A gravitációs hullámoknak köszönhetően van hang az űrben
A fekete lyukak összeolvadása az objektumok egyik olyan osztálya, amely bizonyos frekvenciájú… és amplitúdójú gravitációs hullámokat hoz létre. Az olyan detektoroknak köszönhetően, mint a LIGO, “hallhatjuk” ezeket a hangokat, amint keletkeznek.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Régóta mondják, hogy az űrben nincs hang, és ez igaz is, egy bizonyos pontig. A hagyományos hang terjedéséhez egy közegre van szükség, és akkor keletkezik, amikor a részecskék összenyomódnak és felgyorsulnak, ami az egyszeri impulzus hangos “bumm”-tól kezdve az ismétlődő minták egyenletes hangjáig bármit létrehozhat. Az űrben, ahol olyan kevés részecske van, hogy az ilyen jelek elhalnak, még a napkitörések, szupernóvák, fekete lyukak összeolvadása és más kozmikus katasztrófák is elhallgatnak, mielőtt valaha is hallani lehetne őket. De van a tömörülésnek és a ritkulásnak egy másik fajtája is, amelyhez nincs szükség másra, mint magára a tér szövetére: a gravitációs hullámokra. A LIGO első pozitív észlelési eredményeinek köszönhetően most először halljuk az Univerzumot.
Két összeolvadó fekete lyuk. Az inspiráció eredményeként a fekete lyukak összeérnek, miközben… a gravitációs hullámok elszállítják a felesleges energiát. A háttér-téridő ennek következtében eltorzul.
SXS, a Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) projekt (http://www.black-holes.org)
A gravitációs hullámoknak az általános relativitáselmélet szerint létezniük kellett ahhoz, hogy a gravitációs elméletünk konzisztens legyen. Ellentétben a newtoni gravitációval, ahol bármely két, egymás körül keringő tömeg örökké ebben a konfigurációban marad, Einstein elmélete azt jósolta, hogy elég hosszú idő alatt a gravitációs pályák szétesnek. Egy olyan dolog esetében, mint a Nap körül keringő Föld, ezt soha nem élnénk meg: 10^150 évbe telne, amíg a Föld belecsavarodna a Napba. De szélsőségesebb rendszerek esetében, mint például két egymás körül keringő neutroncsillag, valóban láthatnánk a pályák idővel történő bomlását. Az energia megőrzése érdekében Einstein gravitációs elmélete megjósolta, hogy az energiát gravitációs hullámok formájában el kell vinni.
Amint két neutroncsillag kering egymás körül, Einstein általános relativitáselmélete megjósolja a keringési… bomlást és a gravitációs sugárzás kibocsátását. Az előbbit már évek óta nagyon pontosan megfigyelték, amit az is bizonyít, hogy a pontok és az egyenes (GR-előrejelzés) mennyire jól egyeznek.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Ezek a hullámok őrjítően gyengék, és a téridőben lévő objektumokra gyakorolt hatásuk elképesztően apró. De ha tudod, hogyan kell figyelni rájuk – ahogyan a rádió alkatrészei is tudják, hogyan kell figyelni ezeket a hosszú frekvenciájú fényhullámokat -, akkor ezeket a jeleket érzékelheted, és ugyanúgy hallhatod őket, mint bármely más hangot. Amplitúdóval és frekvenciával nem különböznek más hullámoktól. Az általános relativitáselmélet kifejezetten megjósolja, hogy ezeknek a hullámoknak hogyan kell hangzaniuk, és a legnagyobb hullámokat keltő jeleket a legkönnyebb észlelni. A legnagyobb amplitúdójú hangok mind? Ez két egymásba spirálozó fekete lyuk inspirációs és összeolvadó “ciripelése”.
