Fale grawitacyjne jakościowo różnią się od innych detekcji.

O ile wcześniej testowaliśmy GR, nadal można znaleźć zupełnie inny test, który działa równie dobrze. Najbardziej godnymi uwagi testami do tej pory były przesunięcie orbity Merkurego, prawidłowe odchylenie światła przez masywne obiekty oraz przesunięcie ku czerwieni światła poruszającego się wbrew grawitacji. W takich przypadkach czasoprzestrzeń jest statyczna (niezmienna w czasie, bez składników czasowo-przestrzennych w metryki). Z drugiej strony fale grawitacyjne obejmują czasoprzestrzeń zmieniającą się w czasie.

Fale grawitacyjne dostarczają sondy grawitacji silnego pola.

do tej pory wszystko zostało zrobione w słabych sytuacjach, gdzie trzeba dość dokładnie mierzyć rzeczy, aby zobaczyć różnicę między grawitacją GR i Newtona. Podczas gdy same fale grawitacyjne są przewidywaniem linearyzowanej grawitacji i są samą esencją małych perturbacji, ich źródłami będą bardzo ekstremalne środowiska - łączące się czarne dziury, eksplodujące gwiazdy itp. Teraz wiele z nich będzie Pomiędzy naszymi modelami tych ekstremalnych zjawisk a naszym zapisem sygnału fali grawitacyjnej może się nie udać, ale jeśli sygnał zgadza się z naszymi przewidywaniami, jest to znak, że nie tylko mamy rację co do samych fal, ale także co do ich źródeł.

Fale grawitacyjne to nowa granica w astrofizyce.

Ten punkt jest często zapominany, gdy tak bardzo się rozpraszamy po prostu znajdując jakiekolwiek sygnał. Znalezienie pierwszych fal grawitacyjnych to dopiero początek obserwacji astronomicznych.

Mając tylko dwa detektory, LIGO nie może na przykład wskazać źródeł na niebie lepiej niż „z grubsza gdzieś tam”.Ostatecznie, gdy coraz więcej detektorów pojawi się online, istnieje nadzieja, że będziemy w stanie lepiej lokalizować sygnały, abyśmy mogli jednocześnie obserwować ich elektromagnetyczne odpowiedniki.Oznacza to, że jeśli zdarzeniem powodującym fale jest połączenie dwóch gwiazd neutronowych, można by się spodziewać, że uwolni się również dużo światła.Łącząc oba typy informacji, możemy uzyskać nieco więcej wiedzy o systemie.

Fale grawitacyjne są również dobre w badaniu fizyki w najbardziej wewnętrznych, najbardziej zaciemnionych regionach podczas kataklizmów.W przypadku większości eksplozji w kosmosie wszystko, co teraz widzimy, to poświata - gorąca, radioaktywna powłoka materii pozostawiona - i możemy jedynie pośrednio wywnioskować, jakie procesy zachodziły w rdzeniu.Fale grawitacyjne zapewniają nowy sposób uzyskania wglądu w tym zakresie.

Odpowiedź Chrisa stanowi doskonałe wyjaśnienie, dlaczego fale grawitacyjne są ogólnie przydatne do wykrywania. Oto moje zdanie (jako ktoś, kto zajmuje się teorią czarnych dziur) na to, co jest szczególnie interesujące w sygnale, który został ogłoszony wczoraj. Wiele z moich myśli pochodzi z oficjalnej konferencji prasowej NSF oraz z kolokwiów w mojej instytucji.

Samo wydarzenie

Analiza numeryczna zdarzenia fali grawitacyjnej który został zmierzony 14 września 2015 r., ujawnił wiele na temat charakteru zdarzenia, które miało miejsce.

