W kosmosie jest dźwięk, dzięki falom grawitacyjnym

Od dawna mówi się, że w przestrzeni kosmicznej nie ma dźwięku i jest to prawda, do pewnego stopnia. Konwencjonalny dźwięk wymaga medium do przemieszczania się i jest tworzony, gdy cząsteczki ściskają się i prężą, tworząc coś od głośnego „bang” dla pojedynczego impulsu do spójnego tonu dla powtarzających się wzorów. W przestrzeni kosmicznej, gdzie jest tak mało cząstek, że wszelkie takie sygnały giną, nawet rozbłyski słoneczne, supernowe, fuzje czarnych dziur i inne kosmiczne katastrofy milkną, zanim w ogóle zostaną usłyszane. Istnieje jednak inny rodzaj kompresji i rozpraszania, który nie wymaga do przemieszczania się niczego poza samą tkanką kosmiczną: fale grawitacyjne. Dzięki pierwszym pozytywnym wynikom detekcji z LIGO, po raz pierwszy słyszymy Wszechświat.

Fale grawitacyjne były czymś, co musiało istnieć, aby nasza teoria grawitacji była spójna, zgodnie z Ogólną Teorią Względności. W przeciwieństwie do grawitacji Newtona, gdzie dwie masy krążące wokół siebie pozostawałyby w tej konfiguracji na zawsze, teoria Einsteina przewidywała, że w wystarczająco długim czasie orbity grawitacyjne ulegałyby rozpadowi. W przypadku czegoś takiego jak Ziemia krążąca wokół Słońca, nigdy byśmy tego nie doświadczyli: potrzebowalibyśmy 10^150 lat, aby Ziemia wpadła w spiralę do Słońca. Ale w przypadku bardziej ekstremalnych układów, takich jak dwie gwiazdy neutronowe krążące wokół siebie, moglibyśmy rzeczywiście zobaczyć, jak orbity rozpadają się w czasie. Aby zachować energię, teoria grawitacji Einsteina przewidywała, że energia musi być przenoszona w postaci fal grawitacyjnych.

Fale te są szalenie słabe, a ich wpływ na obiekty w czasoprzestrzeni jest ogłupiająco mały. Ale jeśli wiesz, jak ich słuchać – tak jak elementy radia wiedzą, jak słuchać tych fal świetlnych o długiej częstotliwości – możesz wykryć te sygnały i usłyszeć je tak, jak słyszałbyś każdy inny dźwięk. Mając amplitudę i częstotliwość, nie różnią się one od innych fal. Ogólna Teoria Względności wyraźnie przewiduje, jak powinny brzmieć te fale, przy czym największe sygnały generujące fale są najłatwiejsze do wykrycia. Największa amplituda dźwięków? To wdechowe i łączące się „ćwierkanie” dwóch czarnych dziur, które wpadają na siebie nawzajem.

We wrześniu 2015 roku, zaledwie kilka dni po tym, jak zaawansowane LIGO zaczęło zbierać dane po raz pierwszy, zauważono duży, niezwykły sygnał. Zaskoczył on wszystkich, ponieważ w krótkim, 200-milisekundowym wybuchu niósł ze sobą tak wiele energii, że prześcignąłby wszystkie gwiazdy w obserwowalnym Wszechświecie razem wzięte. Jednak sygnał ten okazał się solidny, a energia z tego wybuchu pochodziła z dwóch czarnych dziur – o masach 36 i 29 mas Słońca – łączących się w jedną o masie 62 mas Słońca. Te brakujące trzy masy słoneczne? Zostały przekształcone w czystą energię: fale grawitacyjne falujące przez strukturę przestrzeni. To było pierwsze zdarzenie, które LIGO kiedykolwiek wykryło.

