Hvad LIGO detektorerne så

Hvad LIGO detektorerne så

Boris Stern
"Trinity Option" №4 (198), 23. februar 2016

LIGO Samarbejde (Laser Interferometrisk Gravitations Observatorium) annoncerede den første direkte registrering [1] af gravitationsbølger, for hundrede år siden forudsagt af Albert Einstein. Opdagelsen blev kendt under udsendelsen af ​​pressekonferencen. De registrerede tyngdebølger udsendes af to fusionerende sorte huller (med en samlet masse på omkring 60 soler) for 1,3 milliarder år siden. Det tog omkring en måned at kontrollere. Ryger om en mulig opdagelse har længe cirkuleret i det videnskabelige samfund.

Hvad så LIGO detektorerne?

Vi så et signal, der så præcis som forventet at slå sammen et par sorte huller (se figur 1). Viser den relative strækning af interferometeret under virkningen af ​​en gravitationsbølge. Lodret skala 10−21det betyder at strække interferometerets fire kilometer arm med 2,5 × 10−15 cm (kan måle strækker sig op til 10−17 se, uanset hvordan fiktion det kan synes). Figuren viser strækningen og komprimeringen af ​​to detektorer (vist i forskellige farver) i en afstand på 3000 km. Først er der en støj, hvor indlysende bølger begynder at dukke op, som bevæger sig oftere og så slutter de pludselig. Hver bølge er en halv drejning af systemet med to sorte huller. De nærmer sig hinanden hurtigt, så tiden mellem toppe falder.Den sidste bølge er næsten et sort hul, selv om det er stærkt deformeret.

Fig. 1. To overlejrede signaler fra to installationer. Billede fra præsentationen

Sådan bestemmes massen af ​​fusionerende objekter? Groft sagt, den endelige frekvens af svingning (jo større masse, jo lavere er frekvensen – tæt på omvendt proportional afhængighed). Det var meget lavt – 350 Hz. Det betyder, at masserne er store – i alt mere end 60 solmasser. Fra asymmetrien af ​​toppene kan individuelle masser af sorte huller trækkes ud – 36 -4 +5 og 28 ± 4 masser af Solen, det sidste huls masse er 62 ± 4 sol. Omkring tre solmasser gik til stråling af gravitationsbølger. Så kraftig stråling (1056 erg / s) ingen nogensinde har registreret. Ovenfor skrev jeg "groft sagt" eller mere præcist, blev alle disse parametre bestemt ved at tilpasse en teoretisk kurve, som er opnået ved numerisk simulering af fusionsprocessen til den faktisk observerede.

Hvordan blev afstanden bestemt?

Den samme teoretiske beregning, som giver den korrekte frekvens og form af kurven, giver amplitude for forvrængningen af ​​rummet på scenen. At vide, at amplituden falder omvendt proportional med afstanden, idet vi ser den endelige amplitude, ved at kende begyndelsen og størrelsen af ​​"radiatoren", bestemmer vi afstanden. Det viser sig omkring 400 megaparsek, men med en stor fejltagelse.

Hvordan bestemmer man hændelsens stilling i himlen? For at billederne fra de to detektorer skulle kombineres, skulle en af ​​dem skiftes med 7 millisekunder – forskellen i tidspunktet for ankomsten af ​​bølgefronten. Således blev vinklen mellem retningen til kilden og linien, som forbinder detektorerne, bestemt. Men kendskabet til denne vinkel giver kun en ring i himlen. Yderligere oplysninger kan trækkes ud af amplitudeforskellen i de to detektorer. Som er forskelligt orienteret Gravitationsbølgen er tværgående, derfor giver skulderen af ​​interferometret rettet over bølgen et større signal. Det lykkedes således at skære en del af ringen; Det område, hvor signalet kunne være kommet fra, havde form af en halvmåne med et areal på ca. 600 kvadratgrader – noget meget svært at finde i dette område ved hjælp af teleskoper.

Ligesom, kigger på billedet. 1, til at estimere massen af ​​fusionerede sorte huller og afstanden til dem?

Det er nødvendigt at estimere rotationsperioden for de fusionerende objekter i sidste øjeblik. Vi ser på billedet og ser at afstanden mellem de sidste toppe er omkring ti gange mindre end mellem risici, det vil sige et sted omkring 5 millisekunder. Dette er en halv rotationsperiode for et stadig stærkt deformeret sort hul.Med hvilken lineær hastighed roterer dens overflade? Sammenlignet med lysets hastighed, men mindre, omkring en tredjedel (marginal Kerr hul) – uanset størrelse.

