GW150914 | |
LIGO měření gravitačních vln v detektorech Livingston (vpravo) a Hanford (vlevo) ve srovnání s teoreticky předpovězenými hodnotami. | |
Detekce | |
---|---|
Datum zjištění | 14. září 2015 |
Zveřejnění výsledků | 11. února 2016 |
Zjištěno uživatelem | LIGO |
Data | |
Zdroj | koalescence dvou černých děr |
Trvání signálu | 0,2 ± 0,1 s |
Červený posun ( z ) | 0,09 ± 0,03 |
Celková uvolněná energie ( E rad ) | 3,0 ± 0,5 M c 2 |
GW150914 je název signálu na vzniku prvního přímého pozorování z gravitačních vln vyhlášeny11. února 2016laboratořemi LIGO a Virgo . Detekce byla provedena14. září 2015do 9 h 50 min 45 s UTC na dvou amerických místech LIGO postavených ve státě Louisiana a Washington do vzdálenosti tří tisíc kilometrů.
Tvar vlny odpovídá obecné relativity předpovědi týkající se spirálovitě podzim a slučování z dvojice černých děr a účinku způsobeného výsledné černé díry . Toto je první přímé pozorování černých děr a sloučení binárních černých děr, čímž se demonstruje existence takového systému a že k takovému sloučení může dojít v době Hubbla . Tato událost otevírá gravitační astronomii , nové odvětví astronomie.
Gravitační vlny nebo gravitační vlny jsou oscilace zakřivení časoprostoru . Oni množí při rychlosti světla ve vakuu (v tomto případě je to jak jejich fáze rychlost a jejich rychlost skupina ).
Byly předpovídány z 1916od fyzik Albert Einstein (1879-1955) na základě jeho teorie obecné relativity . Dříve k jejich existenci přistupoval matematik a fyzik Francouz Henri Poincaré (1854-1912). Einstein a další fyzici okamžitě přemýšleli, zda tyto vlny mají hmotnou existenci, nebo zda se jedná o čisté artefakty vyplývající z výpočtu, sám Einstein na toto téma několikrát změnil názor.
Nepřímé důkazy o existenci gravitačních vln byly získány od 1974díky pozorování pohybu binárního pulsaru PSR B1913 + 16 , za který v roce 1993 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku Russell Alan Hulse a Joseph Hooton Taylor, Jr. Binární systémy , jako jsou binární černé díry , vyzařují gravitační vlny . To zužuje jejich oběžnou dráhu a vede ke spirálovitému pohybu dolů z jedné na druhou ( inspirační ) a nakonec, v případě dvou černých děr, k jejich splynutí.
The 17. března 2014, spolupráce BICEP oznamuje, že detekovala prvotní gravitační vlny. Ale9. února 2016, jejich detekce je zneplatněna Planckovou spoluprací .
LIGO současně provozuje dvě observatoře gravitačních vln : observatoř LIGO v Livingstonu ( 30 ° 33 ′ 46,42 ″ severní šířky, 90 ° 46 ′ 27,27 ″ západní délky ) v Livingstonu v Louisianě a observatoř LIGO v Hanfordu v jaderném komplexu Hanford ( 46 ° 27 ′ 18,52 ″ severní šířky, 119 ° 24 ′ 27,56 ″ západní délky ) poblíž Richlandu ve státě Washington . Tato místa jsou od sebe vzdálená 3 002 kilometrů. Observatoře porovnávají signály ze svých laserových interferometrů . První měření LIGO v letech 2002 až 2010 nezjistila žádnou gravitační vlnu. Následovalo několikaleté odstavení, během něhož byly detektory nahrazeny vylepšenými verzemi s názvem „ Advanced LIGO“. V únoru 2015 byly dva pokročilé detektory uvedeny do inženýrského režimu, přičemž formální vědecká pozorování začala 18. září 2015.
