Amit a LIGO detektorok láttak

Amit a LIGO detektorok láttak

Borisz Stern
"Trinity Option" №4 (198), 2016. február 23

LIGO Együttműködés (Lézeres interferometriás gravitációs megfigyelőközpont) bejelentette az első közvetlen regisztrálást [1] a gravitációs hullámokról, amelyet száz évvel ezelőtt Albert Einstein jósolt. A felfedezés a sajtótájékoztató közvetítésével vált ismertté. A regisztrált gravitációs hullámokat két egymással összepréselő fekete lyuk (összesen mintegy 60 nap) összesen 1,3 milliárd évvel ezelőtt adta ki. Körülbelül egy hónapig tartott. Egy lehetséges felfedezés pletykái már hosszú ideje terjednek a tudományos közösségben.

Mit láttak a LIGO detektorok?

Olyan jelet láttunk, amely pontosan úgy nézett ki, mint egy fekete lyuk egyesítésére (lásd 1. ábra). Megmutatja az interferométer viszonylagos nyújtását egy gravitációs hullám hatása alatt. Függőleges skála 10−21ez azt jelenti, hogy az interferométer négy kilométeres karját 2,5 × 10-tel nyújtják−15 cm (max−17 nézd, bármit is látszott a fikció). Az ábra két érzékelő (különböző színben ábrázolt) érzékelőjének nyújtását és tömörítését mutatja, 3000 km távolságban. Először zaj keletkezik, amelyben nyilvánvaló hullámok jelennek meg, amelyek gyakrabban mozognak, majd hirtelen véget érnek. Minden hullám a két fekete lyuk rendszerének félfordulata. Gyorsan megközelítik egymást, így a csúcsok közötti idő csökken.Az utolsó hullám gyakorlatilag egy fekete lyuk, bár erősen deformálódott.

Ábra. 1. Két egymásra helyezett jel két telepítésből. Kép a bemutatóról

Hogyan lehet meghatározni az egyesülő objektumok tömegét? Szorosan az oszcilláció végső frekvenciája (minél nagyobb a tömeg, annál alacsonyabb a frekvencia – közel a fordított arányossághoz). Nagyon alacsony volt – 350 Hz. Ez azt jelenti, hogy a tömegek nagyok – összesen több mint 60 napsugárban. A csúcsok aszimmetriájából a fekete lyukak egyéni tömege – 36-4 +5 és 28 ± 4 tömeg a Napból – kihúzható, a végső lyuk tömege 62 ± 4 nap. Körülbelül három naptömeg ment a gravitációs hullámok sugárzására. Olyan erőteljes sugárzás (1056 erg / s) senki sem regisztrált. A fentieket "durván szólva" írtam, vagy pontosabban, mindezen paramétereket egy elméleti görbe illesztésével határoztuk meg, amelyet az egyesülési folyamat számszerű szimulációjával nyerünk a ténylegesen megfigyeltekhez.

Hogyan határozták meg a távolságot?

Ugyanaz az elméleti számítás, amely megadja a görbe megfelelő frekvenciáját és alakját, megadja a tér torzulásának amplitúdóját a helyszínen. Annak tudatában, hogy az amplitúdó fordítottan arányos a távolsággal, a végső amplitúdó, a "radiátor" kezdeti és méretének ismeretében meghatározzuk a távolságot. Körülbelül 400 megaparszk van, bár nagy hiba.

Hogyan határozható meg az események helyzete az égen? Annak érdekében, hogy a két érzékelő képeit össze lehessen keverni, az egyiket 7 milliszekundumra kellett áthelyezni – a hullámfront érkezési idejének különbsége. Így meghatároztuk a forrás irányának és az érzékelőket összekötő vonal közötti szöget. De ennek a szögnek a tudása csak egy gyűrűt ad az égnek. A két érzékelő amplitúdó különbségéből további információkat lehet kihúzni. Melyek másképp orientáltak. A gravitációs hullám keresztirányú, ezért a hullámon át irányított interferométer válla nagyobb jelet ad. Így sikerült kivágnia a gyűrűt; az a terület, ahonnan a jel jöhetett volna, 600 négyzetméteres területű félhold alakot hozott, ami teleszkópok segítségével nagyon nehéz megtalálni az adott területen.

Mint nézni a képet. 1, becsülje meg az egyesített fekete lyukak tömegét és a távolságot tőlük?

Meg kell becsülni az egyesülő tárgyak forgási időjét az utolsó pillanatban. Megnézzük a képet, és látjuk, hogy az utolsó csúcsok közötti távolság tízszer kisebb a kockázatok között, vagyis körülbelül 5 milliszekundum körül. Ez egy még erősen deformálódott fekete lyuk forgatásának félideje.Milyen lineáris sebességgel forgatja a felületét? A fénysebességhez hasonlítható, de kisebb, körülbelül egy harmadik (marginális Kerr lyuk) – mérettől függetlenül.

Ezután a körforgás félkörívje kb. 500 km, osztva π-vel, 170 km sugarú. A napsugár fekete lyukának sugara 3 km, ami azt jelenti, hogy a rendszer tömege mintegy 60 nap. Valójában – 62. Csodálatos pontosság, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy a szemek által becsült csúcsok közötti idő.

