGO oznámilo historicky první přímou detekci gravitačních vln. Tím, že… vybudujeme observatoř gravitačních vln ve vesmíru, možná dosáhneme citlivosti potřebné k detekci záměrného signálu mimozemšťanů.
ESA / NASA a spolupráce na projektu LISA
10). Pro pomalejší signály potřebujeme delší páková ramena a větší citlivost, a to bude znamenat cestu do vesmíru. To je budoucnost astronomie gravitačních vln!
4:01 hod: Dokázali jsme to! Je čas začít a představit Jannu Levinovou! (Vyslovujte „JAN-na“, nikoliv „YON-na“, pokud by vás to zajímalo.)
Inspirace a splynutí prvního páru černých děr, který byl kdy přímo pozorován.
B. P. Abbott a kol. (LIGO Scientific Collaboration a Virgo Collaboration)
4:05:00 hod: Zde je velké oznámení/záběr: první přímý záznam první gravitační vlny. Trvalo to 100 let od chvíle, kdy Einstein poprvé předložil obecnou teorii relativity, a ona nahrávka hraje! Určitě si ji běžte poslechnout! Co to vlastně znamená „slyšet“ zvuk ve vesmíru a proč je to zvuk? To je podle ní cílem její přednášky.
Galaxie Maffei 1 a Maffei 2 v rovině Mléčné dráhy můžeme odhalit pouze tak, že je uvidíme… skrze prach Mléčné dráhy. Přestože patří k nejbližším velkým galaxiím vůbec, byly objeveny až v polovině 20. století.
Mise WISE; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 hod: Pokud se zamyslíte nad tím, co všechno se ve vesmíru nachází, v době Galilea jsme o ničem z toho nemohli vědět. Přemýšleli jsme o slunečních skvrnách, Saturnu atd. a vůbec jsme si nedokázali představit velká vesmírná měřítka nebo vzdálenosti. Zapomeňte na „představu jiných galaxií“, nic z toho nás nenapadlo!
4:10 hod: Janna promítá jedno z mých oblíbených videí (které uznávám) ze Sloan Digital Sky Survey! Provedli průzkum 400 000 nejbližších galaxií a zmapovali je ve třech rozměrech. Takto vypadá náš (blízký) vesmír, a jak vidíte, je to opravdu převážně prázdný prostor!
(Moderní) Morganův-Keenanův systém spektrální klasifikace, nad nímž je zobrazen teplotní rozsah každé hvězdy… třídy v kelvinech.
Uživatel Wikimedia Commons LucasVB, doplňky E. Siegel
4:12 PM: Uvádí opravdu skvělou věc, kterou zcela pomíjí: jen asi 1 z 1000 hvězd se někdy stane černou dírou. V okruhu 30 světelných let od nás je přes 400 hvězd a nula z nich jsou hvězdy typu O nebo B a nula z nich se stala černou dírou. Tyto nejmodřejší, nejhmotnější a nejkratší dobu života žijící hvězdy jsou jediné, které vyrostou v černé díry.
Shodné chování míče padajícího na zem ve zrychlené raketě (vlevo) a na Zemi…. (vpravo) je ukázkou Einsteinova principu ekvivalence.
Uživatel Wikimedia Commons Markus Poessel, retušoval Pbroks13
4:15 hod: Když se zamyslíte nad tím, „odkud se vzala Einsteinova teorie“, Janna má skvělý postřeh: myšlenku principu ekvivalence. Pokud máte gravitaci, můžete uvažovat například o tom, že se na židli cítíte „těžcí“. Ale tato reakce, kterou máte, je přesně stejná reakce, jakou byste cítili, kdybyste zrychlovali, a ne gravitovali. Není to gravitace, co cítíte, jsou to účinky hmoty kolem vás!“
4:17 PM: Kapela OKGO natočila video, ve kterém létá ve zvratkové kometě. Janna ho z důvodu autorských práv nemůže ukázat celý i se zvukem a vřele ho doporučuje. Naštěstí pro vás, díky internetu… tady je! Vychutnejte si ho ve volném čase!
Procestovat jednou kolem oběžné dráhy Země po dráze kolem Slunce znamená urazit 940 milionů kilometrů.