Během vývoje a pozorování první fáze LIGO proběhlo několik „slepých injekcí“ signálů falešných gravitačních vln, aby se otestovala schopnost vědců takové signály identifikovat. Z důvodu ochrany účinnosti slepých injekcí byli o těchto injekcích informováni pouze čtyři vědci ve společnosti LIGO a tato informace byla zveřejněna až poté, co vědci plně analyzovali signál. V září 2015, kdy byl zjištěn GW150914, však žádný takový test neproběhl.
GW150914, který je tak pojmenován po iniciálech slov „ Gravitační vlna “ (anglický překlad gravitační vlny ) následovaných datem detekce, byl pozorován detektory LIGO Hanford a Livingston po dobu 9 h 50 min 45 s UTC na14. září 2015. Signál pocházel z jižní nebeské polokoule (v) , obvykle ve směru Magellanova mraků (ale zdroj je umístěn za nimi). Signál trval déle než 0,2 s a zvyšoval se ve frekvenci a amplitudě po dobu osmi cyklů od 35 do 150 Hz . Byl popsán jako ptačí chirp . Detekce byla hlášena do tří minut od získání signálu pomocí výzkumných metod s nízkou latencí, které poskytují rychlou počáteční analýzu dat shromážděných detektory. První pozorovatel dozvědět se o něm je italský výzkumník, Marco Drago, post-doktorský kolega na Institutu Maxe Plancka pro gravitační fyziku v Hannoveru , Německo . Zpočátku se věřilo, že signál není skutečný a že se jedná o zkušební signál.
Podrobnější statistická analýza dat získaných za období šestnácti dnů shromážděných mezi 12. zářím a 20. říjnem 2015 umožnila vyloučit, že GW150914 pochází ze šumu experimentu, se statistickou významností více než 5, 1 σ , tj. interval spolehlivosti 99,99998%. Signál byl viděn v Livingstonu sedm milisekund před tím, než byl viděn v Hanfordu, což odpovídá době šíření gravitačních vln rychlostí světla mezi těmito dvěma místy.
V době výskytu stával detektor gravitačních vln Panny (poblíž Pisy v Itálii ) pro zdokonalení svého vybavení stacionární; kdyby byl funkční, pravděpodobně by byl dostatečně citlivý na to, aby detekoval signál. GEO600 (poblíž Hannoveru v Německu ) nebyl dostatečně citlivý na to, aby detekoval signál. Žádný z těchto detektorů proto nebyl schopen potvrdit signál měřený pomocí LIGO.
Akce se konala ve vzdálenosti jasu 410+160
-180mega parsecs (stanoveno amplitudy signálu) nebo 1,3 ± 0,6 miliard ze světelných let , což odpovídá rudý posuv kosmologickém 0,09 0,03-0,04( 90% interval spolehlivosti ). Analýza signálu prostřednictvím domnělého červeného posunu naznačuje, že byl vyroben fúzí dvou černých děr s příslušnými hmotnostmi 36+5
−4a 29 ± 4krát větší než Slunce , což vedlo k postfúzní černé díře 62 ± 4 hmotností Slunce. Energetický rozdíl 3,0 ± 0,5 slunečních hmot byl vyzařován jako gravitační vlny, což je v souladu s ekvivalencí hmoty a energie .
