GW150914 | |
A gravitációs hullámok LIGO mérései Livingston (jobbra) és Hanford (balra) detektorokban, az elméletileg megjósolt értékekhez képest. | |
Érzékelés | |
---|---|
Az észlelés dátuma | 2015. szeptember 14 |
Az eredmények közzététele | 2016. február 11 |
Észlelte | LIGO |
Adat | |
Forrás | két fekete lyuk összeforrása |
A jel időtartama | 0,2 ± 0,1 s |
Vörös váltás ( z ) | 0,09 ± 0,03 |
Teljes felszabadított energia ( E rad ) | 3,0 ± 0,5 M c 2 |
GW150914 a neve a jel eredete az első közvetlen megfigyelése a gravitációs hullámok bejelentette 2016. február 11a LIGO és a Szűz laboratóriumok . Az észlelés történt 2015. szeptember 14a 9 óra 50 perc 45 s UTC a twin amerikai helyszínek Ligo épült Louisiana és Washington állam, háromezer kilométerre.
A hullámforma megegyezik az általános relativitás- előrejelzésekkel egy fekete lyuk pár spirális zuhanásáról és összeolvadásáról , valamint az ebből fakadó fekete lyuk okozta hatásról . Ez a fekete lyukak első közvetlen megfigyelése és a bináris fekete lyukak összeolvadása, ezzel bizonyítva egy ilyen rendszer létezését, és hogy ilyen összeolvadás történhet Hubble ideje alatt . Ez az esemény a gravitációs csillagászatot , a csillagászat új ágát nyitja meg .
A gravitációs hullámok vagy gravitációs hullámok a tér-idő görbületének oszcillációi . Ezek terjednek a fény sebessége egy vákuum (ebben az esetben ez mind a fázisban a sebesség és a csoport sebesség ).
Megjósolták őket 1916a fizikus Albert Einstein (1879-1955) általános relativitáselmélete alapján . Korábban létezésüket francia matematikus és fizikus, Henri Poincaré ( 1854-1912). Einstein és más fizikusok azonnal elgondolkodtak azon, vajon ezek a hullámok léteznek-e anyagi létben, vagy a számításból származó tiszta műtárgyak-e, maga Einstein is többször meggondolta magát a témában.
A gravitációs hullámok létezésére közvetett bizonyítékot nyert 1974köszönhetően, hogy a megfigyelés a mozgás a bináris pulzár PSR B1913 + 16 , melyek Russell Alan Hulse és Joseph Hooton Taylor Jr. elnyerte a fizikai Nobel-díjat 1993-ban bináris rendszerek , mint például a bináris fekete lyukak sugároznak gravitációs hullámok . Ez szűkíti pályájukat, és spirális lefelé irányuló elmozduláshoz vezet egyikről a másikra ( inspirális ), és végül két fekete lyuk esetén az egyesülésükhöz.
A 2014. március 17, a BICEP együttműködés bejelentette, hogy észlelte az ős gravitációs hullámokat. De a 2016. február 9, észlelésüket érvényteleníti a Planck- együttműködés .
A LIGO két gravitációs hullámmegfigyelő központot működtet egységesen: a LIGO csillagvizsgálót Livingstonban ( 30 ° 33 ′ 46.42 ″ É, 90 ° 46 ′ 27.27 ″ W ) Livingstonban , Louisiana, és a LIGO obszervatóriumot Hanfordban a Hanford helyszínen ( 46 ° 27 '). 18.52 "É, 119 ° 24 '27.56" O ) Washington állam Richland közelében . Ezek a helyek 3002 kilométerre vannak egymástól. A megfigyelő össze a jeleket a saját lézer interferométer . A LIGO első mérései 2002 és 2010 között nem észleltek gravitációs hullámot. Ezt egy többéves leállás követte, amelynek során az érzékelőket " Advanced LIGO" nevű továbbfejlesztett verziókkal cserélték le . 2015 februárjában a két fejlett detektor mérnöki üzemmódba került, hivatalos tudományos megfigyelések 2015. szeptember 18-án kezdődtek.