2015 szeptemberében, alig néhány nappal azután, hogy a fejlett LIGO először kezdett el adatokat gyűjteni, egy nagy, szokatlan jelet észleltek. Mindenkit meglepett, mert annyi energiát hordozott volna mindössze egy rövid, 200 milliszekundumos kitörésben, hogy az a megfigyelhető Univerzum összes csillagát felülmúlta volna együttvéve. A jel mégis robusztusnak bizonyult, és a kitörés energiája két – 36 és 29 naptömegű – fekete lyukból származott, amelyek egyetlen 62 naptömegű fekete lyukká olvadtak össze. A hiányzó három naptömeg? Tiszta energiává alakultak át: gravitációs hullámokká, amelyek végigfodrozódtak a tér szövetén. Ez volt az első esemény, amelyet a LIGO valaha is észlelt.
A LIGO jele a gravitációs hullámok első robusztus észleléséről. A hullámforma nem csak… egy vizualizáció; reprezentálja azt, amit valójában hallanánk, ha megfelelően figyelnénk.
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)
Most, több mint egy évvel később, a LIGO jelenleg a második futásánál tart. Nemcsak más fekete lyuk-fekete lyuk egyesüléseket észleltek, hanem a gravitációs hullámok csillagászatának jövője is fényes, hiszen az új detektorok újfajta hangokra nyitják meg a fülünket. Az űrinterferométerek, mint például a LISA, hosszabb alapvonallal rendelkeznek majd, és alacsonyabb frekvenciájú hangokat fognak hallani: olyan hangokat, mint a neutroncsillagok összeolvadásai, a lakmározó szupermasszív fekete lyukak és a nagyon egyenlőtlen tömegű összeolvadások. A pulzárok időmérő tömbjei még alacsonyabb frekvenciájú hangokat is mérhetnek, például olyan pályákat, amelyek évekig tartanak, mint a szupermasszív fekete lyukak párja: OJ 287. Az új technikák kombinációi pedig a legrégebbi gravitációs hullámokat fogják keresni, a kozmikus infláció által megjósolt reliktumhullámokat, egészen az Univerzumunk kezdetéig visszamenőleg.
A kozmikus infláció által generált gravitációs hullámok a legtávolabbi jelek, amelyeket az emberiség… el tud képzelni a lehetséges észlelésre. Az olyan együttműködések, mint a BICEP2 és a NANOgrav közvetve ezt megtehetik a következő évtizedekben.
Nemzeti Tudományos Alapítvány (NASA, JPL, Keck Alapítvány, Moore Alapítvány, kapcsolódó) – Támogatott BICEP2 program; E. Siegel módosításai
Még annyi mindent hallhatunk, és még csak most kezdtük el először hallgatni. Szerencsére Janna Levin asztrofizikus – a Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space című fantasztikus könyv szerzője – nyilvános előadást tart a Perimeter Institute-ban ma este, május 3-án, 19 órakor (keleti idő szerint este 7 órakor / csendes-óceáni idő szerint 4 órakor), amit itt élőben közvetítünk és élőben blogolok, valós időben! Csatlakozzanak hozzánk, hogy még többet megtudjanak erről a hihetetlen témáról, és már alig várom, hogy halljam az előadását.
Az élő blog néhány perccel 16:00 óra előtt kezdődik, csatlakozzanak hozzánk itt, és kövessék figyelemmel!
A téridő görbülése az általános relativisztikus képben a gravitációs tömegek által.
LIGO/T. Pyle
15:50: Tíz perc múlva kezdődik a műsor, és ennek örömére íme tíz szórakoztató tény (vagy annyi, amennyi csak belefér) a gravitációról és a gravitációs hullámokról.
1.) A “távolsági hatás” helyett, ahol egy láthatatlan erő hat a tömegek között, az általános relativitáselmélet szerint az anyag és az energia eltorzítja a téridő szövetét, és ez az eltorzult téridő az, ami gravitációként nyilvánul meg.
2.) A gravitáció ahelyett, hogy végtelen sebességgel terjedne, csak a fénysebességgel terjed.
3.) Ez azért fontos, mert ez azt jelenti, hogy ha egy masszív objektum helyzetében, konfigurációjában, mozgásában stb. bármilyen változás történik, az ebből következő gravitációs változások csak a fény sebességével terjednek.