Vrchol energie vyzařovaný gravitační vlnou s výkonem asi 3,6 × 10 49 W byl větší než světelný výkon vyzařovaný všemi hvězdami pozorovatelného vesmíru . Kip Thorne řekl: „Celková síla uvolněná v gravitačních vlnách během krátké srážky byla padesátkrát větší než celková síla uvolněná všemi hvězdami ve vesmíru dohromady. "
Během doby 0,2 s detekovatelného signálu se relativní tangenciální (orbitální) rychlost černých děr zvýšila z 30% na 60% rychlosti světla . Orbitální frekvence 75 Hz (polovina frekvence gravitační vlny) znamená, že objekty obíhají kolem sebe ve vzdálenosti pouhých 350 km, než se spojily. Tento blízký orbitální poloměr znamená, že objekty musí být černé díry, protože žádný jiný pár známých objektů s těmito hmotami nemůže před sloučením obíhat tak blízko sebe. Dvojice černých děr a neutronů by tedy splynula na nižší frekvenci; nejmohutnější známá neutronová hvězda má dvě sluneční hmoty a pro stabilní neutronovou hvězdu máme teoretickou horní hranici tří slunečních hmot, takže dvojice neutronových hvězd by neměla dostatečnou hmotnost k vysvětlení fúze, pokud neexistují exotické alternativy , jako například bosonské hvězdy . Pro Thibault Damoura - teoretika, který v roce 2000 předpověděl ve spolupráci s Alessandrou Buonanno (in) účinky pozorovaného signálu - je důležitost tohoto pozorování to, že je to „poprvé, co máme přímý důkaz o existenci černé díry, a zejména to, že dvě černé díry se mohou sloučit [...] To je ještě důležitější. Zaslouží si Nobelovu cenu, zejména za objev dvou černých děr “ .
Rozpad křivky po dosažení vrcholu byl v souladu s tlumenými oscilacemi expanze černé díry směrem ke konečné fúzní konfiguraci. Ačkoli lze vířivý pohyb dobře popsat počáteční analýzu signálu, lze krok tavení v režimu silného gravitačního pole vyřešit pouze v obecném případě pomocí rozsáhlých simulací (in) .
Objekt po fúzi se předpokládá, že je Kerr černé díry (tj. Otočná) s parametrem spin z 0,67 +0,05-0,07.
Detektory gravitačních vln monitorují celou oblohu bez možnosti určení prostorového původu signálů. K rekonstrukci polohy události na obloze je nutná síť přístrojů. Pouze se dvěma nástroji LIGO v pozorovacím režimu lze umístění zdroje GW150914 rekonstruovat pouze s oblastí ve tvaru banánu. To bylo provedeno analýzou časového zpoždění 6,9 +0,5-0,4 ms , s přihlédnutím k amplitudě a fázové koherenci mezi dvěma detektory. Tato analýza vytvořila důvěryhodnou oblast 140 stupňů 2 (pravděpodobnost 50%) nebo 590 stupňů 2 (pravděpodobnost 90%) umístěnou hlavně na jižní nebeské polokouli (v) .
Tato oblast oblohy byla zaměřena následnými pozorováními v oblasti rádiových, optických, blízkých infračervených, rentgenových a gama vlnových délek a také hledáním shodných neutrin.
Elektromagnetické sledováníDalekohled Gamma roztržení Monitor na Fermiho gama kosmického dalekohledu detekován slabý gama vzplanutí nad 50 keV , počínaje 0,4 ů po detekci události podle LIGO a rozloze nejistoty se shoduje s pozorováním, provedené LIGO. Bylo zjištěno, že tato dvě pozorování korelovala s pravděpodobností falešného poplachu 0,0022. Pokud jsou kombinována, obě pozorování snižují 90% interval spolehlivosti z 601 na 199 čtverečních stupňů.
Avšak pozorování pomocí dalekohledu INTEGRAL pomocí celooblohového přístroje SPI-ACS ukazují, že množství energie emitované událostí ve formě tvrdých rentgenových paprsků a paprsků gama je menší než jedna část na milion. forma gravitačních vln. Tato studie dospěla k závěru, že „tento limit vylučuje možnost, že událost je přímo spojena s podstatným gama zářením namířeným na pozorovatele“ .
Pozorování galaxií v blízkosti detekční oblasti vesmírným dalekohledem SWIFT dva dny po události nezjistila žádné nové zdroje rentgenových paprsků , viditelného světla ani ultrafialového záření.