A LIGO első szakaszának fejlesztése és megfigyelései során számos hamis gravitációs hullámjel "vakinjekciója" történt, hogy teszteljék a kutatók képességét az ilyen jelek azonosítására. A vakinjekciók hatékonyságának védelme érdekében a LIGO- nál csak négy tudós volt tudatában az ilyen injekcióknak, és ezt az információt csak azután hozták nyilvánosságra, hogy a jelet a kutatók teljes mértékben elemezték. 2015 szeptemberében azonban még nem került sor ilyen vizsgálatra, amikor a GW150914-et észlelték.
GW150914, amely így nevezték el a kezdőbetűi a „ gravitációs hullám ” (angol nyelvű fordítását gravitációs hullám ), majd az észlelés időpontjától, észlelték a detektorok által LIGO Hanford és Livingston, hogy 9 óra 50 perc 45 s UTC on 2015. szeptember 14. A jel a déli égi féltekéről érkezett ( általában ) , általában a Magellán Felhők irányába (de a forrás jóval túl van velük). A jel több mint 0,2 másodpercig tartott , és frekvenciájában és amplitúdójában nyolc ciklus alatt nőtt 35-ről 150 Hz-re . Madár „ csipogásának ” írták le . A detektálásról a jel megszerzésétől számított három percen belül számoltak be alacsony késésű kutatási módszerek alkalmazásával, amelyek gyors detektálást biztosítanak a detektorok által gyűjtött adatok számára. Az első megfigyelő, hogy megtudjuk, hogy ez egy olasz kutató, Marco Drago, posztdoktori ösztöndíjas Max-Planck Intézet gravitációs fizika a Hannover , Németország . Kezdetben azt hitték, hogy a jel nem valós, és hogy ez egy tesztjel.
A 2015. szeptember 12. és október 20. között gyűjtött tizenhat napos adatok részletesebb statisztikai elemzése lehetővé tette annak kizárását, hogy a GW150914 a kísérlet zajából származik, statisztikai szignifikanciája meghaladja az 5, 1 σ , azaz a megbízhatósági intervallum 99,99998%. A jelet Livingstonon látták hét milliszekundummal, mielőtt Hanfordnál látták volna, ami összhangban áll a gravitációs hullám fénysebességgel való terjedésének idejével a két hely között.
Az előfordulás idején a Szűz gravitációs hullámérzékelő ( Pisa közelében , Olaszországban ) helyben volt felszereltségének javítása érdekében; ha működőképes lett volna, valószínűleg elég érzékeny lett volna a jel észlelésére. A GEO600 ( Hannover közelében , Németországban ) nem volt elég érzékeny a jel észlelésére. Ezért ezen érzékelők egyike sem tudta megerősíteni a LIGO által mért jelet.
Az esemény 410 fényerő távolságon zajlott+160
−180mega parszekre (határozza meg jel amplitúdója) vagy 1,3 ± 0,6 milliárd a fény év , amely megfelel egy vörös eltolódás kozmológiai 0,09 0,03−0.04( 90% -os konfidencia intervallum ). A jel feltételezett vöröseltolódáson keresztüli elemzése azt sugallta, hogy két fekete lyuk fúziójával jött létre, a megfelelő tömegű 36+5
−4és a Nap 29 ± 4-szerese , ami 62 ± 4 naptömegű fúzió utáni fekete lyukhoz vezet. A 3,0 ± 0,5 naptömegű energiakülönbséget gravitációs hullámokként sugározták ki, összhangban a tömeg-energia ekvivalenciával .
