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 viss gräns. Konventionellt ljud kräver ett medium att färdas genom och skapas när partiklar komprimeras och sprids, vilket ger allt från en högljudd ”smäll” för en enskild puls till en jämn ton för upprepade mönster. I rymden, där det finns så få partiklar att alla sådana signaler dör bort, tystnar även solutbrott, supernovor, sammanslagningar av svarta hål och andra kosmiska katastrofer innan de ens hörs. Men det finns en annan typ av komprimering och förminskning som inte kräver något annat än själva rymdväven att färdas genom: gravitationsvågor. Tack vare de första positiva upptäcktsresultaten från LIGO hör vi universum för allra första gången.

Gravitationsvågor var något som behövde existera för att vår gravitationsteori skulle vara konsekvent, enligt den allmänna relativitetsteorin. Till skillnad från Newtons gravitation, där två massor som kretsar kring varandra skulle förbli i den konfigurationen för evigt, förutspådde Einsteins teori att gravitationsbanor skulle avklinga under tillräckligt långa tidsperioder. När det gäller något som jorden som kretsar runt solen skulle man aldrig få uppleva det: det skulle ta 10^150 år för jorden att snurra in i solen. Men för mer extrema system, som t.ex. två neutronstjärnor som kretsar kring varandra, skulle vi faktiskt kunna se hur banorna avtar med tiden. För att spara energi förutspådde Einsteins gravitationsteori att energin måste föras bort i form av gravitationsvågor.

De här vågorna är galet svaga, och deras effekter på objekten i rymdtiden är häpnadsväckande små. Men om man vet hur man ska lyssna efter dem – precis som komponenterna i en radio vet hur man ska lyssna efter dessa långfrekventa ljusvågor – kan man upptäcka dessa signaler och höra dem precis som man skulle höra vilket annat ljud som helst. Med en amplitud och en frekvens skiljer de sig inte från vilken annan våg som helst. Den allmänna relativitetsteorin ger uttryckliga förutsägelser om hur dessa vågor bör låta, där de största våggenererande signalerna är de som är lättast att upptäcka. De största amplitudljuden låter alla? Det är inspiral- och sammanslagningen ”chirp” av två svarta hål som spiralar in i varandra.

I september 2015, bara några dagar efter att den avancerade LIGO började samla in data för första gången, upptäcktes en stor, ovanlig signal. Den överraskade alla, eftersom den skulle ha burit så mycket energi i bara en kort, 200 millisekunders utbrott, att den skulle ha överglänst alla stjärnor i det observerbara universum tillsammans. Men signalen visade sig vara robust, och energin från den utbrottet kom från två svarta hål – med 36 och 29 solmassor – som smälte samman till ett enda svart hål med 62 solmassor. De saknade tre solmassorna? De omvandlades till ren energi: gravitationsvågor som krusade genom rymdens väv. Det var den första händelsen som LIGO någonsin upptäckte.

Nu är det mer än ett år senare, och LIGO är för närvarande på sin andra körning. Inte bara har andra sammanslagningar mellan svarta hål och svarta hål upptäckts, utan framtiden för gravitationsvågsastronomin är ljus, eftersom nya detektorer kommer att öppna våra öron för nya typer av ljud. Interferometrar i rymden, som LISA, kommer att ha längre baslinjer och kommer att höra ljud med lägre frekvenser: ljud som neutronstjärnesammanslagningar, festande supermassiva svarta hål och sammanslagningar med mycket ojämna massor. Pulsar timing arrays kan mäta ännu lägre frekvenser, som omloppsbanor som tar år att fullborda, till exempel paret med supermassiva svarta hål: EGT 287. Kombinationer av nya tekniker kommer att leta efter de äldsta gravitationsvågorna av alla, de relikvågor som förutses av den kosmiska inflationen, ända tillbaka till början av vårt universum.

Det finns så mycket att lyssna på, och vi har bara börjat lyssna för första gången. Tack och lov kommer astrofysikern Janna Levin – författare till den fantastiska boken Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – att hålla den offentliga föreläsningen på Perimeter Institute ikväll, den 3 maj, klockan 19.00 Eastern / 16.00 Pacific, och den kommer att livestreamas här och live-bloggas av mig i realtid! Följ med oss då för ännu mer om detta otroliga ämne, och jag kan inte vänta på att höra hennes föredrag.