DiskuseThe 24. února 2016, Abraham Loeb publikuje článek na arXiv ve kterém popisuje situaci, která by mohla vysvětlit pozorování tohoto gravitační vlny pomocí LIGO a případné gama vzplanutí spatřen Fermiho vesmírný teleskop , je-li její astrofyzikální původ byl potvrzen. Loeb předpokládá, že ve velmi hmotné rychle rotující hvězdě s hmotností větší než stokrát větší než Slunce by odstředivá síla vyvíjená během jejího zhroucení vedla k vytvoření rotující tyče, pak dvou hmot hustých na jejích koncích (což by celý tvar činky) a nakonec pár černých děr. „Klasická“ fúze černých děr by neměla vytvářet elektromagnetické emise, ale v tomto scénáři by hmota nahromaděná kolem konečné černé díry mohla vysvětlit záblesk gama záření trvající jednu sekundu a spatřený 0,4 sekundy. Po gravitační vlně, detekované Fermi .
Nalezení shodných neutrinHledání shodných neutrin byla prováděna dalekohledy ANTARES a IceCube . Fúze dvou černých děr může skutečně produkovat elektromagnetické emise a vysokoenergetická neutrina v případě, že k fúzi dochází v prostředí dostatečně hustém v baryonové hmotě a že se vytvoří diskový systém s narůstáním černé díry . Dalekohled ANTARES nezjistil žádné kandidátské neutrino v okně ± 500 sekund před a po GW150914. Dalekohled IceCube detekoval tři neutrina ve stejném časovém intervalu. Jedna událost byla identifikována jako událost pocházející z jižní polokoule a dvě pocházející ze severní polokoule. To je v souladu s úrovní detekce šumu pozadí. Žádný z kandidátů není kompatibilní s 90% zónou úrovně spolehlivosti. Ačkoli nebyla detekována žádná neutrina , nedostatek pozorování umožnil stanovení limitu počtu neutrin vydaných během tohoto typu astrofyzikální události.
Oznámení o detekci oznámilo 11. února 2016 na tiskové konferenci ve Washingtonu DC David Reitze, generální ředitel společnosti LIGO, za doprovodu specialistů, jako je Gabriela González z University of Louisiana, Rainer Weiss z MIT a Kip Thorne z Caltech . Další tiskové konference se konala současně po celém světě, jako například na EGO, Cascina v Itálii a na CNRS ústředí v Paříži [1] .
Původní článek s oznámením byl publikován během tiskové konference v časopisu Physical Review Letters , spolu s dalšími články publikovanými krátce poté nebo k dispozici okamžitě pro předtisk (viz LIGO Open Science Center a předtisky na ArXiv ). O volbě zveřejnit výsledky spíše v listinách o fyzické revizi než v přírodě nebo vědě rozhodlo LIGO během hlasování; Fyzická kontrola Dopisy, které obdrží velkou většinu hlasů.
Kromě tiskové konference přednesl Barry Barish představení vědeckého objevu fyzické komunitě v CERNu poblíž Ženevy ve Švýcarsku .
V květnu 2016 získala spolupráce jako celek, zejména Ronald Drever (in) , Kip Thorne a Rainer Weiss, cenu základní fyziky za pozorování gravitačních vln. Drever, Thorne, Weiss a tým LIGO také obdrželi Cenu Petera-Grubera za kosmologii . Drever, Thorne a Weiss byli také oceněni cenou Shaw Prize za astronomii za rok 2016 a Kavliho cenou za astrofyziku za rok 2016. Barish získal Cenu Enrica Fermiho 2016 od Italské společnosti fyziky (it) (Società Italiana di Fisica). V lednu 2017, mluvčí LIGO , Gabriela González a LIGO tým získal cenu Bruna Rossi v roce 2017.
V roce 2017 byla Nobelova cena za fyziku udělena Rainerovi Weissovi , Barrymu Barishovi a Kip Thorneovi „za jejich rozhodující příspěvek k detektoru LIGO a k pozorování gravitačních vln“.