Most próbáljuk becsülni a távolságot. Egy kicsit bonyolultabb. A gravitációs hullám amplitúdója (a tér relatív deformációja) fordítottan arányos a forrástól való távolsággal. A forrásban a deformáció óriási, jól, nem egy, természetesen, de 0,1 nagyon reális (a számítások pontosan ezt a nagyságrendet adják meg). Jelenleg 10−21 (lásd a függőleges tengely mentén lévő egységet), ez azt jelenti, hogy kb. 10 körül vagyunk20 a forrástól távolabb, mint mérete – 170 km (lásd fent). 1,7 × 10-et kapunk7 cm × 1020 = 1,7×1027 cm = 0,6 gigaparszek (valójában 0,4 gigaparszek). Megint figyelemre méltó hit, annak ellenére, hogy még mindig bizonytalan a rendszer egyenlítői síkjának iránya a látómezőhöz képest.

Mit látott még a LIGO?

Három további hasonló esemény, de kisebb amplitúdójú és ezért kevésbé megbízható. Úgy tűnik, később jelentik őket.

Mit láttak a Fermi detektorok?

A "Fermi" gamma távcső csapat természetesen ellenőrizte az adatokat szeptember 14-én. Sajnos a megfelelő pillanatban a gamma távcső a másik irányba nézett. De a Fermi kemény, röntgenfelvevőkkel is rendelkezikkörülbelüla legtöbb ég. Úgy tervezték, hogy regisztrálják a gammasugaras robbanásokat, és "Gamma-ray burst monitor" -nak nevezik, amelyet GBM-ként rövidítenek.

A gravitációs hullámok után 0,4 másodpercen belül a GBM érzékelők egy második kemény röntgenfelvételt regisztráltak. Nem indított gammasugár-triggert, mert túl gyenge volt ehhez. Statisztikai szignifikanciája a 3 sigma, ami egy 0,002-es véletlen kilépési valószínűségnek felel meg. Általában véve ez a jelentőség alacsony, de mindez a kontextustól függ. Ha keresed, nem világos, hogy egy tetszőleges helyen és 3 sigma hullámot talált – ez kevéssé jelentős. És ha egy adott helyre nézel, és pontosan megtalálta, amit keresett, ez komoly. Ezen túlmenően, bár a GBM rossz szögbeli felbontással rendelkezik (20-30 fok ilyen gyenge ütemben), az irány összhangban van a gravitációs hullámok forrásától, ami bizalmat ad. A Fermi csapata ellenőrizte a burst egyéb lehetséges forrásait (nap-, légköri, magnetoszerkezet) és elutasította őket.Az esemény nagyon hasonlít egy rövid osztályú gyenge gamma-sugár robbanáshoz, amelyet állítólag az egyesülés során is kibocsátanak, de nem fekete lyukak, hanem neutroncsillagok. Úgy néz ki, mint az időtartam és a spektrum.

Túlfeszültség-energia, ha valóban a GB 150914-hez társult, körülbelül 1049 erg – több százezer alkalommal kevesebb energiát sugárzott gravitációs hullámok formájában. Elvben, ésszerű arány. Természetesen, ha fekete lyukak olvadnak össze a steril térben, akkor nem lenne röntgensugárzás. De ha egy körülöttük vagy körülötte egy bizonyos mennyiségű anyag lógott, akkor a rázkódás okozta kis késleltetésű röntgensugarak nagyon valószínűek. Hogy pontosan ez megtörténhet, ma már senki sem mondja el (még a gamma-sugárzási hullámok kibocsátására vonatkozó mechanizmus sem ismert), de biztosan számos cikk jelenik majd meg ebben a témában.

Mit ad ez nekünk?

A gravitációs hullámok regisztrálása nem ad semmit a nemzetgazdaságnak – nincs gravitációs és új mozgás. Nem is ad semmit Einstein győzelmének – minden gravitációs elméletet, amely "barátságos" a Relativitás speciális elméletével, a gravitációs hullámok előre jelzik.Ráadásul az 1913-as évek után felhalmozott összes elmélet szerint ezeknek a hullámoknak keresztben kell lenniük. Minden modern gravitációs elmélet, kivéve talán néhány nagyon marginális, leírja, mi történik, ha két asztrofizikai fekete lyuk egybeolvad. Mindenesetre megkérdeztem Valerij Rubakovot, aki figyelemmel kíséri a helyzetet, ha az eredmény nem utasítja el a gravitációs elmélet bármely működő verzióját. Azt válaszolta, hogy semmi ilyesmi nem fordult elő. Vannak olyan elméletek, amelyek bizonyos mértékig eltérnek az Einstein-től (különösen az úgynevezett elméletek) f (R)amit például Alexey Starobinsky csinálunk), de minden különbség messze attól, ami ebben az esetben történik. Vagyis az alapvető fizika számára, amint a professzionális fizikusok észlelik, az eredmény semmit sem hoz – mindenki annyira biztos volt benne, mi történt.

