Există sunet în spațiu, datorită undelor gravitaționale
Găurile negre care fuzionează sunt o clasă de obiecte care creează unde gravitaționale de anumite frecvențe… și amplitudini. Datorită detectoarelor precum LIGO, putem „auzi” aceste sunete pe măsură ce se produc.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Mult timp s-a spus că nu există sunet în spațiu, iar acest lucru este adevărat, până la un punct. Sunetul convențional necesită un mediu prin care să se deplaseze și este creat atunci când particulele se comprimă și se rarefiază, făcând orice, de la un „bang” puternic pentru un singur impuls până la un ton consistent pentru modelele repetitive. În spațiu, unde există atât de puține particule încât orice semnal de acest fel dispare, chiar și erupțiile solare, supernovele, fuziunile găurilor negre și alte catastrofe cosmice devin silențioase înainte de a fi auzite. Dar există un alt tip de compresie și rarefiere care nu necesită nimic altceva decât țesătura spațiului însuși pentru a călători: undele gravitaționale. Mulțumită primelor rezultate pozitive de detecție de la LIGO, auzim Universul pentru prima dată.
Două găuri negre care fuzionează. Inspirația face ca găurile negre să se unească, în timp ce… undele gravitaționale transportă excesul de energie. Ca urmare, spațiu-timpul de fond este distorsionat.
SXS, proiectul Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org)
Undele gravitaționale erau ceva ce trebuia să existe pentru ca teoria noastră a gravitației să fie consistentă, conform Relativității Generale. Spre deosebire de gravitația lui Newton, în care orice două mase care orbitează una în jurul celeilalte ar rămâne în acea configurație pentru totdeauna, teoria lui Einstein a prezis că, pe perioade suficient de lungi, orbitele gravitaționale se vor dezintegra. Pentru ceva precum Pământul care orbitează în jurul Soarelui, nu ai trăi niciodată pentru a experimenta acest lucru: ar dura 10^150 de ani pentru ca Pământul să intre în spirală în Soare. Dar pentru sisteme mai extreme, cum ar fi două stele neutronice care orbitează una în jurul celeilalte, am putea vedea cum orbitele se descompun în timp. Pentru a conserva energia, teoria gravitațională a lui Einstein a prezis că energia trebuie să fie transportată sub formă de unde gravitaționale.
Cum două stele neutronice orbitează una în jurul celeilalte, teoria relativității generale a lui Einstein prezice dezintegrarea orbitală… și emisia de radiații gravitaționale. Prima a fost observată foarte precis de mulți ani, după cum reiese din modul în care punctele și linia (predicția GR) se potrivesc atât de bine.
NASA (L), Institutul Max Planck pentru Radioastronomie / Michael Kramer
Aceste unde sunt nebănuit de slabe, iar efectele lor asupra obiectelor din spațiu-timp sunt stupefiant de mici. Dar dacă știi cum să le asculți – la fel cum componentele unui radio știu să asculte acele unde luminoase de frecvență lungă – poți detecta aceste semnale și le poți auzi la fel cum ai auzi orice alt sunet. Cu o amplitudine și o frecvență, ele nu sunt diferite de orice altă undă. Relativitatea generală face predicții explicite cu privire la cum ar trebui să sune aceste unde, semnalele care generează cele mai mari unde fiind cele mai ușor de detectat. Cele mai mari sunete de amplitudine toate? Este „ciripitul” de inspirație și fuziune a două găuri negre care intră în spirală una în cealaltă.
În septembrie 2015, la doar câteva zile după ce LIGO avansat a început să colecteze date pentru prima dată, a fost reperat un semnal mare și neobișnuit. Acesta a surprins pe toată lumea, deoarece ar fi transportat atât de multă energie în doar o explozie scurtă, de 200 de milisecunde, încât ar fi depășit toate stelele din Universul observabil combinate. Cu toate acestea, semnalul s-a dovedit a fi robust, iar energia din acea explozie provenea de la două găuri negre – de 36 și 29 de mase solare – care au fuzionat într-o singură gaură neagră de 62 de mase solare. Cele trei mase solare lipsă? Au fost transformate în energie pură: unde gravitaționale care se unduiesc prin țesătura spațiului. Acesta a fost primul eveniment detectat vreodată de LIGO.
Semnalul de la LIGO al primei detecții robuste de unde gravitaționale. Forma de undă nu este doar… o vizualizare; este reprezentativă pentru ceea ce ați auzi de fapt dacă ați asculta cum trebuie.