Teraz jest ponad rok później, a LIGO jest obecnie w trakcie drugiego uruchomienia. Nie tylko wykryto inne fuzje czarnych dziur z czarnymi dziurami, 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 będą w stanie usłyszeć dźwięki o niższych częstotliwościach: dźwięki fuzji gwiazd neutronowych, ucztujących supermasywnych czarnych dziur oraz fuzji o bardzo nierównych masach. Pulsary mogą mierzyć jeszcze niższe częstotliwości, takie jak orbity, które trwają lata, np. para supermasywnych czarnych dziur: DZ 287. Kombinacje nowych technik będą poszukiwać najstarszych fal grawitacyjnych, fal reliktowych przewidywanych przez inflację kosmiczną, aż do początku naszego Wszechświata.

Jest tak wiele do usłyszenia, a my dopiero zaczęliśmy słuchać po raz pierwszy. Na szczęście astrofizyk Janna Levin – autorka fantastycznej książki, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – jest przygotowana do wygłoszenia publicznego wykładu w Perimeter Institute dziś wieczorem, 3 maja, o 7 PM Eastern / 4 PM Pacific, i będzie on transmitowany na żywo tutaj i live-blogowany przeze mnie w czasie rzeczywistym! Dołącz do nas, aby dowiedzieć się jeszcze więcej o tym niesamowitym temacie, a ja nie mogę się doczekać, aby usłyszeć jej wykład.

Blog na żywo rozpocznie się kilka minut przed 16:00 czasu pacyficznego; dołącz do nas tutaj i śledź na bieżąco!

3:50 PM: Jest dziesięć minut do czasu pokazu, a żeby to uczcić, oto dziesięć zabawnych faktów (lub tyle, ile uda nam się wcisnąć) na temat grawitacji i fal grawitacyjnych.

1.) Zamiast „działania na odległość”, gdzie niewidzialna siła jest wywierana między masami, ogólna teoria względności mówi, że materia i energia wypaczają czasoprzestrzeń, a wypaczona czasoprzestrzeń jest tym, co objawia się jako grawitacja.

2.) Zamiast poruszać się z nieskończoną prędkością, grawitacja porusza się tylko z prędkością światła.

3.) Jest to ważne, ponieważ oznacza, że jeśli jakiekolwiek zmiany zachodzą w położeniu, konfiguracji, ruchu itp. masywnego obiektu, wynikające z tego zmiany grawitacyjne rozchodzą się jedynie z prędkością światła.

3:54 PM: 4.) Oznacza to, że fale grawitacyjne, na przykład, mogą rozchodzić się tylko z prędkością światła. Kiedy „wykrywamy” falę grawitacyjną, wykrywamy sygnał z momentu, kiedy ta konfiguracja masy uległa zmianie.

5.) Pierwszy sygnał wykryty przez LIGO pojawił się w odległości około 1,3 miliarda lat świetlnych. Wszechświat był o około 10% młodszy niż obecnie, gdy doszło do tej fuzji.

6.) Gdyby grawitacja poruszała się z nieskończoną prędkością, orbity planet byłyby całkowicie niestabilne. Fakt, że planety poruszają się po elipsach wokół Słońca nakazuje, że jeśli Ogólna Teoria Względności jest poprawna, prędkość grawitacji musi być równa prędkości światła z dokładnością do około 1%.

3:57 PM: 7.) Istnieje o wiele, wiele więcej sygnałów fal grawitacyjnych niż te, które LIGO zaobserwowało do tej pory; wykryliśmy tylko najłatwiejszy do wykrycia sygnał.

8.) To, co czyni sygnał „łatwym” do zauważenia, jest kombinacją jego amplitudy, czyli tego, jak bardzo może on zniekształcić długość ścieżki lub odległość w przestrzeni, jak również jego częstotliwości.

9.) Ponieważ ramiona LIGO mają tylko 4 kilometry długości, a lustra odbijają światło tysiące razy (ale nie więcej), oznacza to, że LIGO może wykryć tylko częstotliwości 1 Hz lub szybsze.