Poniżej znajduje się rysunek z raportu LIGO, który pokazuje sygnał fali grawitacyjnej:

( źródło)

Czerwona linia na każdym wykresie to zmierzony sygnał fali grawitacyjnej z obserwatorium w Hanford w stanie Waszyngton. Niebieska linia to sygnał fali grawitacyjnej mierzony z obserwatorium w Livingston w Luizjanie. Górny lewy wykres pokazuje sam sygnał Hanford, prawy górny wykres pokazuje sygnał Livingston nałożony na sygnał Hanford (zobacz, jak ładnie pasują, udowadniając, że nie było to lokalne źródło hałasu, ale raczej sygnał generowany z jakiegoś kosmicznego odległość).

Najbardziej interesujący jest lewy wykres w drugim rzędzie. Jasnoszara linia zasadniczo pokazuje sygnał, oczyszczony z jak największej ilości szumów (sprzęt jest tak czuły, że różnego rodzaju rzeczy mogą powodować lekkie drgania w przebiegu). Czerwona linia przedstawia przebieg, który zostałby przewidziany za pomocą technik numerycznej ogólnej teorii względności dla układu dwóch czarnych dziur, które wchodzą w siebie spiralnie. To nie przypadek, że obserwowany przebieg (jasnoszary) i przewidywany przebieg (czerwony) tak dobrze pokrywają się.

Oczywiście istnieje wiele analiz, które wymagają sprawdzenia statystycznego znaczenia tych danych. Naukowcy z LIGO odkryli, że w ramach statystycznie znaczącego marginesu, ten kształt fali został prawdopodobnie wyprodukowany przez układ podwójny dwóch czarnych dziur, z których każda jest około trzydzieści razy masywniejsza niż rozmiar Słońca.

szczegóły dotyczące tego, co jest interesujące w tym wydarzeniu.

Czarne dziury ogólnie

Przed wczoraj nie mieliśmy bezpośrednich dowodów na istnienie czarnych dziur. Byliśmy dość pewni istnienia czarnych dziur, ale tylko dzięki pomiarom pośrednim. Jest to pierwszy bezpośredni pomiar czarnej dziury - omawiane obiekty są na tyle masywne i zwarte, że prawie na pewno muszą to być czarne dziury. Co więcej, dane doskonale pasują do naszych ogólnych relatywistycznych przewidywań co do tego, jaki rodzaj promieniowania zostanie uwolniony przez połączenie czarnych dziur. To ogromna wiadomość - fizycy nigdy nie mieli pełnych dowodów na to, że czarne dziury istniały przed wczoraj, chociaż opinia publiczna mogłaby przyjąć to za pewnik. Czarne dziury istnieją i działają tak, jak myśleliśmy. To niesamowite!

Rodzaje czarnych dziur

Z astrofizycznego punktu widzenia jest to dość interesujące, ponieważ obie inspirujące czarne dziury były około 30 razy masywniejsze od Słońca (odtąd określane jako mające „30 mas Słońca”). Astrofizycy nie mieli żadnych przekonujących dowodów na istnienie czarnych dziur w tym zakresie mas. Założono, że mamy czarne dziury w zakresie 3-20 mas Słońca i tak zwane „supermasywne” czarne dziury (które mają miliony, miliardy mas Słońca? Nie jestem astrofizykiem, więc nie mogę powiedzieć). To fascynujący astrofizyczny problem - masa w czarnej dziurze musi skądś pochodzić. W jaki sposób powstaje czarna dziura o masach ~ 30 mas Słońca? Skąd bierze się jego sprawa? Jak masywne jest, gdy po raz pierwszy uformuje się (może z gwiazdy?) I jak bardzo rośnie, gdy już stało się czarną dziurą?

A tak przy okazji, nie właśnie potwierdził istnienie dwóch czarnych dziur o masie Słońca ~ 30. Potwierdziliśmy istnienie jednej czarnej dziury o masach 62 mas Słońca - czarnej dziury pozostałej po połączeniu tych dwóch. A propos, porozmawiajmy trochę o ostatniej czarnej dziurze.

Promieniowanie

Łączna masa dwóch czarnych dziur przed ich połączeniem wynosiła ~ 65 słonecznych szerokie rzesze. Masa ostatniej czarnej dziury wynosiła ~ 62 masy Słońca.