Computeres szimuláció két összeolvadó fekete lyukról, amelyek gravitációs hullámokat keltenek.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
15:54: 4.) Ez azt jelenti, hogy például a gravitációs hullámok csak fénysebességgel terjedhetnek. Amikor “észlelünk” egy gravitációs hullámot, akkor azt a jelet érzékeljük, amikor ez a tömegkonfiguráció megváltozott.
5.) A LIGO által észlelt első jel körülbelül 1,3 milliárd fényév távolságban keletkezett. Az Univerzum körülbelül 10%-kal volt fiatalabb, mint ma, amikor ez az összeolvadás megtörtént.
A téridő hullámok a gravitációs hullámok.
Európai Gravitációs Obszervatórium, Lionel BRET/EUROLIOS
6). Ha a gravitáció végtelen sebességgel terjedne, a bolygópályák teljesen instabilak lennének. Az a tény, hogy a bolygók ellipszisben mozognak a Nap körül, azt parancsolja, hogy ha az általános relativitáselmélet helyes, akkor a gravitáció sebességének körülbelül 1%-os pontossággal meg kell egyeznie a fénysebességgel.
3:57 PM: 7.) Sokkal, de sokkal több gravitációs hullámjel létezik, mint amit a LIGO eddig látott; mi csak a legkönnyebben detektálható jelet észleltük.
8.) Ami egy jelet “könnyen” észlelhetővé tesz, az az amplitúdójának, vagyis annak, hogy mennyire képes deformálni egy úthosszat, vagyis egy térbeli távolságot, valamint a frekvenciájának a kombinációja.
A LIGO lézer-interferométer rendszerének egyszerűsített ábrája.
LIGO együttműködés
9.) Mivel a LIGO karjai mindössze 4 kilométer hosszúak, és a tükrök több ezerszer (de nem többször) verik vissza a fényt, ez azt jelenti, hogy a LIGO csak 1 Hz-es vagy annál gyorsabb frekvenciákat tud érzékelni.
Az év elején a LIGO bejelentette a gravitációs hullámok első közvetlen észlelését. Azzal, hogy… gravitációs hullámobszervatóriumot építünk az űrben, talán elérhetjük a szándékos idegen jelek észleléséhez szükséges érzékenységet.
ESA / NASA és a LISA együttműködés
10.) A lassabb jelekhez hosszabb karokra és nagyobb érzékenységre van szükségünk, és ehhez az űrbe kell mennünk. Ez a gravitációs hullámcsillagászat jövője!
4:01 PM: Megcsináltuk! Ideje kezdeni és bemutatni Janna Levint! (ejtsd “JAN-na”, nem “YON-na”, ha kíváncsiak lennétek.)
A valaha közvetlenül megfigyelt első fekete lyukpár inspirációja és összeolvadása.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
4:05 PM: Itt a nagy bejelentés/lövés: az első gravitációs hullám első közvetlen rögzítése. Ez 100 évvel azután történt, hogy Einstein először állította fel az általános relativitáselméletet, és most lejátszik egy felvételt! Mindenképpen menjetek és hallgassátok meg! Mit jelent mégis mit jelent “hallani” egy hangot az űrben, és miért ez a hang? Ez a célja, mondja, az előadásának.
A Maffei 1 és Maffei 2 galaxisok a Tejútrendszer síkjában csak úgy fedezhetők fel, ha látunk… a Tejútrendszer porán keresztül. Annak ellenére, hogy a legközelebbi nagy galaxisok közé tartoznak, csak a 20. század közepén fedezték fel őket.
WISE misszió; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: Ha belegondolunk, hogy mi minden van odakint az Univerzumban, akkor Galilei idejében még nem tudhattunk semmit. Napfoltokra, Szaturnuszra stb. gondoltunk, és teljesen képtelenek voltunk elképzelni a nagy kozmikus léptékeket vagy távolságokat. Felejtsük el a “más galaxisok elképzelését”, minderről semmit sem tudtunk elképzelni!