Derefter vil omdrejningscirkel drejes omkring 500 km, divideres med π, vi får en radius på 170 km. Radien af ​​solmassens sorte hul er 3 km, hvilket betyder, at systemets masse er omkring 60 sol. Faktisk – 62. Fantastisk nøjagtighed, især når du mener, at tiden mellem toppene vi vurderede ved øjet.

Lad os nu prøve at estimere afstanden. Det er lidt mere kompliceret. Amplituden af ​​gravitationsbølgen (relative deformation af rummet) er omvendt proportional med afstanden til kilden. I kilden er deformationen enorm, ja, ikke en, selvfølgelig, men 0,1 er ret realistisk (beregninger giver nøjagtigt denne størrelsesorden). Vi har 10−21 (se enheder langs den vertikale akse) betyder det at vi er omkring 1020 gange længere fra kilden end dens størrelse – 170 km (se ovenfor). Vi får 1,7 × 107 cm × 1020 = 1,7×1027 cm = 0,6 gigaparsec (faktisk 0,4 gigaparsec). Igen ramte en bemærkelsesværdig trods det faktum, at der stadig er usikkerhed om orienteringen af ​​systemets ækvatoriale plan i forhold til synslinien.

Hvad så LIGO endnu mere?

Tre flere lignende hændelser, men med mindre amplitude og dermed mindre pålidelige. Tilsyneladende vil de blive rapporteret senere.

Hvad så Fermi detektorerne?

Team gamma teleskopet Fermi kontrollerede naturligvis dataene den 14. september. Desværre så gamma teleskopet på det rigtige tidspunkt på den anden side. Men Fermi har også hårde røntgen detektorer, der kan secirkadet meste af himlen. De er designet til at registrere gamma-ray bursts og kaldes "Gamma-ray burst monitor", forkortet som GBM.

I 0,4 sekunder efter gravitationsbølger registrerede GBM detektorerne en anden udbrud af hårde røntgenstråler. Han udløste ikke en gamma-ray trigger, der var for svag til det. Den statistiske betydning er 3 sigma, hvilket svarer til en sandsynlighed for en tilfældig udleder på 0,002. Generelt betragtes en sådan betydning som lav, men alt afhænger af sammenhængen. Hvis du ledte efter, er det ikke klart, at i et vilkårligt sted og fundet en bølge af 3 sigma – det er af ringe betydning. Og hvis du kiggede på et bestemt sted og fandt præcis, hvad du ledte efter, er det seriøst. Hertil kommer, at selv om GBM har en dårlig vinkelopløsning (20-30 grader for en sådan svag udbrud), er retningen i overensstemmelse med retningen til kilden til gravitationsbølger, hvilket øger tilliden. Fermi-teamet kontrollerede andre mulige kilder til denne udbrud (sol, atmosfærisk, magnetosfærisk) og afviste dem.Begivenheden ligner meget en svag gamma-stråle burst af en kort klasse, som angiveligt også udsendes under fusionen, men ikke sorte huller, men neutronstjerner. Det ser ud til både varighed og spektrum.

Overspændingsenergi, hvis det virkelig var forbundet med GB 150914, omkring 1049 erg – flere hundrede tusind gange mindre energi udstrålet i form af gravitationsbølger. I princippet et rimeligt forhold. Selvfølgelig, hvis sorte huller fusionerede i et sterilt rum, ville der ikke være nogen røntgenblitz. Men hvis omkring eller omkring en af ​​dem var en vis mængde stof dangling, så er røntgenstråler med en lille forsinkelse ved dannelsen af ​​stødbølger ret sandsynlige. Hvor præcis dette kunne ske, nu næppe nogen vil sige (selvom mekanismen for udsendelse af gamma-ray bursts er ukendt), men der vil sikkert være et stort antal artikler om dette emne.

Hvad giver det os?

Registrering af gravitationsbølger vil ikke give noget til den nationale økonomi – ingen tyngdekraft og nye måder at flytte på. Det tilføjer heller ikke noget til Einsteins triumf – alle gravitationsteorier, der er "venlige" med Relativitetsteori, forudsiges af gravitationsbølger.Desuden siger alle påregnede teorier efter 1913, at disse bølger skal være tværgående. Alle moderne gravitationsteorier, undtagen måske nogle meget marginale, beskriver hvad der sker, når to astrofysiske sorte huller flettes på samme måde. Under alle omstændigheder spurgte jeg Valery Rubakov, som overvåger situationen, hvis resultatet ikke afviser nogen arbejdsversioner af tyngdeorienteringen. Han svarede, at intet som det var sket for ham. Der er teorier, der adskiller sig fra Einstein på nogle skalaer (især de såkaldte teorier f (R)som vi gør, for eksempel Alexey Starobinsky), men alle forskellene er langt fra det, der finder sted i dette tilfælde. Det er for grundfysikken, som professionelle fysikere opfatter det, giver resultatet intet – alle var så sikre på, hvad der var sket.