10). W przypadku wolniejszych sygnałów potrzebujemy dłuższych ramion dźwigni i większych czułości, a to będzie oznaczało udanie się w przestrzeń kosmiczną. To jest przyszłość astronomii fal grawitacyjnych!

4:01 PM: Udało się! Czas zacząć i przedstawić Jannę Levin! (Wymawiaj „JAN-na”, a nie „YON-na”, gdybyś się zastanawiał.)

4:05 PM: Oto wielkie ogłoszenie/strzał: pierwsza bezpośrednia rejestracja pierwszej fali grawitacyjnej. Zajęło to 100 lat po tym, jak Einstein po raz pierwszy przedstawił ogólną względność, a ona odtwarza nagranie! Upewnijcie się, że pójdziecie i posłuchacie! Co to w ogóle znaczy „słyszeć” dźwięk w przestrzeni i dlaczego jest to dźwięk? Taki jest cel, jak mówi, jej wykładu.

4:08 PM: Jeśli weźmiesz pod uwagę to, co jest tam we Wszechświecie, nie mieliśmy możliwości poznania żadnej z tych rzeczy w czasach Galileusza. Myśleliśmy o plamach na słońcu, Saturnie, itp. i byliśmy całkowicie niezdolni do wyobrażenia sobie wielkich kosmicznych skal lub odległości. Zapomnij o „wyobrażeniu o innych galaktykach”, nie wyobrażaliśmy sobie żadnej z tych rzeczy!

4:10 PM: Janna pokazuje jedno z moich ulubionych nagrań wideo (które rozpoznaję) z Sloan Digital Sky Survey! Wykonali oni przegląd 400 000 najbliższych galaktyk i zmapowali je w trzech wymiarach. Tak wygląda nasz (pobliski) Wszechświat, i jak widać, to naprawdę w większości pusta przestrzeń!

4:12 PM: Ona robi naprawdę świetny punkt, który całkowicie glosuje: tylko około 1 na 1000 gwiazd kiedykolwiek stanie się czarną dziurą. Istnieje ponad 400 gwiazd w promieniu 30 lat świetlnych od nas, a zero z nich to gwiazdy O lub B, a zero z nich stało się czarnymi dziurami. Te najbardziej niebieskie, najbardziej masywne i najkrócej żyjące gwiazdy są jedynymi, które urosną w czarne dziury.

4:15 PM: Kiedy rozważasz „skąd wzięła się teoria Einsteina”, Janna robi świetny punkt: pomysł zasady równoważności. Jeśli masz grawitację, możesz uznać, że czujesz się „ciężki” w swoim krześle, na przykład. Ale ta reakcja, którą masz, jest dokładnie taką samą reakcją, jaką byś czuł, gdybyś przyspieszał, a nie grawitował. To nie jest grawitacja, że czujesz, to efekty materii wokół ciebie!

4:17 PM: Zespół OKGO zrobił teledysk lecąc w komecie wymiocin. Janna nie może pokazać całości, z dźwiękiem, ze względu na prawa autorskie, a gorąco poleca. Na szczęście dla Was, dzięki internetowi… oto jest! Enjoy at your leisure!

4:19 PM: Jest jeszcze jedna ogromna rewelacja dla grawitacji: sposób, w jaki rozumiemy, jak rzeczy działają, pochodzi z obserwacji, jak rzeczy spadają. Księżyc „spada” wokół Ziemi; Newton zdał sobie z tego sprawę. Ale Ziemia „spada” wokół Słońca; Słońce „spada” wokół galaktyki; a atomy „spadają” tu, na Ziemi. Ale ta sama zasada stosuje się do nich wszystkich, tak długo jak wszystkie są w swobodnym spadku. Niesamowite!