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)
Acum este mai mult de un an mai târziu, iar LIGO se află în prezent la a doua rulare. Nu numai că au fost detectate și alte fuziuni între găuri negre și găuri negre, dar viitorul astronomiei undelor gravitaționale este strălucit, deoarece noile detectoare ne vor deschide urechile la noi tipuri de sunete. Interferometrele spațiale, cum ar fi LISA, vor avea linii de bază mai lungi și vor auzi sunete de frecvență mai joasă: sunete precum fuziunile de stele neutronice, găuri negre supermasive care se ospătează și fuziuni cu mase foarte inegale. Rețelele de cronometrare a pulsarilor pot măsura chiar și frecvențe mai joase, cum ar fi orbitele care au nevoie de ani pentru a se finaliza, cum ar fi perechea de găuri negre supermasive: OJ 287. Iar combinațiile de noi tehnici vor căuta cele mai vechi unde gravitaționale dintre toate, undele relicve prezise de inflația cosmică, până la începutul Universului nostru.
Undele gravitaționale generate de inflația cosmică sunt cel mai îndepărtat semnal înapoi în timp pe care omenirea îl poate… concepe ca fiind posibil de detectat. Colaborări precum BICEP2 și NANOgrav ar putea face indirect acest lucru în următoarele decenii.
National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, conexe) – Programul BICEP2 finanțat; modificări de E. Siegel
Există atât de multe de auzit, iar noi abia am început să ascultăm pentru prima dată. Din fericire, astrofizicianul Janna Levin – autorul cărții fantastice, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – este gata să țină prelegerea publică la Institutul Perimeter în această seară, 3 mai, la ora 7 PM Eastern / 4 PM Pacific, și va fi transmisă în direct aici și live-blogging de mine în timp real! Fiți alături de noi atunci pentru a afla și mai multe despre acest subiect incredibil, iar eu abia aștept să o aud vorbind.
Blogul live va începe cu câteva minute înainte de ora 16:00 PM Pacific; alăturați-vă aici și urmăriți-ne!
Deformarea spațiu-timpului, în imaginea Relativismului General, de către masele gravitaționale.
LIGO/T. Pyle
3:50 PM: Mai sunt zece minute până la începerea spectacolului și, pentru a sărbători, iată zece fapte amuzante (sau atâtea câte putem introduce) despre gravitație și undele gravitaționale.
1.) În loc de „acțiune la distanță”, în care o forță invizibilă se exercită între mase, relativitatea generală spune că materia și energia deformează țesătura spațiu-timpului, iar acest spațiu-timp deformat este ceea ce se manifestă ca gravitație.
2.) În loc să se deplaseze cu o viteză infinită, gravitația se deplasează doar cu viteza luminii.
3.) Acest lucru este important, deoarece înseamnă că, dacă apar modificări ale poziției, configurației, mișcării etc. unui obiect masiv, modificările gravitaționale care rezultă se propagă doar cu viteza luminii.
Simulare pe calculator a două găuri negre care fuzionează producând unde gravitaționale.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
3:54 PM: 4.) Acest lucru înseamnă că undele gravitaționale, de exemplu, se pot propaga doar cu viteza luminii. Când „detectăm” o undă gravitațională, detectăm semnalul din momentul în care acea configurație a masei s-a schimbat.
5.) Primul semnal detectat de LIGO a avut loc la o distanță de aproximativ 1,3 miliarde de ani lumină. Universul era cu aproximativ 10% mai tânăr decât este astăzi când a avut loc acea fuziune.
Undele gravitaționale sunt undele gravitaționale.
Observatorul Gravitațional European, Lionel BRET/EUROLIOS
6.) Dacă gravitația s-ar deplasa cu o viteză infinită, orbitele planetare ar fi complet instabile. Faptul că planetele se deplasează în elipse în jurul Soarelui impune faptul că, dacă Relativitatea Generală este corectă, viteza gravitației trebuie să fie egală cu viteza luminii cu o precizie de aproximativ 1%.
3:57 PM: 7.) Există mult, mult mai multe semnale de unde gravitaționale decât cele pe care LIGO le-a văzut până acum; noi am detectat doar semnalul cel mai ușor de detectat.
8.) Ceea ce face ca un semnal să fie „ușor” de detectat este o combinație între amplitudinea sa, adică cât de mult poate deforma o lungime de traiectorie, sau o distanță în spațiu, precum și frecvența sa.
O ilustrație simplificată a sistemului de interferometru laser LIGO.
Colaborare LIGO
9.) Deoarece brațele LIGO au o lungime de numai 4 kilometri, iar oglinzile reflectă lumina de mii de ori (dar nu mai mult), asta înseamnă că LIGO poate detecta numai frecvențe de 1 Hz sau mai rapide.