Larry McNish v centru RASC v Calgary
16:19: Pro gravitaci je tu další obrovské odhalení: způsob, jakým chápeme, jak věci fungují, vychází ze sledování toho, jak věci padají. Měsíc „padá“ kolem Země; Newton si to uvědomil. Ale Země padá kolem Slunce; Slunce „padá“ kolem galaxie; a atomy „padají“ zde na Zemi. Ale pro všechny platí stejné pravidlo, pokud jsou všechny ve volném pádu. Úžasné!“
Černé díry jsou něco, s čím se vesmír nenarodil, ale co časem získal. Ony… nyní dominují entropii vesmíru.
Ute Kraus, fyzikální vzdělávací skupina Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (v pozadí)
4:21 hod: Tady je zábavné odhalení: Přestaňte uvažovat o černé díře jako o zhroucené, rozdrcené hmotě, i když tak možná vznikla. Místo toho o ní přemýšlejte jako o prosté oblasti prázdného prostoru se silnými gravitačními vlastnostmi. Ve skutečnosti, pokud byste této oblasti prostoru pouze přiřadili „hmotnost“, dokonale byste tím definovali Schwarzschildovu (nenabitou, nerotující) černou díru.
Supermasivní černá díra (Sgr A*) v centru naší galaxie je zahalena do prachového, plynného… prostředí. Rentgenová a infračervená pozorování ji mohou částečně prohlédnout, ale rádiové vlny ji možná konečně dokážou rozlišit přímo.
Rentgenová observatoř NASA Chandra
4:23 hod: Kdybyste spadli do černé díry o hmotnosti Slunce, od překročení horizontu událostí (podle Janny) do rozdrcení v singularitě by vám zbývala asi mikrosekunda. To odpovídá tomu, co jsem kdysi spočítal, že pro černou díru ve středu Mléčné dráhy bychom měli asi 10 sekund. Vzhledem k tomu, že černá díra Mléčné dráhy je 4 000 000krát hmotnější než naše Slunce, matematika tak nějak vychází!
Joseph Weber se svým detektorem gravitačních vln v rané fázi vývoje, známým jako Weberova tyč.
Speciální sbírky a univerzitní archivy, knihovny University of Maryland
16:26 hod: Jak byste detekovali gravitační vlny? Upřímně řečeno, bylo by to jako být na hladině oceánu; kýval byste se nahoru a dolů po povrchu vesmíru a v komunitě se vedl velký spor o to, zda jsou tyto vlny skutečné, nebo ne. Až Joe Weber se rozhodl, že se pokusí tyto gravitační vlny změřit pomocí fenomenálního zařízení – hliníkové tyče – která vibrovala, pokud vlnění velmi mírně „škublo“ tyčí.
Weber zaznamenal mnoho takových signálů, které ztotožnil s gravitačními vlnami, ale ty se bohužel nikdy nepodařilo reprodukovat ani ověřit. Při vší své chytrosti nebyl příliš pečlivým experimentátorem.
4:29 hod: Na twitteru se objevila dobrá otázka od Jona Grouberta: „Mám dotaz ohledně něčeho, co řekla – uvnitř černé díry něco je, nebo ne? Něco jako těžká neutronová hvězda.“ Měla by tam být singularita, která je buď bodová (u nerotující singularity), nebo jednorozměrný prstenec (u rotující), ale ne kondenzovaná, zhroucená, trojrozměrná hmota
Proč ne?
Protože aby zůstala jako struktura, musí se šířit síla a přenášet se mezi částicemi. Částice však mohou přenášet síly pouze rychlostí světla. Nic, ani světlo, se však nemůže pohybovat „ven“ směrem k východu z černé díry; vše se pohybuje směrem k singularitě. A tak se nic nemůže udržet a vše se zhroutí do singularity. Je to smutné, ale podle fyziky je to nevyhnutelné.
Zleva doprava: dva detektory LIGO (v Hanfordu a Livingstonu, USA) a detektor Virgo…. (Cascina, Itálie).
© LIGO Laboratory (první dva snímky) a Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 hod: Po Weberových neúspěších (a pádu ze slávy) přišel v 70. letech 20. století s myšlenkou LIGO Rai Weiss. Trvalo více než 40 let, než se LIGO podařilo uskutečnit (a než se o to zasloužilo více než 1 000 lidí), ale nejfantastičtější na tom bylo, že to bylo experimentálně možné. Vytvořením dvou velmi dlouhých pákových ramen bylo možné pozorovat účinek procházející gravitační vlny.