4:21 PM: Oto zabawne objawienie: przestań myśleć o czarnej dziurze jako o zapadniętej, zmiażdżonej materii, nawet jeśli tak może być, jak powstała. Zamiast tego pomyśl o niej jako po prostu o regionie pustej przestrzeni o silnych właściwościach grawitacyjnych. W rzeczywistości, jeśli wszystko co zrobiłeś to przypisanie „masy” do tego regionu przestrzeni, to doskonale zdefiniowałoby to czarną dziurę Schwarzschilda (nienaładowaną, nieobracającą się).

4:23 PM: Gdybyś miał wpaść do czarnej dziury o masie Słońca, miałbyś około mikrosekundy, od przekroczenia horyzontu zdarzeń (według Janny) do momentu, gdy zostałbyś zmiażdżony na śmierć w osobliwości. Jest to zgodne z tym, co kiedyś obliczyłem, gdzie dla czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej mielibyśmy około 10 sekund. Ponieważ czarna dziura w Drodze Mlecznej jest 4 000 000 razy masywniejsza od naszego Słońca, matematyka w pewnym sensie się sprawdza!

4:26 PM: W jaki sposób wykrylibyście falę grawitacyjną? Szczerze mówiąc, to byłoby jak bycie na powierzchni oceanu; bob w górę iw dół wzdłuż powierzchni przestrzeni, i był duży spór w społeczności, czy te fale są prawdziwe, czy nie. Dopiero gdy pojawił się Joe Weber i postanowił spróbować zmierzyć te fale grawitacyjne, używając fenomenalnego urządzenia – aluminiowego pręta – który drgał, gdy falująca fala „skubała” pręt bardzo nieznacznie.

Weber widział wiele takich sygnałów, które utożsamiał z falami grawitacyjnymi, ale niestety nigdy nie zostały one odtworzone ani zweryfikowane. Był on, przy całej swojej bystrości, niezbyt ostrożnym eksperymentatorem.

4:29 PM: Jest dobre pytanie od Jona Grouberta na twitterze: „Mam pytanie dotyczące czegoś, co powiedziała – w środku czarnej dziury jest coś, prawda? Jak ciężka gwiazda neutronowa.” Powinna istnieć osobliwość, która jest albo punktowa (dla osobliwości nieobracającej się) albo jednowymiarowy pierścień (dla obracającej się), ale nie skondensowana, zapadnięta, trójwymiarowa materia.

Dlaczego nie?

Ponieważ aby pozostać jako struktura, siła musi się rozchodzić i być przekazywana między cząstkami. Ale cząsteczki mogą przenosić siły tylko z prędkością światła. Ale nic, nawet światło, nie może poruszać się „na zewnątrz” w kierunku wylotu czarnej dziury; wszystko porusza się w kierunku osobliwości. I tak nic nie jest w stanie się utrzymać, a wszystko zapada się w osobliwość. Smutne, ale fizyka sprawia, że jest to nieuniknione.

4:32 PM: Po niepowodzeniach Webera (i upadku ze sławy), na pomysł LIGO wpadł Rai Weiss w latach 70-tych. Realizacja LIGO zajęła ponad 40 lat (i ponad 1000 osób, aby to się stało), ale najbardziej fantastyczną rzeczą było to, że było to eksperymentalnie możliwe. Wykonując dwie bardzo długie dźwignie-ramiona, można było zobaczyć efekt przechodzącej fali grawitacyjnej.

4:34 PM: To jest moje ulubione wideo ilustrujące, co robi fala grawitacyjna. Porusza samą przestrzeń (i wszystko w niej) tam i z powrotem o niewielką ilość. Jeśli masz ustawiony interferometr laserowy (jak LIGO), może on wykryć te drgania. Ale gdybyś był wystarczająco blisko i twoje uszy były wystarczająco wrażliwe, mógłbyś poczuć ten ruch w swoim bębenku!

4:35 PM: Mam naprawdę dobre słuchawki, Perimeter, ale niestety nie mogę usłyszeć różnych sygnałów modeli fal grawitacyjnych, które odtwarza Janna!