La începutul acestui an, LIGO a anunțat prima detecție directă a undelor gravitaționale din istorie. Prin… construirea unui observator de unde gravitaționale în spațiu, am putea fi capabili să atingem sensibilitățile necesare pentru a detecta un semnal extraterestru deliberat.
ESA / NASA și colaborarea LISA
10.) Pentru semnale mai lente, avem nevoie de brațe de pârghii mai lungi și sensibilități mai mari, iar asta va însemna să mergem în spațiu. Acesta este viitorul astronomiei undelor gravitaționale!
4:01 PM: Am reușit! Este timpul să începem și să o prezentăm pe Janna Levin! (Pronunțați „JAN-na”, nu „YON-na”, dacă vă întrebați.)
Inspirația și fuziunea primei perechi de găuri negre observate vreodată în mod direct.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration și Virgo Collaboration)
4:05 PM: Iată marele anunț/hot: prima înregistrare directă a primei unde gravitaționale. A fost nevoie de 100 de ani după ce Einstein a expus pentru prima dată relativitatea generală, iar ea redă o înregistrare! Nu uitați să mergeți să o ascultați! Ce înseamnă să „auzi” un sunet în spațiu, până la urmă, și de ce este acesta un sunet? Acesta este scopul, spune ea, al discuției sale.
Galaxiile Maffei 1 și Maffei 2, în planul Căii Lactee, pot fi dezvăluite doar văzând… prin praful Căii Lactee. În ciuda faptului că sunt unele dintre cele mai apropiate galaxii mari dintre toate, ele nu au fost descoperite până la mijlocul secolului al XX-lea.
Misiunea WISE; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: Dacă ne gândim la ceea ce se află acolo în Univers, nu aveam cum să știm nimic din toate acestea pe vremea lui Galileo. Ne gândeam la petele solare, la Saturn etc. și eram complet incapabili să concepem marile scări sau distanțe cosmice. Uitați de „conceperea altor galaxii”, noi nu concepusem nimic din toate acestea!
4:10 PM: Janna prezintă unul dintre videoclipurile mele preferate (pe care îl recunosc) de la Sloan Digital Sky Survey! Aceștia au făcut o cercetare a 400.000 dintre cele mai apropiate galaxii și le-au cartografiat în trei dimensiuni. Așa arată Universul nostru (din apropiere) și, după cum puteți vedea, este într-adevăr în mare parte spațiu gol!
Sistemul (modern) de clasificare spectrală Morgan-Keenan, cu intervalul de temperatură al fiecărei clase de… stele arătat deasupra, în kelvin.
Wikimedia Commons user LucasVB, adaosuri de E. Siegel
4:12 PM: Ea face o observație foarte bună pe care o trece complet cu vederea: doar aproximativ 1 din 1000 de stele va deveni vreodată o gaură neagră. Există peste 400 de stele pe o rază de 30 de ani lumină de la noi, iar zero dintre ele sunt stele O sau B și zero dintre ele au devenit găuri negre. Aceste stele cele mai albastre, mai masive și cu cea mai scurtă durată de viață sunt singurele care se vor transforma în găuri negre.
Comportamentul identic al unei bile care cade pe podea într-o rachetă accelerată (stânga) și pe Pământ… (dreapta) este o demonstrație a principiului de echivalență al lui Einstein.
Wikimedia Commons user Markus Poessel, retușat de Pbroks13
4:15 PM: Când te gândești la „de unde a apărut teoria lui Einstein”, Janna face o observație excelentă: ideea principiului echivalenței. Dacă ai gravitație, ai putea considera că te simți „greu” în scaunul tău, de exemplu. Dar această reacție pe care o ai este exact aceeași reacție pe care ai simți-o dacă ai accelera, în loc să gravitezi. Nu gravitația este cea pe care o simți, ci efectele materiei din jurul tău!
4:17 PM: Trupa OKGO a realizat un videoclip în care zboară în cometa de vomă. Janna nu-l poate arăta în întregime, cu audio, din motive de copyright, și îl recomandă cu căldură. Din fericire pentru voi, mulțumită internetului… iată-l! Bucurați-vă pe îndelete!
4:19 PM: Există o altă revelație uriașă pentru gravitație: modul în care înțelegem cum funcționează lucrurile vine din observarea modului în care cad lucrurile. Luna „cade” în jurul Pământului; Newton și-a dat seama de asta. Dar Pământul cade în jurul Soarelui; Soarele „cade” în jurul galaxiei; iar atomii „cad” aici, pe Pământ. Dar aceeași regulă se aplică la toate, atâta timp cât toate sunt în cădere liberă. Uimitor!