Livebloggen kommer att börja några minuter före 16:00 PM Pacific; gå med här och följ med!

3:50 PM: Det är tio minuter kvar till showtime, och för att fira det kommer här tio roliga fakta (eller så många vi kan få in) om gravitation och gravitationsvågor.

1.) Istället för ”verkan på avstånd”, där en osynlig kraft utövas mellan massor, säger den allmänna relativitetsteorin att materia och energi förvränger rymdtiden, och att den förvrängda rymdtiden är det som manifesterar sig som gravitation.

2.) Istället för att färdas med oändlig hastighet färdas gravitationen endast med ljusets hastighet.

3.) Detta är viktigt eftersom det innebär att om det sker några förändringar i ett massivt objekts position, konfiguration, rörelse osv. så fortplantar sig de efterföljande gravitationsförändringarna endast med ljusets hastighet.

3:54 PM: 4.) Detta innebär att t.ex. gravitationsvågor endast kan fortplanta sig med ljusets hastighet. När vi ”upptäcker” en gravitationsvåg upptäcker vi signalen från när den masskonfigurationen ändrades.

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

6.) Om gravitationen färdades med oändlig hastighet skulle planeternas banor vara helt instabila. Det faktum att planeterna rör sig i ellipser runt solen tvingar till att om den allmänna relativitetsteorin är korrekt måste gravitationens hastighet vara lika med ljusets hastighet med en noggrannhet på cirka 1 %.

3:57 PM: 7.) Det finns många, många fler gravitationsvågssignaler än vad LIGO har sett hittills; vi har bara upptäckt den lättaste 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 rummet, samt dess frekvens.

9). Eftersom LIGO:s 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 hävstångsarmar och större känslighet, och det innebär att vi måste åka till rymden. Det är framtiden för gravitationsvågsastronomin!

4:01 PM: Vi klarade det! Dags att börja och presentera Janna Levin! (Uttal ”JAN-na”, inte ”YON-na”, om du undrar.)

4:05 PM: Här kommer det stora tillkännagivandet/skottet: den första direkta registreringen av den första gravitationsvågen. Det tog 100 år efter att Einstein först lade fram den allmänna relativitetsteorin, och hon spelar upp en inspelning! Se till att ni går och lyssnar! Vad innebär det trots allt att ”höra” ett ljud i rymden, och varför är detta ett ljud? Det är syftet, säger hon, med sitt föredrag.

4:08 PM: Om man tänker på vad som finns där ute i universum hade vi inget sätt att veta något av detta på Galileos tid. Vi tänkte på solfläckar, Saturnus osv. och var helt oförmögna att föreställa oss de stora kosmiska skalorna eller avstånden. Glöm att ”föreställa oss andra galaxer”, vi hade inte föreställt oss något av detta!

4:10 PM: Janna visar en av mina favoritvideor (som jag känner igen) från Sloan Digital Sky Survey! De gjorde en undersökning av 400 000 av de närmaste galaxerna och kartlade dem i tre dimensioner. Detta är hur vårt (närliggande) universum ser ut, och som du kan se är det verkligen mestadels tomt!

4:12 PM: Hon tar upp en riktigt bra poäng som hon helt och hållet glänser över: endast ungefär 1 av 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 mest kortlivade stjärnor är de enda som kommer att växa till svarta hål.

4:19 PM: Det finns en annan stor uppenbarelse för gravitationen: det sätt på vilket vi förstår hur saker och ting 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 i fritt fall. Fantastiskt!

4:21 PM: Här är en rolig uppenbarelse: sluta tänka på ett svart hål som kollapsad, krossad materia, även om det kanske är så det har uppstått. Tänk i stället på det som helt enkelt en region av tomt utrymme med starka gravitationsegenskaper. Om allt du gjorde var att tilldela denna region av rymd ”massa” skulle det faktiskt perfekt definiera ett svart hål enligt Schwarzschild (icke laddat, icke roterande).

4:23 PM: Om du skulle falla in i ett svart hål med solens massa skulle du ha ungefär en mikrosekund på dig, från det att du korsar händelsehorisonten (enligt Janna) till dess att du krossas till döds vid singulariteten. Detta stämmer överens med vad jag en gång beräknade, där vi för det svarta hålet i Vintergatans centrum skulle ha ungefär 10 sekunder på oss. Eftersom Vintergatans svarta hål är 4 000 000 gånger så massivt som vår sol går matematiken liksom ihop!