Oznacza to, że 3 masy Słońca zostały wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych, gdy czarne dziury się połączyły. Nie jesteś pod wrażeniem? Cóż, oto jakaś perspektywa: zgodnie z wczorajszą konferencją NSF, moc promieniowania grawitacyjnego podczas ostatnich chwil łączenia się czarnych dziur była większa niż łączna moc każdej gwiazdy we wszechświecie razem wzięta.

To dużo energii, bardzo szybko. Co się stanie, gdy ta energia zostanie uwolniona? Cóż ...

Ring-Down

To moja ulubiona rzecz, ale jest to również rzecz, o której mamy najmniej informacji. Jeśli spojrzysz ponownie na liczbę, którą zawarłem wcześniej w tej odpowiedzi, powiedzmy na drugim wykresie w lewej kolumnie, zauważysz, że wzór wygląda następująco:

Niewielkie wibracje, zwiększające się w amplitudzie częstotliwości, nagle oscylując bardzo szybko z dużą amplitudą, a następnie zanikając prawie do zera.

Ten nagły wzrost częstotliwości nazywa się „ćwierkaniem” i właśnie tego szukało LIGO. To ćwierkanie mówi nam wszystko, co musimy wiedzieć o połączeniu czarnych dziur.

Ale co z tym, co dzieje się później? Wykładniczy zanik sygnału odpowiada powstaniu czarnej dziury (o masach 62 mas Słońca), która ustabilizuje się. Kwestia stabilności czarnej dziury jest niezwykle interesująca, a proces, w którym czarna dziura osiada po pewnych poważnych zaburzeniach (np. Połączeniu z inną czarną dziurą) jest fascynującym przedmiotem badań.

Zasadniczo, jeśli uderzył w czarną dziurę, dzwoni. Kiedy zaburzasz czarną dziurę od jej stabilnego stanu, tworzysz coś, co nazywa się trybami quasinormal - matematycznymi opisami zaburzeń równowagi - które zanikają wykładniczo w czasie, gdy czarna dziura zbliża się do stanu równowagi.

Sygnał eksperymentalny nie zawierają zbyt wielu informacji na temat ring-down. Nie możemy zebrać zbyt wielu informacji o tym, w jaki sposób czarna dziura przechodzi w stabilny stan - po pierwsze, proces ten nie generuje bardzo silnych fal grawitacyjnych i dzieje się to bardzo szybko.

Ale to w porządku . Na rysunku widzimy, jak to się dzieje. Widzimy, jak dwie czarne dziury łączą się, uwalniają trzy masy słoneczne promieniowania, a następnie stabilizują się w stabilnym stanie końcowym. Już samo to jest niesamowicie ekscytujące.

A tak na marginesie, jedna myśl rozstania: to połączenie czarnych dziur miało miejsce około miliarda lat temu. Teraz otrzymujemy tylko jego sygnał.

Oprócz tego, co wymienia Chris White, chciałbym zwrócić uwagę na fakt, że poza kilkoma meteorytami i pyłem zebranym na płytach satelitów i skał z Marsa (oraz promieniami kosmicznymi i garścią neutrin;dzięki Ruslan i Kyle Oman), do tej pory wszystkie informacje docierające do nas z Wszechświata - czy to Słońce, bardziej odległe planety, inne gwiazdy, galaktyki, KMPT itp. - docierały do nas wforma promieniowania elektromagnetycznego.

Fale grawitacyjne to zupełnie nowy sposób zdobywania wiedzy o Wszechświecie.Zarówno z obiektów, w których także widzimy promieniowanie, ale także, na przykład, być może w pewnym momencie inflacji w Wielkim Wybuchu, gdzie za pomocą promieniowania elektromagnetycznego nie możemy zobaczyć dalej niż KMPT, 380000 lat po Wielkim Wybuchu(tak myśleli faceci z BICEP2, że widzieli dwa lata temu, ale okazało się, że to popiół…).

Krótkie uzupełnienie odpowiedzi Chrisa.