A gravitációs hullám által sugárzott energia csúcsa, körülbelül 3,6 × 10 49 W teljesítménnyel, nagyobb volt, mint a megfigyelhető univerzum összes csillagának kisugárzott fényereje . Kip Thorne elmondta: „A rövid ütközés során a gravitációs hullámokba leadott teljes teljesítmény ötvenszer nagyobb volt, mint az univerzum összes csillagának együttesen leadott teljes teljesítménye. "
A 0,2 s időtartama a detektálható jel, a relatív tangenciális (orbitális) sebessége fekete lyukak nőtt 30% -ról 60% a fénysebesség . A 75 Hz-es keringési frekvencia (a gravitációs hullám frekvenciájának fele) azt jelenti, hogy az objektumok csak 350 km távolságban keringtek egymás előtt, mielőtt egyesültek volna. Ez a közeli orbitális sugár azt jelenti, hogy az objektumoknak fekete lyukaknak kell lenniük, mivel egyetlen ilyen ismert tömegű objektumpár sem tud ilyen tömeggel keringeni ilyen közel egymáshoz az egyesülés előtt. Így egy fekete lyuk- neutron csillagpár alacsonyabb frekvencián egyesült volna; az ismert legmasszívabb neutroncsillagnak két naptömege van, és elméleti felső határunk három naptömeg egy stabil neutroncsillagra, így egy neutroncsillag-párnak nem lenne elegendő tömege a fúzió magyarázatához, hacsak nem léteznek egzotikus alternatívák , mint pl. bozont csillagok . Mert Thibault Damour - teoretikus, aki megjósolta a 2000-ben, együttműködve Alessandra Buonanno (in) , a hatása a jel volt megfigyelhető - a fontos ez a megállapítás, hogy „az első alkalom, hogy közvetlen bizonyíték megléte fekete lyukak, és főleg, hogy két fekete lyuk összeolvadhat [...] Ez még fontosabb. Különösen a két fekete lyuk felfedezése miatt érdemel Nobel-díjat ” .
A hullámalak bomlása a csúcsosodás után összhangban volt a fekete lyuk tágulásának csillapított lengéseivel a végső fúziós konfiguráció felé. Bár az örvénylő mozgás jól leírható a jelelemzés indításakor, az olvadási lépést az erős gravitációs tér rendszerében csak általános esetben lehet nagyszabású szimulációkkal (in) megoldani .
A fúzió utáni objektumot feltételezzük, hogy egy Kerr fekete lyuk (azaz forgatható) egy spin-paraméter a 0,67 +0,05−0,07.
A gravitációs hullámérzékelők az egész eget figyelemmel kísérik, a jelek térbeli eredetének meghatározása nélkül. Műszerhálózatra van szükség az esemény égen történő helyének rekonstrukciójához. Ha csak a két LIGO műszer van megfigyelési módban, akkor a GW150914 forrás helyét csak egy banán alakú területtel lehet rekonstruálni. Ezt a 6,9 +0,5 időkésés elemzésével végeztük−0.4 ms , figyelembe véve a két detektor közötti amplitúdót és fáziskoherenciát. Ez az elemzés hiteles, 140 ° 2 (50% -os valószínűséggel) vagy 590 ° 2 (90% -os valószínűséggel) rendelkezőrégiót eredményezett, amely főként a déli égi féltekén (in) található .
Az égnek ezt a területét célozták meg a későbbi megfigyelések a rádió, az optikai, az infravörös közeli, a röntgen és a gamma hullámhosszak területén , valamint az egybeeső neutrínók keresése.
Elektromágneses követésA Gamma Burst teleszkóp figyeli a Fermi Gamma űrtávcsövet gyenge, 50 keV feletti gammasugár törést észlelte , 0,4 másodperccel kezdődött a LIGO által észlelt esemény után, és a bizonytalanság területe egybeesett a LIGO megfigyelésével. A két megfigyelés összefüggésnek számított, hamis riasztási valószínűséggel 0,0022. A két megfigyelés együttvéve a 90% -os konfidencia intervallum 601-ről 199 négyzetfokra csökken.
Az INTEGRAL teleszkóp segítségével, az SPI-ACS egész égbolt eszközön keresztül végzett megfigyelések azonban azt mutatják, hogy az esemény által kibocsátott energia mennyisége kemény röntgensugarak és gammasugarak formájában kevesebb, mint egymillió rész. a gravitációs hullámok formája. Ez a tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy „ez a határ kizárja annak lehetőségét, hogy az esemény közvetlenül összefüggjen a gamma sugárzással, amely a megfigyelő felé irányul” .
A SWIFT Űrtávcső általi megfigyelések az észlelési régió közelében lévő galaxisok közelében két nappal az esemény után nem találtak új röntgensugarat , látható fényt vagy ultraibolya fényt.