4:38 PM: Zabawne jest myśleć, że jest to najbardziej zaawansowana próżnia na świecie, wewnątrz detektorów LIGO. A jednak ptaki, szczury, myszy, itp. są tam pod spodem i przegryzają sobie drogę do prawie komory próżniowej, przez którą podróżuje światło. Ale gdyby próżnia została przerwana (jest stała od 1998 roku), eksperyment byłby zakończony. W Luizjanie myśliwi strzelali do tuneli LIGO. To przerażające, jak czuły i drogi jest ten sprzęt, a jednocześnie jak bardzo jest kruchy.

4:41 PM: Janna wykonuje naprawdę świetną robotę opowiadając tę historię w pełen napięcia, ale bardzo ludzki sposób. Na powyższym filmie widzieliśmy tylko kilka ostatnich orbit dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur, drastycznie spowolnionych. Były one oddalone od siebie tylko o kilkaset kilometrów, te cztery ostatnie orbity trwały 200 milisekund, i to jest cały sygnał, który widziało LIGO.

4:43 PM: Jeśli masz problemy ze słuchaniem/słyszeniem wydarzeń z wykładu, posłuchaj tego wideo (powyżej), zarówno w naturalnej wysokości dźwięku, jak i zwiększonej. Mniejsze czarne dziury (mniej więcej 8 i 13 mas Słońca) z 26 grudnia 2015 r. są zarówno cichsze, jak i bardziej dźwięczne niż te większe (29 i 36 mas Słońca) z 14 września tego samego roku.

4:46 PM: Małe sprostowanie: Janna mówi, że było to najpotężniejsze zdarzenie, jakie kiedykolwiek wykryto od czasów Wielkiego Wybuchu. A to jest tylko technicznie prawdziwe, ze względu na ograniczenia naszej detekcji.

Gdy dochodzi do fuzji czarnych dziur, około 10% masy najmniej masywnej czarnej dziury w parze zostaje przekształcone w czystą energię za pomocą Einsteinowskiego E = mc2. 29 mas Słońca to dużo, ale istnieją czarne dziury o masie setek milionów lub nawet miliardów mas Słońca, które połączyły się razem. I mamy na to dowód.

4:49 PM: To jest OJ 287, gdzie czarna dziura o masie 150 milionów mas Słońca orbituje wokół czarnej dziury o masie ~18 miliardów mas Słońca. Potrzeba 11 lat na pełną orbitę, aby wystąpić, a Ogólna Względność przewiduje precesję 270 stopni na orbitę tutaj, w porównaniu do 43 sekund łuku na wiek dla Merkurego.

4:51 PM: Janna wykonała niesamowitą pracę kończąc na czas; nigdy nie widziałem godzinnego wykładu kończącego się po 50 minutach na publicznym wykładzie w Perimeter. Wow!

4:52 PM: Co by się stało, gdyby Ziemia została wessana do czarnej dziury? (Q&Pytanie od Maxa.) Chociaż Janna udziela świetnej odpowiedzi, chciałbym zwrócić uwagę, że z punktu widzenia fal grawitacyjnych, Ziemia zostałaby rozdrobniona, a my otrzymalibyśmy „rozmazany” sygnał falowy, który byłby znacznie głośniejszy, statyczny-jak sygnał. Kiedy Ziemia zostałaby połknięta, horyzont zdarzeń powiększyłby się tylko odrobinę, ponieważ dodatkowe trzy milionowe części masy Słońca zwiększyły promień czarnej dziury o tę właśnie maleńką, odpowiednią ilość.

4:55 PM: Co za zabawny wykład, świetne i szybkie Q&A sesja, i ogólnie świetne doświadczenie. Ciesz się tym jeszcze raz i jeszcze raz, ponieważ wideo z wykładu jest teraz osadzone jako permalink. I dzięki za przybycie!