Fale grawitacyjne nie są niczym zasłonięte.Jeśli detektory są przeznaczone do pracy na niższych częstotliwościach (w przestrzeni), to mogą „widzieć” fale grawitacyjne pochodzące spoza kosmicznego mikrofalowego tła aż do epoki inflacyjnej.

Kolejną rzeczą, która stała się dziś jasna, jestże połączenia binarne wydają ćwierkanie, które daje masę łączonych komponentów, ale także daje dokładne, niezależne szacunki odległości.Te zdarzenia są odpowiednikiem standardowych świec dla fal EM - „standardowych syren”.

Fale grawitacyjne są głównym składnikiem zjawisk, takich jak łączenie się czarnych dziur

Uważa się, że zdarzenie fali grawitacyjnej GW150914być połączeniem dwóch czarnych dziur o szacunkowych masach 36 + 5 / -4 i 29 ± 4 mas Słońca.Ostateczna masa wynosiła 62 ± 4 masy Słońca.Jeśli nasze obecne modele są poprawne, to brakujące 3,0 ± 0,5 masy Słońca ( 5,3% ) zostały wypromieniowane jako fale grawitacyjne i to w zaledwie 0,2 sekundy.

Gdybyśmy nie mogliwykryć fale grawitacyjne, to 5% byłoby główną luką w naszych modelach.Teraz w tym przypadku wiemy tylko, że zdarzenie to miało miejsce ponieważ wykryliśmy fale, ale zakładając, że zaobserwowaliśmy podobne zdarzenie w widmie elektromagnetycznym, gdybyśmy nie mogli również wykryć fal grawitacyjnych, to byłobyduża wada w naszych obserwacjach wydarzenia.

Dzięki falom grawitacyjnym (GW) można „wiedzieć”, że obiekty tam są - wykryć je bez „widzenia” - wizualnie, tylko dlatego, że obiekt ma masę.

Wszystko, co się porusza i mamasa emituje GW - obecne detektory są czułe tylko na obiekty o masach równych masie wielu Słońc $ 2 \ times 10 ^ {30} ~ \ rm {kg} $ (2 z 30 zerami).

Wyobraź sobiepewnego dnia możemy mieć czujniki-detektory zdolne do wykrywania ruchu dowolnych obiektów o masie, nie widząc ich…

Jedną interesującą implikacją jest to, że fale grawitacyjne są uważane za więcej dowodów na teorię inflacji, która pomaga wyjaśnić jednorodność wszechświata. Jeśli teoria inflacji jest poprawna, a czasoprzestrzeń doświadczyła wykładniczej eksplozji ekspansji, to ekspansja ta nie musi następować w tym samym tempie w każdym punkcie przestrzeni.

W rzeczywistości szanse na to są najwyraźniej tak astronomiczne, że są prawie zerowe. W rezultacie pojedynczy punkt w przestrzeni mógłby rozszerzać się w zupełnie innym tempie niż otaczające go punkty kosmiczne (słyszałem to w porównaniu do nadmuchiwania balonu z defektem w nim, tak że defekt uformował się w bańkę na powierzchni po napompowaniu).

Jak rozumiem, skończyłoby się to z ogromnym tłumem - być może nawet nieskończoną liczbą alternatywnych wszechświatów , całkowicie oddzielnych, ale wciąż „dołączonych” do innych wszechświatów. A skoro każdy wszechświat posiada własne prawa (lub ich brak?) Opisujące siłę, przestrzeń, czas itd., Multiwers mógłby teoretycznie istnieć wiecznie, ze skończonym początkiem, ale bez końca. (Źródło - jeden z moich profesorów fizyki inżynierskiej)

@ Martin Dzięki za informację zwrotną! Wprawdzie w dużej mierze nie znam teorii inflacji, ale powinienem dodać, że profesor mojego profesora był członkiem zespołu Gutha, który pomógł rozwinąć matematykę teorii inflacji. W każdym razie, rozumiem, że chociaż istnieje wiele realnych teorii inflacji, najpoważniejsze modele wymagają obecności promieniowania grawitacyjnego wynikającego z Wielkiego Wybuchu (zwanego pierwotnymi falami grawitacyjnymi). Zgodnie z teorią Gutha inflacja wystąpiła tuż przed Wielkim Wybuchem, a kiedy zatrzymała energię obecną w polu inflatonu, zamieniła się w ciepło i Wielki Wybuch (i dziadka wszystkich fal grawitacyjnych).