4:10 PM: Janna megmutatja az egyik kedvenc videómat (amit felismerek) a Sloan Digital Sky Survey-ről! Felmérték a 400 000 legközelebbi galaxist, és három dimenzióban feltérképezték őket. Így néz ki a mi (közeli) Univerzumunk, és mint látható, tényleg nagyrészt üres tér!
A (modern) Morgan-Keenan spektrális osztályozási rendszer, felette az egyes csillag… osztályok hőmérsékleti tartománya látható, kelvinben.
Wikimedia Commons felhasználó LucasVB, kiegészítések: E. Siegel
4:12 PM: Egy igazán nagyszerű dolgot mond, amit teljesen elhallgat: csak kb. 1 az 1000-ből 1 csillagból lesz valaha is fekete lyuk. Több mint 400 csillag van tőlünk 30 fényévnyi távolságban, és ezek közül nulla O vagy B csillag, és ezek közül nulla vált fekete lyukká. Ezek a legkékebb, legnagyobb tömegű és legrövidebb életű csillagok az egyetlenek, amelyek fekete lyukká fognak nőni.
A gyorsított rakétában (balra) és a Földön a földre eső labda azonos viselkedése… (jobbra) az Einstein-féle ekvivalenciaelv demonstrációja.
Wikimedia Commons felhasználó Markus Poessel, retusálta Pbroks13
4:15 PM: Amikor azon gondolkodunk, hogy “honnan jött Einstein elmélete”, Janna egy nagyszerű érvet hoz fel: az ekvivalenciaelv gondolatát. Ha van gravitáció, akkor például úgy gondolhatod, hogy “nehéznek” érzed magad a székedben. De ez a reakció, amit érzel, pontosan ugyanaz a reakció, amit akkor éreznél, ha gyorsulnál, nem pedig gravitálnál. Nem a gravitációt érzed, hanem a körülötted lévő anyag hatását!
4:17 PM: Az OKGO zenekar készített egy videót, amiben a hányt üstökösben repül. Janna szerzői jogi okokból nem tudja megmutatni az egészet, hanggal együtt, és nagyon ajánlja. Szerencsédre, hála az internetnek… itt van! Élvezzétek nyugodtan!
Egyszer megkerülni a Föld pályáját a Nap körüli pályán 940 millió kilométert jelent.
Larry McNish a RASC Calgary Centre-ben
4:19 PM: Van egy másik hatalmas felfedezés a gravitációval kapcsolatban: a dolgok működésének megértéséhez az kell, hogy figyeljük, hogyan esnek le a dolgok. A Hold “esik” a Föld körül; Newton rájött erre. De a Föld esik a Nap körül; a Nap “esik” a galaxis körül; és az atomok “esnek” itt a Földön. De mindre ugyanaz a szabály vonatkozik, amíg mind szabadon esnek. Elképesztő!
A fekete lyukak olyasvalami, amivel az Univerzum nem született, hanem az idők során szerezte meg. Ezek… most már uralják az Univerzum entrópiáját.”
Ute Kraus, Kraus fizika oktatási csoport, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (háttér)
16:21: Itt egy vicces felfedezés: ne gondoljunk a fekete lyukra úgy, mint összeomlott, összezúzott anyagra, még akkor sem, ha talán így keletkezett. Ehelyett gondoljunk rá úgy, mint egyszerűen egy üres tér régiójára, amely erős gravitációs tulajdonságokkal rendelkezik. Valójában, ha csak annyit tennénk, hogy “tömeget” rendelnénk ehhez a térrészhez, az tökéletesen definiálná a Schwarzschild-féle (nem töltött, nem forgó) fekete lyukat.
A galaxisunk központjában lévő szupermasszív fekete lyuk (Sgr A*) poros, gáznemű… környezetbe burkolózik. A röntgen- és infravörös megfigyelések részben átlátnak rajta, de a rádióhullámok talán végre közvetlenül is képesek lesznek felbontani.