Găurile negre sunt ceva cu care Universul nu s-a născut, dar pe care a ajuns să le dobândească de-a lungul timpului. Ele… domină acum entropia Universului.
Ute Kraus, Grupul de educație fizică Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (fundal)
4:21 PM: Iată o revelație amuzantă: nu vă mai gândiți la o gaură neagră ca la o materie prăbușită și zdrobită, chiar dacă s-ar putea ca aceasta să fie modul în care a luat naștere. În schimb, gândiți-vă la ea ca la o simplă regiune de spațiu gol cu proprietăți gravitaționale puternice. De fapt, dacă tot ce ați face ar fi să atribuiți „masă” acestei regiuni de spațiu, acest lucru ar defini perfect o gaură neagră Schwarzschild (fără sarcină și fără rotație).
Gauraua neagră supermasivă (Sgr A*) din centrul galaxiei noastre este învăluită într-un mediu… prăfuit și gazos. Observațiile cu raze X și infraroșii pot vedea parțial prin ea, dar undele radio ar putea fi în sfârșit capabile să o rezolve în mod direct.
Observatorul Chandra X-Ray al NASA
4:23 PM: Dacă ai cădea într-o gaură neagră cu masa Soarelui, ai avea la dispoziție aproximativ o microsecundă, de la traversarea orizontului evenimentelor (potrivit lui Janna) până când ai fi zdrobit până la moarte de singularitate. Acest lucru este în concordanță cu ceea ce am calculat cândva, unde, pentru gaura neagră din centrul Căii Lactee, am avea aproximativ 10 secunde. Având în vedere că gaura neagră a Căii Lactee este de 4.000.000 de ori mai masivă decât Soarele nostru, matematica cam funcționează!
Joseph Weber cu detectorul său de unde gravitaționale în fază incipientă, cunoscut sub numele de bară Weber.
Colecții speciale și arhive universitare, bibliotecile Universității din Maryland
4:26 PM: Cum ați putea detecta o undă gravitațională? Sincer, ar fi ca și cum te-ai afla la suprafața oceanului; te-ai mișca în sus și în jos de-a lungul suprafeței spațiului și a existat o mare discuție în cadrul comunității cu privire la faptul dacă aceste unde sunt reale sau nu. Abia când a apărut Joe Weber și a decis să încerce să măsoare aceste unde gravitaționale, folosind un dispozitiv fenomenal – o bară de aluminiu – care vibra dacă o undă ondulatorie „ciupea” foarte puțin bara.
Weber a văzut multe astfel de semnale pe care le-a identificat cu undele gravitaționale, dar acestea, din păcate, nu au fost niciodată reproduse sau verificate. El nu a fost, cu toată inteligența sa, un experimentator foarte atent.
4:29 PM: Există o întrebare bună de la Jon Groubert pe Twitter: „Am o întrebare despre ceva ce a spus – există ceva în interiorul unei găuri negre, nu-i așa? Ca o stea neutronică grea.” Ar trebui să existe o singularitate, care este fie punctiformă (pentru o singularitate care nu se rotește), fie un inel unidimensional (pentru una care se rotește), dar nu materie condensată, prăbușită, tridimensională.
De ce nu?
Pentru că, pentru a rămâne ca structură, o forță trebuie să se propage și să se transmită între particule. Dar particulele pot transmite forțe doar cu viteza luminii. Dar nimic, nici măcar lumina, nu se poate deplasa „spre exterior”, spre ieșirea dintr-o gaură neagră; totul se deplasează spre singularitate. Astfel, nimic nu se poate susține și totul se prăbușește în singularitate. Trist, dar fizica face ca acest lucru să fie inevitabil.
De la stânga la dreapta: cele două detectoare LIGO (în Hanford și Livingston, SUA) și detectorul Virgo… (Cascina, Italia).
© LIGO Laboratory (primele două imagini) și Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: După eșecurile lui Weber (și căderea din faimă), ideea LIGO a fost lansată de Rai Weiss în anii 1970. A fost nevoie de mai mult de 40 de ani pentru ca LIGO să se concretizeze (și de peste 1.000 de oameni pentru a o realiza), dar cel mai fantastic lucru a fost că a fost posibil din punct de vedere experimental. Prin realizarea a două brațe de pârghie foarte lungi, se putea vedea efectul unei unde gravitaționale care trece.