4:34 hod: Toto je mé oblíbené video ilustrující, co dělá gravitační vlna. Pohybuje samotným prostorem (a vším v něm) tam a zpět o nepatrné množství. Pokud máte nastavený laserový interferometr (jako je LIGO), může tyto vibrace detekovat. Pokud byste však byli dostatečně blízko a vaše uši byly dostatečně citlivé, mohli byste tento pohyb cítit v ušním bubínku!
4:35 hod: Mám opravdu dobrá sluchátka, Perimeter, ale bohužel neslyším různé signály modelu gravitačních vln, které přehrává Janna!
Hanfordská observatoř LIGO pro detekci gravitačních vln ve státě Washington, USA.
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
4:38 PM: Je úsměvné, že uvnitř detektorů LIGO se nachází nejmodernější vakuum na světě. Přesto jsou pod nimi ptáci, krysy, myši atd. a prokousávají si cestu téměř do vakuové komory, kterou světlo prochází. Kdyby však bylo vakuum porušeno (od roku 1998 je konstantní), experiment by skončil. V Louisianě stříleli do tunelů LIGO lovci. Je děsivé, jak je toto zařízení citlivé a drahé, ale zároveň jak je to všechno křehké.
16:41: Janna odvádí opravdu skvělou práci při vyprávění tohoto příběhu napínavým, ale velmi lidským způsobem. Ve výše uvedeném filmu jsme viděli pouze několik posledních obletů dvou obíhajících černých děr, drasticky zpomalených. Byly od sebe vzdáleny jen několik set kilometrů, tyto poslední čtyři oběhy trvaly 200 milisekund, a to je celý signál, který LIGO vidělo.
4:43 PM: Pokud máte problémy s poslechem/slyšením událostí v přednášce, poslechněte si toto video (výše), a to jak v přirozeném, tak ve zvýšeném tónu. Menší černé díry (o hmotnosti zhruba 8 a 13 hmotností Slunce) z 26. prosince 2015 jsou tišší i s vyššími tóny než větší (o hmotnosti 29 a 36 hmotností Slunce) ze 14. září téhož roku.
4:46 PM: Jen malá oprava: Janna říká, že se jednalo o nejsilnější událost, jaká kdy byla detekována od velkého třesku. A to je pravda pouze technicky, vzhledem k limitům naší detekce.
Při jakémkoli splynutí černých děr se přibližně 10 % hmotnosti nejméně hmotné černé díry ve splynuvším páru přemění na čistou energii prostřednictvím Einsteinova vztahu E = mc2. 29 hmotností Slunce je hodně, ale budou existovat černé díry o stovkách milionů nebo dokonce miliardách hmotností Slunce, které se spojily. A my máme důkaz.
Nejhmotnější binární signál černé díry, jaký byl kdy pozorován: OJ 287.
S. Zola & NASA/JPL
4:49 hod: Toto je OJ 287, kde černá díra o hmotnosti 150 milionů Sluncí obíhá kolem černé díry o hmotnosti ~18 miliard Sluncí. Kompletní oběh trvá 11 let a obecná relativita zde předpovídá precesi 270 stupňů na jeden oběh, zatímco u Merkuru je to 43 obloukových sekund za století.
4:51 PM: Ještě nikdy jsem neviděl, že by hodinová přednáška na veřejné přednášce Perimetru skončila po 50 minutách. Wow!
Země při pohledu na kompozici satelitních snímků NASA z vesmíru z počátku roku 2000.
NASA / Blue Marble Project
4:52 PM: Co by se stalo, kdyby byla Země vcucnuta do černé díry? (Q&Otázka od Maxe.) Ačkoli Janna dává skvělou odpověď, rád bych upozornil, že z hlediska gravitačních vln by byla Země roztříštěna na kusy a dostali bychom „rozmazaný“ vlnový signál, který by byl mnohem hlučnější, statický. Jakmile by byla Země pohlcena, horizont událostí by se jen nepatrně zvětšil, protože další tři miliontiny sluneční hmotnosti by zvětšily poloměr černé díry právě o toto nepatrné, odpovídající množství.
4:55 PM: To byla zábavná přednáška, skvělé a pohotové Q&A sezení a celkově skvělý zážitek. Užijte si ji znovu a znovu, protože video z přednášky je nyní vloženo jako permalink. A děkujeme, že jste nás naladili!