A NASA Chandra Röntgenobszervatóriuma
4:23 PM: Ha beleesnél egy Nap tömegű fekete lyukba, körülbelül egy mikroszekundumod lenne az eseményhorizont átlépésétől (Janna szerint) addig, amíg a szingularitásban halálra zúzódsz. Ez összhangban van azzal, amit egyszer kiszámoltam, ahol a Tejútrendszer középpontjában lévő fekete lyuk esetében kb. 10 másodpercünk lenne. Mivel a Tejútrendszer fekete lyuka 4 000 000-szer nagyobb tömegű, mint a mi Napunk, a matematika valahogy bejön!
Joseph Weber a korai fázisú gravitációs hullámdetektorával, az úgynevezett Weber-bárral.
Special collections and university archives, University of Maryland libraries
4:26 PM: Hogyan detektálnád a gravitációs hullámot? Őszintén szólva olyan lenne, mintha az óceán felszínén lennél; fel-le billegnél a tér felszínén, és nagy vita volt a közösségben arról, hogy ezek a hullámok valódiak-e vagy sem. Egészen addig, amíg Joe Weber meg nem jelent, és el nem határozta, hogy megpróbálja megmérni ezeket a gravitációs hullámokat, egy fenomenális eszközzel – egy alumíniumrúddal -, amely rezegni kezdett, ha egy fodrozódó hullám nagyon enyhén “megrántotta” a rudat.
Weber sok ilyen jelet látott, amelyeket a gravitációs hullámokkal azonosított, de ezeket sajnos soha nem sikerült reprodukálni vagy ellenőrizni. Minden okossága ellenére nem volt túl gondos kísérletező.
4:29 PM: Jon Groubert egy jó kérdést tett fel a Twitteren: “Lenne egy kérdésem valamivel kapcsolatban, amit mondott – van valami a fekete lyuk belsejében, ugye? Mint egy nehéz neutroncsillag.” Kell lennie egy szingularitásnak, ami vagy pontszerű (nem forgó szingularitás esetén), vagy egy egydimenziós gyűrű (forgó szingularitás esetén), de nem lehet sűrített, összeomlott, háromdimenziós anyag.
Miért nem?
Mert ahhoz, hogy struktúraként megmaradjon, erőnek kell terjednie és átadódnia a részecskék között. A részecskék azonban csak fénysebességgel képesek erőátvitelre. De semmi, még a fény sem tud “kifelé” mozogni egy fekete lyuk kijárata felé; minden a szingularitás felé mozog. Így aztán semmi sem tudja tartani magát, és minden beleomlik a szingularitásba. Szomorú, de a fizika ezt elkerülhetetlenné teszi.
Baltól jobbra: a két LIGO detektor (Hanfordban és Livingstonban, USA) és a Virgo detektor… (Cascina, Olaszország).
© LIGO Laboratory (első két kép) és Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: Weber kudarcai (és a hírnévből való kiesése) után a LIGO ötletét Rai Weiss vetette fel az 1970-es években. Több mint 40 évbe telt, mire a LIGO megvalósult (és több mint 1000 ember kellett hozzá), de a legfantasztikusabb dolog az volt, hogy kísérletileg lehetséges volt. Két nagyon hosszú kar elkészítésével lehetett látni az áthaladó gravitációs hullám hatását.
4:34 PM: Ez a kedvenc videóm, amely illusztrálja, hogy mit csinál egy gravitációs hullám. Magát a teret (és benne mindent) mozgatja előre-hátra egy parányi mértékben. Ha van egy lézer-interferométer (mint a LIGO), akkor az képes érzékelni ezeket a rezgéseket. De ha elég közel lennél és a füled elég érzékeny lenne, akkor a dobhártyádban is éreznéd ezt a mozgást!
4:35 PM: Nagyon jó fejhallgatóm van, Perimeter, de sajnos nem hallom a különböző gravitációs hullámmodell jeleit, amiket Janna lejátszik!