4:34 PM: Acesta este videoclipul meu preferat care ilustrează ceea ce face o undă gravitațională. Ea mișcă spațiul însuși (și tot ce se află în el) înainte și înapoi cu o cantitate infimă. Dacă aveți un interferometru laser configurat (precum LIGO), acesta poate detecta aceste vibrații. Dar dacă ai fi suficient de aproape și urechile tale ar fi suficient de sensibile, ai putea simți această mișcare în timpanul tău!
4:35 PM: Am niște căști foarte bune, Perimetru, dar, din păcate, nu pot auzi diferitele semnale ale modelelor de unde gravitaționale pe care Janna le redă!
Observatorul LIGO Hanford pentru detectarea undelor gravitaționale din statul Washington, SUA.
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
4:38 PM: Este amuzant să ne gândim că acesta este cel mai avansat vid din lume, în interiorul detectoarelor LIGO. Cu toate acestea, păsările, șobolanii, șoarecii etc. se află acolo și își croiesc drum în aproape toată camera de vid prin care călătorește lumina. Dar dacă vidul s-ar fi rupt (el este constant din 1998), experimentul s-ar fi încheiat. În Louisiana, vânătorii au tras în tunelurile LIGO. Este îngrozitor cât de sensibil și scump este acest echipament, dar și cât de fragil este totul.
4:41 PM: Janna face o treabă foarte bună spunând această poveste într-un mod plin de suspans, dar foarte uman. Am văzut doar ultimele câteva orbite ale celor două găuri negre care orbitează, încetinite drastic în filmul de mai sus. Ele se aflau la doar câteva sute de kilometri una de alta, aceste patru orbite finale au durat 200 de milisecunde, iar acesta este întregul semnal pe care LIGO l-a văzut.
4:43 PM: Dacă aveți probleme în a asculta/auzi evenimentele din conferință, ascultați acest videoclip (de mai sus), atât în ton natural, cât și în ton crescut. Găurile negre mai mici (aproximativ 8 și 13 mase solare) din 26 decembrie 2015, sunt atât mai silențioase, cât și mai înalte decât cele mai mari (29 și 36 mase solare) din 14 septembrie în același an.
4:46 PM: Doar o mică corecție: Janna spune că acesta a fost cel mai puternic eveniment detectat vreodată de la Big Bang. Iar acest lucru este adevărat doar din punct de vedere tehnic, din cauza limitelor detecției noastre.
Când avem parte de orice fuziune de găuri negre, aproximativ 10% din masa celei mai puțin masive găuri negre dintr-o pereche de fuziune se transformă în energie pură prin E = mc2 a lui Einstein. 29 de mase solare este mult, dar vor exista găuri negre de sute de milioane sau chiar miliarde de mase solare care au fuzionat împreună. Și avem dovada.
Semnalul celei mai masive găuri negre binare văzute vreodată: OJ 287.
S. Zola & NASA/JPL
4:49 PM: Acesta este OJ 287, unde o gaură neagră de 150 de milioane de masă solară orbitează în jurul unei găuri negre de ~18 miliarde de masă solară. Este nevoie de 11 ani pentru ca o orbită completă să se producă, iar Relativitatea Generală prezice o precesie de 270 de grade pe orbită aici, comparativ cu 43 de secunde de arc pe secol pentru Mercur.
4:51 PM: Janna a făcut o treabă incredibilă terminând la timp aici; nu am văzut niciodată ca o conferință de o oră să se termine de fapt după 50 de minute la o conferință publică de la Perimeter. Wow!
Pământul așa cum este văzut dintr-un compozit de imagini din satelit NASA din spațiu la începutul anilor 2000.
NASA / Blue Marble Project
4:52 PM: Ce s-ar întâmpla dacă Pământul ar fi aspirat de o gaură neagră? (P&O întrebare de la Max.) Deși Janna dă un răspuns excelent, aș dori să subliniez că, din punctul de vedere al undelor gravitaționale, Pământul ar fi făcut bucăți și am obține un semnal de undă „ștearsă”, care ar fi un semnal mult mai zgomotos și static. Odată ce Pământul ar fi fost înghițit, orizontul evenimentelor ar crește doar un pic, deoarece trei milionimi de masă solară în plus ar crește raza găurii negre cu acea cantitate minusculă, corespunzătoare.
4:55 PM: Ce discurs amuzant, o sesiune Q&A grozavă și rapidă, și o experiență minunată în general. Bucurați-vă de ea din nou și din nou, pentru că videoclipul discuției este acum încorporat ca un permalink. Și vă mulțumim că ați fost alături de noi!
.