VitaA 2016. február 24, Abraham Loeb közzé egy cikket a arXiv amelyben leírja a forgatókönyv, ami magyarázhatja azt a megfigyelést ennek gravitációs hullám által LIGO és az esetleges gammakitörés észrevette a Fermi űrteleszkóp , ha annak eredetét asztrofizikai megerősítették. Loeb feltételezi, hogy egy nagyon masszív, gyorsan forgó csillagban, amelynek a tömege meghaladja a Nap tömegének 100-szorosát, az összeomlása során kifejtett centrifugális erő egy forgó rúd, majd a végén két sűrű (a súlyzó alakú) és végül néhány fekete lyuk. A fekete lyukak "klasszikus" fúziója nem eredményezhet elektromágneses emissziót, de ebben a forgatókönyvben az utolsó fekete lyuk körül felhalmozódott anyag megmagyarázhatja a gamma-sugár törtet , amely egy másodpercig tart és 0,4 másodperccel észlelhető a Fermi által észlelt gravitációs hullám után .
Találjuk az egybeeső neutrínókatAz egybeeső neutrínók keresését az ANTARES és az IceCube teleszkópok végezték . Két fekete lyuk fúziója valóban elektromágneses emissziót és nagy energiájú neutrínókat eredményezhet abban az esetben, ha a fúzió a barion anyagban kellően sűrű környezetben zajlik, és fekete lyuk - akkréciós lemez rendszer jön létre. Az ANTARES távcső nem talált neutrino jelöltet a GW150914 előtt és után ± 500 másodpercen belül. Az IceCube teleszkóp három neutrínót azonos idõintervallumban detektált. Az egyik eseményt a déli féltekéről, kettőt pedig az északi féltekéről eredték. Ez összhangban van a háttérzaj érzékelésének szintjével. Egyik jelölt sem kompatibilis a 90% -os konfidenciaszint zónával. Bár neutrínókat nem detektáltak, a megfigyelés hiánya lehetővé tette az ilyen asztrofizikai esemény során kibocsátott neutrínók számának korlátozását.
A bejelentés a kimutatási készült február 11-én, 2016-os egy sajtótájékoztatón Washingtonban David Reitze, a vezérigazgató LIGO kíséretében szakemberek, mint például Gabriela González, a University of Louisiana, Rainer Weiss származó MIT és Kip Thorne származó Caltech . Egyéb sajtótájékoztatók egyidejűleg került sor szerte a világon, mint a EGO, Cascina Olaszország, és a CNRS központja Párizsban [1] .
Az eredeti bejelentő cikk a sajtótájékoztatón jelent meg a Physical Review Letters-ben , valamint röviddel később megjelent, vagy előzetes nyomtatás céljából azonnal elérhető egyéb cikkek (lásd a LIGO Nyílt Tudományos Központot és az ArXiv előnyomtatásait ). A LIGO egy szavazás során döntött arról , hogy az eredményeket nem a Nature vagy a Science, hanem a Physical Review Letters publikálja-e ; Physical Review Letters a szavazatok nagy többségével.
Amellett, hogy a sajtótájékoztatón, Barry Barish előadást a tudományos felfedezés, hogy a fizikai közösség CERN közel Genf in Switzerland .
2016 májusában az együttműködés egésze, és különösen Ronald Drever (in) , Kip Thorne és Rainer Weiss megkapta az alapvető fizikai díjat a gravitációs hullámok megfigyeléséért. Drever, Thorne, Weiss és a LIGO csapata szintén megkapta a kozmológiai Peter-Gruber-díjat . Drever, Thorne és Weiss a 2016-os Shaw- csillagászati és a Kavli- asztrofizikai díjjal is elismerték . Barish az Olasz Fizikai Társaság (it) (Società Italiana di Fisica) 2016-os Enrico Fermi-díját kapta . 2017 januárjában a LIGO szóvivője , Gabriela González és a LIGO csapata megkapta a Bruno Rossi díjat 2017-ben.
2017-ben a fizikai Nobel-díjat Rainer Weiss , Barry Barish és Kip Thorne kapta "a LIGO detektorhoz és a gravitációs hullámok megfigyeléséhez nyújtott döntő hozzájárulásukért".
Tekintettel ennek az érzékelésnek a fényességére, a kutatók arra számítanak, hogy ez lesz az első a többi észlelés sorozatában az Advanced LIGO detektorainak első működési éve alatt . A következő megfigyelési kampány során a tervek szerint további öt GW150914 típusú fekete lyuk fúziót észlelnek, és évente negyven bináris csillagfúziót észlelnek , ismeretlen számú gravitációs hullámforrással. elméletek. A tervezett fejlesztések remélhetőleg megduplázzák a jel-zaj arányt , így tízszeresére növelik a tér térfogatát, amelyben olyan események észlelhetők, mint a GW150914. Ezenkívül az Advanced Virgo, a KAGRA és egy lehetséges harmadik indiai LIGO detektor kibővíti a hálózatot, és jelentősen javítja a helyzet rekonstrukcióját és a forrásparaméterek becslését.