16:26 PM: Hur skulle du upptäcka en gravitationsvåg? Ärligt talat skulle det vara som att befinna sig på havets yta; du skulle guppa upp och ner längs rymdens yta, och det fanns en stor diskussion 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 gravitationsvågor med hjälp av en fenomenal anordning – en aluminiumstång – som vibrerade om en våg ”plockade” stången en aning.

Weber såg många sådana signaler som han identifierade som gravitationsvågor, men tyvärr kunde de aldrig reproduceras eller verifieras. Han var, trots all sin smarthet, inte en särskilt noggrann experimentator.

4:29 PM: Det finns en bra fråga från Jon Groubert på twitter: ”Jag har en fråga om något hon sa – det finns något inuti 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 singularitet), men inte kondenserad, kollapsad, tredimensionell materia.

Varför inte?

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

4:32 PM: Efter Webers misslyckanden (och fall från berömmelse) kom idén om LIGO från Rai Weiss på 1970-talet. Det tog mer än 40 år för LIGO att förverkligas (och över 1 000 personer att göra det möjligt), men det mest fantastiska var att det var experimentellt möjligt. Genom att göra två mycket långa hävarmar kunde man se effekten av en passerande gravitationsvåg.

4:34 PM: Det här är min favoritvideo som illustrerar vad en gravitationsvåg gör. Den flyttar själva rymden (och allt i den) fram och tillbaka med en liten mängd. Om man har en laserinterferometer uppställd (som LIGO) kan den upptäcka dessa vibrationer. Men om du är tillräckligt nära och dina öron är tillräckligt känsliga kan du känna denna rörelse i ditt trumhinnan!

4:35 PM: Jag har riktigt bra hörlurar, Perimeter, men tyvärr kan jag inte höra de olika signalerna från gravitationsvågsmodellerna som Janna spelar upp!

4:38 PM: Det är lustigt att tänka på att detta är världens mest avancerade vakuum inuti LIGO-detektorerna. Ändå finns det fåglar, råttor, möss osv. där nere, och de tuggar sig in i nästan hela vakuumkammaren som ljuset färdas genom. Men om vakuumet hade brutits (det har varit konstant sedan 1998) hade experimentet varit över. I Louisiana sköt jägare på LIGO-tunnlarna. Det är skrämmande hur känslig och dyr den här utrustningen är, men också hur bräcklig allting är.

4:41 PM: Janna gör ett riktigt bra jobb med att berätta den här historien på ett spännande men mycket mänskligt sätt. Vi såg bara de sista få omloppen av två svarta hål i omloppsbana, drastiskt fördröjda i filmen ovan. De var bara några hundra kilometer från varandra, de sista fyra omloppen tog 200 millisekunder, och det är hela signalen som LIGO såg.

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

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

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

4:49 PM: Detta är OJ 287, där ett svart hål med 150 miljoner solmassor kretsar kring ett svart hål med ~18 miljarder solmassor. Det tar 11 år för en fullständig omloppsbana och den allmänna relativitetsteorin förutsäger en precession på 270 grader per omloppsbana här, jämfört med 43 bågsekunder per århundrade för Merkurius.

4:51 PM: Jag har aldrig sett ett timslångt föredrag sluta efter 50 minuter vid en offentlig föreläsning i Perimeter. Wow!

4:52 PM: Vad skulle hända om jorden sögs in i ett svart hål? (Q&En fråga från Max.) Även om Janna ger ett bra svar vill jag påpeka att ur gravitationsvågssynpunkt skulle jorden slitas sönder och vi skulle få en ”utsmetad” vågsignal, som skulle vara en mycket bullrigare, statisk signal. När jorden väl är uppslukad skulle händelsehorisonten växa bara en liten bit, eftersom en extra tre miljondels solmassa ökar det svarta hålets radie med just denna lilla, motsvarande mängd.

4:55 PM: Vilken rolig föreläsning, en bra och snabb Q&A-session och en fantastisk upplevelse överlag. Njut av det om och om igen, eftersom videon av föredraget nu är inbäddad som en permalink. Och tack för att ni lyssnade!