A LIGO Hanford Obszervatórium a gravitációs hullámok észlelésére Washington államban, az USA-ban.
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
4:38 PM: Vicces belegondolni, hogy ez a világ legfejlettebb vákuuma, a LIGO detektorok belsejében. Mégis madarak, patkányok, egerek, stb. vannak alatta, és szinte a vákuumkamrába rágják magukat, amin a fény áthalad. De ha a vákuum megszakadt volna (1998 óta állandó), a kísérletnek vége lett volna. Louisianában vadászok lőttek a LIGO alagútjaira. Elborzasztó, hogy milyen érzékeny és drága ez a berendezés, ugyanakkor milyen törékeny is az egész.
4:41 PM: Janna igazán nagyszerűen meséli el ezt a történetet izgalmas, de nagyon emberi módon. A fenti filmben csak két keringő fekete lyuk utolsó néhány pályáját láthattuk, drasztikusan lelassítva. Csak néhány száz kilométerre voltak egymástól, ez a négy utolsó keringés 200 ezredmásodpercig tartott, és ez a teljes jel, amit a LIGO látott.
4:43 PM: Ha nehezen hallod/hallod az előadásban elhangzottakat, hallgasd meg ezt a videót (fent), természetes hangmagasságban és emelt hangmagasságban is. A 2015. december 26-i kisebb fekete lyukak (nagyjából 8 és 13 naptömegűek) mind halkabbak, mind magasabb hangmagasságúak, mint az ugyanezen év szeptember 14-i nagyobbak (29 és 36 naptömegűek).
4:46 PM: Csak egy kis korrekció: Janna szerint ez volt az ősrobbanás óta valaha észlelt legerősebb esemény. És ez csak technikailag igaz, az észlelésünk korlátai miatt.
Minden fekete lyuk összeolvadásakor az egyesülő párban lévő legkisebb tömegű fekete lyuk tömegének kb. 10%-a alakul át tiszta energiává Einstein E = mc2-je révén. 29 naptömeg sok, de lesznek több százmillió vagy akár milliárd naptömegű fekete lyukak, amelyek összeolvadtak. És erre bizonyítékunk is van.
A valaha látott legnagyobb tömegű fekete lyuk kettős jele: OJ 287.
S. Zola & NASA/JPL
16:49: Ez az OJ 287, ahol egy 150 millió naptömegű fekete lyuk kering egy ~18 milliárd naptömegű fekete lyuk körül. Egy teljes keringés 11 évig tart, és az általános relativitáselmélet itt 270 fokos precessziót jósol keringésenként, szemben a Merkúr évszázadonkénti 43 ívmásodpercével.
4:51 PM: Janna hihetetlenül jól csinálta, hogy időben befejezte az előadást; még soha nem láttam, hogy egy egyórás előadás 50 perc után véget érjen egy Perimeter nyilvános előadáson. Wow!
A Föld a NASA műholdképek kompozitja alapján a 2000-es évek elején az űrből.
NASA / Blue Marble Project
4:52 PM: Mi történne, ha a Földet beszippantaná egy fekete lyuk? (Q&Max kérdése.) Bár Janna remek választ ad, szeretném felhívni a figyelmet arra, hogy gravitációs hullámok szempontjából a Földet széttépné, és egy “elkenődött” hullámjelet kapnánk, ami egy sokkal zajosabb, statikusabb jel lenne. Miután a Földet elnyelte, az eseményhorizont csak egy icipicit növekedne, mivel egy plusz hárommilliomod naptömeg éppen ezzel az apró, megfelelő mennyiséggel növelné a fekete lyuk sugarát.
4:55 PM: Micsoda szórakoztató előadás, nagyszerű és frappáns Q&A ülés, és összességében nagyszerű élmény. Élvezd újra és újra, mert az előadás videója most be van ágyazva permalinkként. És köszönjük, hogy bekapcsolódtatok!