Az Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) a gravitációs hullámok űrben történő detektálásának javasolt feladata. Az eLISA által kínált érzékenységi tartomány lehetővé tenné a bináris rendszerek, például a GW150914 észlelését körülbelül ezer évvel az egyesülés előtt. Egy ilyen obszervatórium egy eddig ismeretlen forrásosztályt szolgáltatna, és körülbelül tíz megaparszek távolságig képes lenne felismerni őket.
A fúzió utáni fekete lyuk alapvető tulajdonságai, tömege és spinje kompatibilis volt a két fúzió előtti fekete lyukéval, az általános relativitáselmélet előrejelzése szerint. Ez az általános relativitáselmélet első tesztje az erős terepi rezsimben . Nem volt bizonyíték, amely megkérdőjelezné az általános relativitás-előrejelzéseket.
A felfedezés bejelentését követően Thibault Damour azt mondta:
"Ez bizonyítja [...] a téridő dinamikáját, amikor két fekete lyuk összeolvad, ami megerősíti Einstein elméletét páratlan szinten. "
A két fúzió előtti fekete lyuk tömege információt szolgáltat a csillag evolúciójáról . Mindkét fekete lyuk tömegesebb volt, mint a korábban felfedezett csillag fekete lyukak , amire a bináris X megfigyelésekből következtethetünk . Ez azt jelenti, hogy a csillagukból érkező napszeleknek viszonylag gyengéknek kell lenniük, ezért fémességüknek (a hidrogénnél és a héliumnál nehezebb kémiai elemek tömegének frakciója ) gyengébbnek kell lennie, mint a tömeg napjának fele.
Az a tény, hogy a két prefúziós fekete lyukak voltak jelen a kettős csillag rendszer , valamint az a tény, hogy a rendszer kompakt ahhoz, hogy egyesíti az időben az univerzum életkora kényszerek sem az evolúció kettős csillagok vagy dinamikus kialakulását forgatókönyvek függvényében a bináris fekete lyuk kialakulásának módjáról. Az a sebesség, amelyet a fekete lyuk a szupernóva magjának összeomlása során kialakulásakor elnyer ( natális rúgás (en) ), nem mindig nagy. Ellenkező esetben azok a bináris rendszerek lennének érintettek, amelyekben a szupernóva fekete lyukká válik; a gömbös fürtökben lévő fekete lyukak sebessége meghaladja a fürt felszabadulásának sebességét, és kilökődnek, mielőtt dinamikus interakcióval bináris rendszert tudnának létrehozni .
A fúzió felfedezése maga növeli az ilyen események előfordulási sebességének alsó határát, és elvet néhány olyan elméleti modellt, amelyek 1 Gpc −3 a −1 alatti sebességet jósoltak . Az elemzés oda vezetett, hogy a GW150914-hez hasonló események előfordulási gyakoriságának felső határa körülbelül 140 Gpc −3 a −1- ről 17-re csökkent.+39
−13Gpc −3 a −1 .
A graviton egy hipotetikus elemi részecske járó gravitáció, és nem lenne tömegtelen ha, amint azt gondoljuk, gravitáció végtelen tartományban; minél masszívabb egy nyomtávú bozon , annál rövidebb lesz a társított erő tartománya, így a végtelen fénytartomány annak a következménye, hogy a fotonnak nincs tömege; feltételezve, hogy a graviton valóban a szelvény-bozon a jövő kvantumelmélet a gravitáció , a végtelen sok gravitáció azt jelenti, hogy a feltételezett graviton is lenne tömegtelen. A megfigyelések a GW150914 jelentősen javítani - csökkentésével azt egy olyan tényező körülbelül három - a felső határ a graviton tömeges , hogy 2,16 × 10 -58 kg (amely megfelel 1,2 x 10 -22 eV c -2 , vagy egy Compton-hullámhossza nagyobb mint 10 13 km , vagy kb. egy fényév ).