Og alligevel er eksperimentets værdi enorm, men det ligger på et andet plan – i forholdet mellem videnskab og samfund. Påvisningen af ​​gravitationsbølger demonstrerer igen videnskabens kraft: forudsagt og opdaget. De beregnede den mest komplicerede proces, der opstår med en enorm krumning af rummet – alt viste sig for at være korrekt.Sådan er videnskaben etableret i massernes hoveder.

Hvilke muligheder for astronomi åbner gravitationsbølgerne?

Registrering af sammenløbet mellem to sorte huller på ca. 30 sol er allerede en udfordring for astrofysikere. Faktum er, at sådanne tunge sorte huller i det moderne univers ikke dannes i almindelige galakser. Interfererer med overflod af tunge elementer, der reducerer stjernens varmeledningsevne. En stjerne med lav varmeledningsevne, der ikke kan dumpe varme, dråber sine ydre lag, så de har en grænse for massen (masser af solstammer) og en grænse for den sorte hulmasse, der forbliver efter sammenbruddet af en sådan stjerne – 20-25 solmasser. Alle kendte sorte huller i binære systemer har masser på 10-15 solmasser. Og så bare to til tredive!

Dette tyder på, at disse sorte huller er enten fra meget gamle stjerner dannet i de tidspunkter, hvor tunge elementer endnu ikke er akkumuleret i stjernerne eller i et af de små galakser i det moderne univers, der har længret i deres udvikling, er der færre tunge elementer.

Hvordan danner par sorte huller?

Historisk set er det første scenarie dette: Et par tunge stjerner er dannet. Sådanne par observeres, der er mange af dem, det er klart, hvordan de dannes.Derefter falder disse stjerner sammen og bliver et par sorte huller. Undervejs sker der en masse interessante ting: strømmen af ​​materiale fra det ene objekt til det andet, dannelsen af ​​en fælles skal, hvori et sort hul og en stjernekreds, der taber vinkelmomentet. Hvis der som følge heraf er to sorte huller tættere end 0,2 astronomiske enheder (Jordens kredsløbsradius), så er det under universets eksistens lykkedes at tabe energi på grund af udslip af tyngdebølger og flette.

Det er behageligt at bemærke, at hovedrollen i udviklingen af ​​dette scenarie blev spillet af vores astrofysik (i alfabetisk rækkefølge): Vladimir Lipunov, Konstantin Postnov, Mikhail Prokhorov, Alexander Tutukov og Lev Yungelson. Men der er stadig en masse usikkerheder, og skøn over fusionsgraden af ​​sorte huller er spredt af to størrelsesordener.

Så begivenheden GW 150914 kan forklares ved udviklingen af ​​et tæt par massive stjerner dannet i et miljø med et lille antal tunge elementer. Og alligevel er parret fantastisk: stjernerne og de sorte huller, der er tilbage fra dem, har faldende massefordeling. Umiddelbart giver to pladesorte huller en lille sandsynlighed på pladsen.Kan det være, at sandsynligheden for at opdage en sådan begivenhed er forsvindende lille? Måske, selv om det er meget vanskeligt at vurdere. Men der er en anden måde.

I tætte stjerneklynger (sandsynligvis en bold) ligger den tyngste krop på grund af flere interaktioner i midten af ​​klyngen. Den næststørste vil ankomme der, men lidt senere. Der fortsætter de med at miste energi og til sidst udgør et gravitationsbundet par. Derefter kryber parret, som "stræber med albuer", tværtimod ud af midten og flyver generelt ud af klyngen. Efter et stykke tid, som måske passer ind i universets levetid, går parret sammen. Ifølge forfatteren af ​​denne note er den anden mekanisme meget mere egnet til dette særlige tilfælde: der er ingen kvadratisk lillehed for et tungt par, tværtimod er der en mekanisme, der virker til fordel for de tungeste sorte huller. Det lave indhold af tunge elementer i gamle globulære klynger er også i orden.

Så en enkelt begivenhed rejser allerede mange spørgsmål og gør teoretikere til belastning. Og hvornår vil anstændige statistikker vises? Ryd straks mange spørgsmålforbundet med udviklingen af ​​massive stjerner – parret og enkelt, vil usikkerheder om to størrelsesordener forsvinde straks, og der opstår nye spørgsmål, som vi stadig ikke gætter på. Kort sagt vil der være en anden epifanie. Især når den tredje detektor (VIRGO) træder i drift, hvilket vil gøre det muligt at bestemme sig godt, vil retningen af ​​signal ankomst og følsomheden af ​​alle tre øges.


[1] B.P. Abbott et al. Observation af Gravitational Waves fra en binær Black Hole Merger // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116, 061102.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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