Teoria inflacji jest wciąż całkiem nowa (ma dopiero około 40 lat?), więc ma się rozumieć, że każda proponowana obecnie nowa teoria prawdopodobnie będzie zawierała GR ze względu na sukces GR.Więc myślę, że krótka odpowiedź jest taka, że obecne modele inflacji, które zawierają GR, wymagają pierwotnych fal grawitacyjnych, a jeśli istnieją pierwotne fale grawitacyjne, to istnieją fale grawitacyjne.

Oprócz odpowiedzi podanych powyżej chciałbym dodać mocny argument teoretyczny.

Jak wiecie, istnieje prawo Coulomba, które stwierdza, że ​​statyczne oddziaływanie między naładowanymi ciałami zachowuje się przy odległości $ r $ jak $ r ^ {- 2} $. Jest to prawo dalekiego zasięgu: jeśli dotkniemy jednego ładunku, to zgodnie z tym prawem inny poczuje zmianę jednocześnie. Ten punkt widzenia na interakcje elektryczne został całkowicie zmieniony, gdy Maxwell zdał sobie sprawę, że interakcje świetlne, elektryczne i magnetyczne mają tę samą naturę; ponieważ prędkość światła jest skończona, teoria Maxwella mówi nam, że jeśli dotkniemy jednego ładunku, to informacja o zmianie siły - pole elektromagnetyczne - będzie propagować się ze skończoną prędkością - prędkością światła.

Ta koncepcja, koncepcja skończoności wszystkich interakcji, pozostaje więc we wszystkich fundamentalnych teoriach (według współczesnego punktu widzenia) niezależnie od ich natury; to dlatego, że jest to własność naszej czasoprzestrzeni (fakt ten jest ustalony na przykład w jawnej postaci transformacji Lorentza i zasady przyczynowości i pochodzi z ogólnych aksjomatów opartych na symetriach czasoprzestrzennych).

Na przykład ogólna teoria względności opiera się na stwierdzeniu, że lokalnie nasza czasoprzestrzeń wygląda jak ta Minkowskiego, co wymusza skończoność oddziaływań grawitacyjnych. W szczególności równania ogólnej teorii względności na metryce (równania Einsteina), zlinearyzowane przy braku materii, formalnie pokrywają się z tymi, które możemy otrzymać konstruując swobodną teorię bezwładności cząstek bez masy 2, wychodząc od globalnej symetrii Poincarego. Ten ostatni opisuje fale.

Z powyższego punktu widzenia wykrywanie fal grawitacyjnych jest czymś większym niż sprawdzanie ogólnej teorii względności, otwierając nową metodę obserwacji astrofizycznych lub inny sposób sprawdzania GR. Sprawdza właściwość czasoprzestrzeni, która jest podstawą całej współczesnej fizyki fundamentalnej.

Niewyczerpująca lista niektórych perspektyw:

Gwiazda neutronowa równanie stanu

Fale grawitacyjne mogą służyć do weryfikacji równania stanu

Wewnętrzna struktura rozbłysków gamma

Dynamika GRB jest nadal owijana tajemnicą i nic tak naprawdę nie jest w stanie zbadać wewnętrznej struktury GRB tak, jak fale grawitacyjne

Prędkość fal grawitacyjnych

Jeden z bardziej oczywistych, ale nadal nie ustalono, że prędkość fal grawitacyjnych wynosi c (tak, jak powinna)

Testowanie teorii grawitacji

Z technicznego punktu widzenia GR można przebudować, rozluźniając założenia i dopuszczając na przykład skręcenia.Może teoria Bransa-Dicke'a ma rację?

Grawitony

Raczej oczywiste