És mégis a kísérlet értéke hatalmas, de egy másik síkon rejlik – a tudomány és a társadalom közötti kapcsolat. A gravitációs hullámok felismerése ismét megmutatja a tudomány erejét: megjósolt és felfedezett. Számolják ki a legnehezebb folyamatot, ami a tér hatalmas görbületével történik – minden helyesnek bizonyult.Így jön létre a tudomány a tömegek fejein.

Milyen lehetőségek vannak a csillagászat számára a gravitációs hullámok nyitására?

A mintegy 30 szolár tömegű két fekete lyuk összefolyásának regisztrálása már most is kihívást jelent az asztrofizikusoknak. Az a tény, hogy ilyen nehéz fekete lyukak a modern világegyetemben nem képeznek rendes galaxisokat. Megakadályozza a nehéz elemek bőségét, amelyek csökkentik a csillag hővezető képességét. Egy alacsony hővezetővel rendelkező csillag, amely nem képes hőleolvadásra, külső rétegeit lecsökkenti, így a tömeg (tíz napelem tömege) korlátja és a fekete lyuk tömege, amely egy ilyen csillag összeomlása után is marad – 20-25 naptömeg. Minden ismert fekete lyuk a bináris rendszerekben tömege 10-15 naptömeg. És akkor csak két-harminc!

Ez azt sugallja, hogy ezek a fekete lyukak vagy olyan nagyon régi csillagokból alakultak ki, amikor nehéz elemek még nem halmozódtak fel a csillagok, vagy a modern világegyetem egyik olyan kis galaxisaként, amelyek tovább fejlődtek, kevésbé súlyos elemek vannak.

Hogyan alakulnak a fekete lyukak párjai?

Történelmileg az első forgatókönyv ez: egy pár nehéz csillag alakul ki. Ilyen párokat figyeltek meg, sokan közülük világos, hogy hogyan alakulnak ki.Ezután ezek a csillagok összeomlanak és fekete lyukakká válnak. Útban sok érdekes dolog történik: az anyagáramlás az egyik tárgyról a másikra, egy közös héj kialakulása, amelyben egy fekete lyuk és egy csillagkör, elveszítve a szögletes lendületet. Ha ennek eredményeképpen két fekete lyuk közelebb van a 0.2 csillagászati ​​egységhez (a Föld pályájának sugara), akkor az Univerzum létezése alatt a gravitációs hullámok kibocsátása és az egyesülés következtében elveszítik az energiát.

Kellemes megjegyezni, hogy a forgatókönyv kidolgozásában vezető szerepet az asztrofizikusok (ábécés sorrendben) játszották: Vladimir Lipunov, Konstantin Postnov, Mikhail Prokhorov, Alexander Tutukov és Lev Yungelson. Mégis, a bizonytalanságok nagy része továbbra is fennáll, és a fekete lyukak egyesítésének becslései két nagyságrenddel szétszóródnak.

Tehát a GW 150914-es esemény oka a kis tömegű elemek környezetében kialakult szoros tömegű csillagok kialakulásával magyarázható. És mégis a pár csodálatos: a csillagok és a rájuk maradt fekete lyukak tömeges eloszlást mutatnak. Azonnal két rekord fekete lyuk ad egy kis valószínűséget a téren.Nem valószínű, hogy ilyen esemény észlelése valószínűleg kicsi? Talán, bár nagyon nehéz felmérni. De van még egy út.

Sűrű csillagcsomókban (valószínűleg labda) a legmagasabb test a többszörös interakciók miatt a fürt középpontjában helyezkedik el. A második legnagyobb lesz, de egy kicsit később. Itt tovább veszik az energiát, és végül gravitációsan kötött párt alkotnak. Ezután a pár, "könyökökre támaszkodva", éppen ellenkezőleg, kiugrik a középpontból és általában elhagyja a klasztert. Egy idő után, ami jól illeszkedik az univerzum életébe, a páros összeolvad. E megjegyzés szerzője szerint a második mechanizmus sokkal alkalmasabb erre a konkrét esetre: nincs egy négyzetes kicsi a nehéz pár számára, éppen ellenkezőleg, létezik olyan mechanizmus, amely a legnehezebb fekete lyukak mellett működik. Az ókori gömbökben lévő nehéz elemek alacsony tartalma is rendben van.

Tehát egyetlen eseményen már sok kérdés merül fel, és a teoretikusokat megterhelővé teszi. És mikor jelennek meg tisztességes statisztikák? Közvetlenül tegyél fel sok kérdésta tömeges csillagok evolúciójával – páratlan és egyszemélyes, két nagyságrendű bizonytalanságok azonnal eltűnnek, és új kérdések merülnek fel, amelyeket még mindig nem hiszem. Röviden, lesz még egy epifania. Különösen akkor, amikor a harmadik érzékelő (VIRGO) működésbe lép, ami lehetővé teszi a jel érkezésének irányát, és mindhárom érzékenység növekedni fog.


[1] B. P. Abbott et al. A gravitációs hullámok megfigyelése egy bináris fekete lyukú egyesülésből // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116, 061102.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: