Article Thumbnail

Yerçekimi Dalgaları Sayesinde Uzayda Ses Var

  • 10 Aralık 2021 12:58

Uzun zamandır uzayda ses olmadığı söyleniyor ve bu bir noktaya kadar doğru. Geleneksel ses, içinden geçmek için bir ortam gerektirir ve parçacıklar sıkıştırılıp inceltildiğinde, tek bir darbe için yüksek bir "patlama"dan tekrarlanan kalıplar için tutarlı bir tona kadar her şeyi oluşturduğunda oluşturulur. Bu tür sinyallerin yok olacağı çok az parçacığın olduğu uzayda, güneş patlamaları, süpernovalar, kara delik birleşmeleri ve diğer kozmik felaketler bile daha duyulmadan sessizleşir. Ancak, seyahat etmek için uzayın dokusundan başka bir şey gerektirmeyen başka bir sıkıştırma ve seyrekleşme türü daha var: yerçekimi dalgaları. LIGO'nun ilk pozitif algılama sonuçları sayesinde, Evren'i ilk kez duyuyoruz.

 

Birleşen iki kara delik. İlham, kara deliklerin bir araya gelmesiyle sonuçlanırken, yerçekimi dalgaları fazla enerjiyi uzaklaştırır. Sonuç olarak arka plan uzay-zaman bozulur.

 

Genel Göreliliğe göre yerçekimi dalgaları, yerçekimi teorimizin tutarlı olması için var olması gereken bir şeydi. Birbirinin yörüngesinde dönen herhangi iki kütlenin sonsuza kadar bu konfigürasyonda kalacağı Newton'un yerçekiminden farklı olarak, Einstein'ın teorisi, yeterince uzun süreler boyunca yerçekimi yörüngelerinin bozulacağını öngördü. Güneş'in etrafında dönen Dünya gibi bir şey için, bunu deneyimlemek için asla yaşayamazsınız: Dünya'nın Güneş'e sarmal olarak dönmesi 10^150 yıl sürer. Ancak birbirinin yörüngesinde dönen iki nötron yıldızı gibi daha uç sistemler için, yörüngelerin zamanla bozulduğunu görebiliriz. Enerjiyi korumak için Einstein'ın yerçekimi teorisi, enerjinin yerçekimi dalgaları şeklinde taşınması gerektiğini öngördü.

 

İki nötron yıldızı birbirinin yörüngesinde dolanırken, Einstein'ın Genel Görelilik teorisi, yörüngesel bozulmayı ve kütleçekimsel radyasyon emisyonunu tahmin eder. İlki, noktaların ve çizginin (GR tahmini) nasıl çok iyi eşleştiğinin kanıtladığı gibi, uzun yıllar boyunca çok hassas bir şekilde gözlemlenmiştir.

 

Bu dalgalar çıldırtıcı derecede zayıftır ve uzay-zamandaki nesneler üzerindeki etkileri inanılmaz derecede küçüktür. Ancak onları nasıl dinleyeceğinizi biliyorsanız - tıpkı bir radyonun bileşenlerinin bu uzun frekanslı ışık dalgalarını nasıl dinleyeceğini bilmesi gibi - bu sinyalleri algılayabilir ve diğer sesleri duyar gibi duyabilirsiniz. Bir genlik ve bir frekansla, diğer herhangi bir dalgadan farklı değiller. Genel Görelilik, bu dalgaların neye benzemesi gerektiğine dair açık tahminlerde bulunur ve en büyük dalga üreten sinyaller, tespit edilmesi en kolay olanlardır. En büyük genlik tüm sesler? Birbirine sarmal oluşturan iki kara deliğin ilham verici ve birleştirici "cıvıltısı"dır. 2015 yılının Eylül ayında, gelişmiş LIGO'nun ilk kez veri toplamaya başlamasından birkaç gün sonra, büyük, olağandışı bir sinyal tespit edildi. Herkesi şaşırttı, çünkü 200 milisaniyelik kısa bir patlamada o kadar çok enerji taşıyacaktı ki, gözlemlenebilir Evrendeki tüm yıldızların toplamını gölgede bırakacaktı. Yine de bu sinyalin sağlam olduğu ortaya çıktı ve bu patlamadan gelen enerji, tek bir 62 güneş kütlesinde birleşen 36 ve 29 güneş kütleli iki kara delikten geldi. Üç güneş kütlesini kaçıranlar mı? Saf enerjiye dönüştürüldüler: uzayın dokusunda dalgalanan yerçekimi dalgaları. Bu, LIGO'nun tespit ettiği ilk olaydı.

 

Yerçekimi dalgalarının ilk sağlam tespitinin LIGO'dan gelen sinyali. Dalga formu sadece bir görselleştirme değildir; düzgün dinleseydin gerçekten duyacaklarını temsil ediyor.

 

Şimdi aradan bir yıl geçti ve LIGO şu anda ikinci koşusunda. Sadece başka kara delik-kara delik birleşmeleri tespit edilmekle kalmadı, aynı zamanda yeni dedektörler kulaklarımızı yeni ses türlerine açacağı için yerçekimi dalgası astronomisinin geleceği parlak. LISA gibi uzay interferometreleri daha uzun taban çizgilerine sahip olacak ve daha düşük frekanslı sesleri duyacaktır: nötron yıldızı birleşmeleri, süper kütleli karadeliklerin ziyafeti ve oldukça eşit olmayan kütleli birleşmeler gibi sesler. Pulsar zamanlama dizileri, süper kütleli kara delik çifti OJ 287 gibi tamamlanması yıllar alan yörüngeler gibi daha düşük frekansları bile ölçebilir. Ve yeni tekniklerin kombinasyonları, en eski yerçekimi dalgalarını, kozmik şişme tarafından tahmin edilen kalıntı dalgaları arayacaktır. , Evrenimizin başlangıcına kadar.

 

Kozmik şişme tarafından üretilen yerçekimi dalgaları, insanlığın potansiyel olarak algılamayı tasavvur edebileceği zaman içinde en uzak sinyaldir. BICEP2 ve NANOgrav gibi işbirlikleri önümüzdeki on yıllarda bunu dolaylı olarak yapabilir.

 

Duyacak çok şey var ve biz ilk kez dinlemeye daha yeni başladık. Neyse ki, astrofizikçi Janna Levin - Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space adlı fantastik kitabın yazarı - 3 Mayıs bu akşam 19.00 Doğu / 16.00 Pasifik'te Çevre Enstitüsü'nde halka açık konferans vermeye hazırlanıyor. burada canlı yayınlandı ve benim tarafımdan gerçek zamanlı olarak canlı bloglandı! Bu inanılmaz konu hakkında daha fazla bilgi için bize katılın ve onun konuşmasını duymak için sabırsızlanıyorum. Canlı blog Pasifik saat 16:00'dan birkaç dakika önce başlayacak; burada bize katılın ve takip edin!

 

Genel Relativist resimde uzay-zamanın yerçekimi kütleleri tarafından bükülmesi.

 

15:50: Gösteri saatine on dakika kaldı ve kutlamak için, yerçekimi ve yerçekimi dalgaları hakkında on eğlenceli gerçek (ya da alabileceğimiz kadar) burada.

1.) Kütleler arasında görünmez bir kuvvetin uygulandığı "uzaktan etki" yerine, genel görelilik, madde ve enerjinin uzay-zamanın dokusunu büktüğünü ve çarpık uzay-zamanın kendisini yerçekimi olarak gösteren şey olduğunu söyler.

2.) Yerçekimi sonsuz hızda hareket etmek yerine sadece ışık hızında hareket eder.

3.) Bu önemlidir, çünkü büyük bir nesnenin konumunda, konfigürasyonunda, hareketinde vb. herhangi bir değişiklik meydana gelirse, bunu takip eden yerçekimi değişiklikleri yalnızca ışık hızında yayılır.

 

Kütleçekimsel dalgalar üreten birleşen iki kara deliğin bilgisayar simülasyonu.

 

15:54: 4.) Bu, örneğin yerçekimi dalgalarının yalnızca ışık hızında yayılabileceği anlamına gelir. Bir yerçekimi dalgasını "tespit ettiğimizde", bu kütle konfigürasyonunun değiştiği zamandan gelen sinyali tespit ediyoruz.

5.) LIGO tarafından tespit edilen ilk sinyal, yaklaşık 1,3 milyar ışıkyılı uzaklıkta meydana geldi. Evren, bu birleşme gerçekleştiğinde bugün olduğundan yaklaşık %10 daha gençti.

 

Yerçekimi dalgaları, uzay-zamandaki dalgalanmalardır.

 

6.) Yerçekimi sonsuz hızda hareket ederse, gezegen yörüngeleri tamamen kararsız olacaktır. Gezegenlerin Güneş'in etrafında elipsler halinde hareket etmeleri gerçeği, Genel Görelilik doğruysa, yerçekimi hızının ışık hızına yaklaşık %1'lik bir doğrulukla eşit olması gerektiğini zorunlu kılar.

15:57: 7.) LIGO'nun şimdiye kadar gördüğünden çok daha fazla yerçekimi dalgası sinyali var; sadece tespit edilmesi en kolay sinyali tespit ettik.

8.) Bir sinyali görmeyi "kolay" yapan şey, genliğinin, yani bir yol uzunluğunu veya uzaydaki bir mesafeyi ne kadar deforme edebileceğinin yanı sıra frekansının birleşimidir.

 

LIGO'nun lazer interferometre sisteminin basitleştirilmiş bir örneği.

 

9.) LIGO'nun kolları yalnızca 4 kilometre uzunluğunda olduğundan ve aynalar ışığı binlerce kez yansıttığından (ancak daha fazla değil), bu, LIGO'nun yalnızca 1 Hz veya daha hızlı frekansları algılayabildiği anlamına gelir.

 

Bu yılın başlarında LIGO, yerçekimi dalgalarının ilk kez doğrudan tespit edildiğini duyurdu. Uzayda bir yerçekimi dalgası gözlemevi kurarak, kasıtlı bir uzaylı sinyalini tespit etmek için gerekli hassasiyetlere ulaşabiliriz.

 

10.) Daha yavaş sinyaller için daha uzun kaldıraçlara ve daha fazla hassasiyete ihtiyacımız var ve bu uzaya gitmek anlamına gelecek. Yerçekimi dalgası astronomisinin geleceği bu!

16:01: Başardık! Başlama ve Janna Levin'i tanıtma zamanı! (Merak ediyorsanız, "YON-na" değil, "JAN-na" telaffuz edin.)

 

Şimdiye kadar doğrudan gözlemlenen ilk kara delik çiftinin ilhamı ve birleşmesi.

 

16:05: İşte büyük duyuru/çekim: ilk yerçekimi dalgasının ilk doğrudan kaydı. Einstein'ın genel göreliliği ilk ortaya koymasının üzerinden 100 yıl geçti ve o bir kayıt çalıyor! Gidip dinlediğinizden emin olun! Sonuçta uzayda bir ses "duymak" ne anlama geliyor ve bu neden bir ses? Konuşmasının amacının bu olduğunu söylüyor.

 

Samanyolu düzleminde yer alan Maffei 1 ve Maffei 2 galaksileri, ancak Samanyolu'nun tozunun içinden görülerek ortaya çıkarılabilir. En yakın büyük gökadalardan bazıları olmalarına rağmen, 20. yüzyılın ortalarına kadar keşfedilmediler.

 

16:08: Evrende ne olduğunu düşünürseniz, Galileo'nun zamanında bunların hiçbirini bilmemize imkan yoktu. Güneş lekeleri, Satürn vb. hakkında düşünüyorduk ve büyük kozmik ölçekleri veya mesafeleri tamamen kavrayamadık. "Diğer galaksileri tasarlamayı" unutun, bunların hiçbirini düşünmemiştik!

16:10: Janna, Sloan Digital Sky Survey'den (tanıdığım) en sevdiğim videolardan birini gösteriyor! En yakın galaksilerin 400.000'ini incelediler ve onları üç boyutlu olarak haritaladılar. (Yakındaki) Evrenimiz böyle görünüyor ve gördüğünüz gibi, gerçekten de çoğunlukla boş alan!

 

(Modern) Morgan-Keenan spektral sınıflandırma sistemi, her bir yıldız sınıfının sıcaklık aralığının üzerinde kelvin cinsinden gösterilmiştir.

 

16:12: O gerçekten harika bir noktaya değiniyor ve tamamen geçiştiriyor: 1000'de 1 yıldız bir kara delik haline gelecek. 30 ışıkyılı içinde 400'den fazla yıldız var ve bunların sıfırı O veya B yıldızları ve sıfırı karadelik haline geldi. Bu en mavi, en kütleli ve en kısa ömürlü yıldızlar, büyüyerek kara deliklere dönüşecek olanlardır.

 

Hızlandırılmış bir rokette (solda) ve Dünya'da (sağda) yere düşen bir topun aynı davranışı, Einstein'ın denklik ilkesinin bir göstergesidir.

 

16:15: "Einstein'ın teorisi nereden geldi" diye düşündüğünüzde, Janna harika bir noktaya değiniyor: denklik ilkesi fikri. Yerçekiminiz varsa, örneğin koltuğunuzda "ağır" hissettiğinizi düşünebilirsiniz. Ama sahip olduğunuz bu tepki, yerçekimi yerine hızlanıyor olsaydınız hissedeceğiniz tepkinin tıpatıp aynısı. Hissettiğin yerçekimi değil, etrafındaki maddenin etkileri!

16:17: OKGO grubu, kusmuk kuyruklu yıldızında uçan bir video yaptı. Janna telif hakkı nedeniyle her şeyi sesli olarak gösteremez ve şiddetle tavsiye eder. Şansınıza, internet sayesinde... işte burada! Boş zamanlarınızda tadını çıkarın!

 

Güneş'in etrafındaki bir yolda Dünya'nın yörüngesini bir kez dolaşmak 940 milyon kilometrelik bir yolculuktur.

 

16:19: Yerçekimi için başka bir büyük keşif daha var: işlerin nasıl çalıştığını anlama şeklimiz, şeylerin nasıl düştüğünü izlemekten geliyor. Ay, Dünya'nın çevresine "düşüyor"; Newton bunu fark etti. Ama Dünya, Güneş'in etrafında dönüyor; Güneş galaksinin etrafına "düşüyor"; ve atomlar burada Dünya'ya "düşüyor". Ama aynı kural hepsi serbest düşüşte olduğu sürece hepsi için geçerlidir. İnanılmaz!

 

Kara delikler, Evrenin doğmadığı bir şeydir, ancak zamanla elde etmek için büyümüştür. Artık Evrenin entropisine hükmediyorlar.

 

16:21: İşte size eğlenceli bir açıklama: Bir kara deliği çökmüş, ezilmiş madde olarak düşünmeyi bırakın, her ne kadar bu şekilde ortaya çıkmış olsa da. Bunun yerine, onu yalnızca güçlü yerçekimi özelliklerine sahip bir boş alan bölgesi olarak düşünün. Aslında, tek yaptığınız uzayın bu bölgesine "kütle" atamak olsaydı, bu mükemmel bir şekilde bir Schwarzschild (yüklü olmayan, dönmeyen) kara deliği tanımlardı.

 

Galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara delik (Sgr A*), tozlu, gazlı bir ortamda örtülüdür. X-ışınları ve kızılötesi gözlemler kısmen onun içini görebilir, ancak radyo dalgaları sonunda onu doğrudan çözebilir.

 

16:23: Eğer Güneş kütlesi kadar bir kara deliğe düşseydiniz, olay ufkunu geçmekten (Janna'ya göre) tekillikte ezilip ölümüne kadar yaklaşık bir mikro saniyeniz olurdu. Bu, Samanyolu'nun merkezindeki kara delik için yaklaşık 10 saniyemiz olan bir zamanlar hesapladığımla tutarlı. Samanyolu'nun kara deliği Güneşimizden 4.000.000 kat daha büyük olduğu için matematik işe yarıyor!

 

Joseph Weber, Weber çubuğu olarak bilinen erken evre yerçekimi dalgası dedektörü ile.

 

16:26: Bir yerçekimi dalgasını nasıl tespit edersiniz? Dürüst olmak gerekirse, okyanusun yüzeyinde olmak gibi olurdu; uzayın yüzeyinde aşağı yukarı sallanırdınız ve toplulukta bu dalgaların gerçek olup olmadığı konusunda büyük bir tartışma vardı. Joe Weber gelip bu kütleçekimsel dalgaları olağanüstü bir cihaz -- bir alüminyum çubuk -- kullanarak denemeye ve ölçmeye karar verene kadar, dalgalanan bir dalga çubuğu çok hafifçe "koparsa" titreyecekti. Weber, yerçekimi dalgalarıyla özdeşleştirdiği bu tür birçok sinyal gördü, ancak bunlar ne yazık ki hiçbir zaman yeniden üretilmedi veya doğrulanmadı. Tüm zekasına rağmen çok dikkatli bir deneyci değildi.

16:29: Jon Groubert'in twitter'dan güzel bir sorusu var: "Söylediği bir şey hakkında bir sorum var - bir kara deliğin içinde bir şey var, değil mi? Ağır bir nötron yıldızı gibi." Ya nokta benzeri (dönmeyen bir tekillik için) ya da tek boyutlu bir halka (dönen bir tekillik için) olan, ancak yoğunlaşmış, çökmüş, üç boyutlu bir madde olmayan bir tekillik olmalıdır.

Neden?

Çünkü bir yapı olarak kalabilmek için parçacıklar arasında bir kuvvetin yayılması ve iletilmesi gerekir. Ancak parçacıklar yalnızca ışık hızındaki kuvvetleri iletebilir. Ancak hiçbir şey, hatta ışık bile bir kara deliğin çıkışına doğru "dışarı" hareket edemez; her şey tekilliğe doğru ilerliyor. Böylece hiçbir şey kendini tutamaz ve her şey tekilliğe çöker. Üzücü ama fizik bunu kaçınılmaz kılıyor.

 

Soldan sağa: iki LIGO dedektörü (Hanford ve Livingston, ABD'de) ve Virgo dedektörü (Cascina, İtalya).

 

16:32: Weber'in başarısızlıklarından (ve şöhretten düşmesinden) sonra, LIGO fikri 1970'lerde Rai Weiss tarafından ortaya çıktı. LIGO'nun meyvelerini vermesi 40 yıldan fazla sürdü (ve bunu gerçekleştirmek için 1000'den fazla insan), ancak en fantastik şey deneysel olarak mümkün olmasıydı. Çok uzun iki kaldıraç kolu yaparak, geçen bir yerçekimi dalgasının etkisini görebilirdiniz.

16:34: Bu, yerçekimi dalgasının ne yaptığını gösteren en sevdiğim video. Uzayın kendisini (ve içindeki her şeyi) küçük bir miktar ileri geri hareket ettirir. Bir lazer interferometre kurulumunuz varsa (LIGO gibi), bu titreşimleri algılayabilir. Ama yeterince yakın olsaydınız ve kulaklarınız yeterince hassas olsaydı, bu hareketi kulak zarınızda hissedebilirdiniz!

16:35: Gerçekten çok iyi kulaklıklarım var Perimeter, ama ne yazık ki Janna'nın çaldığı farklı yerçekimi dalgası modeli sinyallerini duyamıyorum!

 

ABD'nin Washington Eyaletindeki yerçekimi dalgalarını tespit etmek için LIGO Hanford Gözlemevi.

 

16:38: Bunun, LIGO dedektörleri içindeki dünyanın en gelişmiş vakumu olduğunu düşünmek komik. Yine de kuşlar, sıçanlar, fareler vb. hepsi oradadır ve ışığın içinden geçtiği neredeyse vakum odasına girerler. Ama eğer boşluk kırılmış olsaydı (1998'den beri sabitti), deney bitecekti. Louisiana'da avcılar LIGO tünellerine ateş açtı. Bu ekipmanın ne kadar hassas ve pahalı olduğu korkunç ama aynı zamanda ne kadar kırılgan.

16:41: Janna bu hikayeyi merak uyandıran ama çok insani bir şekilde anlatmakla gerçekten harika bir iş çıkarıyor. Yukarıdaki filmde büyük ölçüde yavaşlayan iki yörüngedeki kara deliğin yalnızca son birkaç yörüngesini gördük. Aralarında sadece birkaç yüz kilometre vardı, bu son dört yörünge 200 milisaniye sürdü ve LIGO'nun gördüğü sinyalin tamamı buydu.

16:43: Konuşmadaki olayları dinlemekte/duymakta zorlanıyorsanız, bu videoyu (yukarıda) hem doğal perdede hem de yüksek perdede dinleyin. 26 Aralık 2015 tarihli daha küçük kara delikler (kabaca 8 ve 13 güneş kütlesi), aynı yıl 14 Eylül'den itibaren daha büyük olanlardan (29 ve 36 güneş kütlesi) hem daha sessiz hem de daha yüksek perdelidir.

16:46: Sadece küçük bir düzeltme: Janna, bunun Büyük Patlama'dan bu yana tespit edilen en güçlü olay olduğunu söylüyor. Ve bu sadece teknik olarak doğru, çünkü tespitimizin sınırları var. Herhangi bir kara delik birleşmesi elde ettiğimizde, bir birleşme çiftindeki en küçük kütleli kara deliğin kütlesinin yaklaşık %10'u Einstein'ın E = mc2'si aracılığıyla saf enerjiye dönüştürülür. 29 güneş kütlesi çok ama bir araya gelmiş yüz milyonlarca hatta milyarlarca güneş kütlesinden oluşan kara delikler olacak. Ve kanıtımız var.

 

Şimdiye kadar görülen en büyük kara delik ikili sinyali: OJ 287.

 

16:49: Bu, 150 milyon güneş kütleli bir kara deliğin ~18 milyar güneş kütleli bir kara deliğin yörüngesinde döndüğü OJ 287. Tam bir yörüngenin gerçekleşmesi 11 yıl sürer ve Genel Görelilik burada yörünge başına 270 derecelik bir presesyon öngörürken, Merkür için yüzyılda 43 ark saniyedir.

16:51: Janna burada zamanında biten inanılmaz bir iş çıkardı; Bir Perimeter halka açık konferansında bir saatlik konuşmanın aslında 50 dakikadan sonra bittiğini hiç görmedim. Vay!

 

2000'lerin başında uzaydan alınan NASA uydu görüntülerinin bir bileşiminden bakıldığında Dünya.

 

16:52: Dünya bir kara deliğin içine çekilirse ne olur? (Max'ten Soru-Cevap sorusu.) Janna harika bir cevap veriyor olsa da, yerçekimi dalgası bakış açısından, Dünya'nın parçalara ayrılacağını ve "bulaşmış" bir dalga sinyali alacağımızı belirtmek isterim, bu çok daha gürültülü, statik-y sinyali olurdu. Dünya bir kez yutulduğunda, güneş kütlesinin fazladan üç milyonda biri kara deliğin yarıçapını sadece o kadar küçük, karşılık gelen bir miktarda artıracağından, olay ufku birazcık büyüyecekti.

16:55: Ne eğlenceli bir konuşma, harika ve hızlı bir Soru-Cevap oturumu ve genel olarak harika bir deneyim. Tekrar tekrar keyfini çıkarın, çünkü konuşmanın videosu artık kalıcı bağlantı olarak gömülüdür. Ve ayarladığınız için teşekkürler!

 

-

Referanslar: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/05/03/there-is-sound-in-space-thanks-to-gravitational-waves/?sh=766f153b4049