Vzhledem k lesku této detekce vědci očekávají, že bude první v řadě dalších detekcí během prvního roku provozu detektorů Advanced LIGO. Během své další pozorovací kampaně se plánuje detekovat dalších pět fúzí černé díry typu GW150914 a každoročně detekovat čtyřicet fúzí binárních hvězd s neznámým počtem zdrojů gravitačních vln. Exotické, z nichž některé nelze současnými předvídat teorie. Plánovaná vylepšení doufají ve zdvojnásobení poměru signálu k šumu , čímž se o desetinu zvýší objem prostoru, ve kterém lze detekovat události, jako je GW150914. Kromě toho Advanced Virgo, KAGRA a možný třetí detektor LIGO v Indii rozšíří síť a výrazně zlepší rekonstrukci polohy a odhad zdrojových parametrů.
Vyvinutá laserová interferometrová vesmírná anténa (eLISA) je navrhovaná mise k detekci gravitačních vln ve vesmíru. Rozsah citlivosti nabízený systémem eLISA by umožnil detekci binárních systémů, jako je GW150914, asi tisíc let před jejich sloučením. Taková observatoř by poskytovala dříve neznámou třídu zdrojů a mohla by je detekovat až do vzdálenosti asi deseti megaparseků.
Základní vlastnosti, hmota a spin , postfúzní černé díry byly kompatibilní s vlastnostmi dvou pre-fúzních černých děr, podle předpovědí obecné relativity. Toto je první test obecné relativity v režimu silného pole . Nebyly zjištěny žádné důkazy zpochybňující předpovědi obecné relativity.
Po oznámení objevu Thibault Damour řekl:
„Toto je důkaz [...] dynamiky časoprostoru, když se dvě černé díry spojí, což je potvrzení Einsteinovy teorie na bezkonkurenční úrovni. "
Masy dvou prefúzních černých děr poskytují informace o hvězdné evoluci . Obě černé díry byly hmotnější než dosud objevených hvězdné černé díry , která byla odvozených z binárních X pozorování . To znamená, že sluneční větry vycházející z jejich hvězdy musí být relativně slabé, a proto musí být jejich metalicita (zlomek hmotnosti chemických prvků těžších než vodík a helium ) slabší než asi polovina hmotné sluneční hodnoty.
Skutečnost, že dvě předfúzní černé díry byly přítomny v systému binárních hvězd, stejně jako skutečnost, že systém byl dostatečně kompaktní, aby se spojil v době věku vesmíru, omezuje buď vývoj binárních hvězd, nebo scénáře dynamického formování , v závislosti na o tom, jak vznikla binární černá díra. Rychlost, kterou černá díra získá během svého formování během kolapsu jádra supernovy ( natální kop (en) ), není vždy vysoká. Jinak by to ovlivnilo binární systémy, ve kterých se supernova změní na černou díru; černé díry v kulových hvězdokupách by měly rychlost přesahující rychlost uvolňování hvězdokupy a byly by vysunuty, než by byly schopny vytvořit binární systém pomocí dynamické interakce.
Samotný objev fúze zvyšuje spodní hranici rychlosti výskytu takových událostí a odmítá některé teoretické modely, které předpovídaly rychlosti pod 1 Gpc -3 a -1 . Analýza vedla ke snížení horní hranice míry výskytu událostí podobných GW150914 z přibližně 140 Gpc −3 a −1 na 17+39
−13Gpc -3 a -1 .
Gravitonový je hypotetický elementární částice spojené s gravitací, a bylo by massless-li, jak si myslíme, gravitace má nekonečný rozsah; čím masivnější je boson měřidla , tím kratší bude rozsah přidružené síly, takže nekonečný rozsah světla je důsledkem skutečnosti, že foton nemá žádnou hmotnost; za předpokladu, že graviton je skutečně měřidlo boson budoucího kvantové teorie z gravitace , nekonečná řada gravitace znamená, že hypotetický gravitonový by také nehmotné. Pozorování GW150914 významně zlepšují - snížením o faktor asi tři - horní hranici hmotnosti gravitonu na 2,16 × 10-58 kg (což odpovídá 1,2 × 10 −22 eV c − 2 nebo při vlně Comptonovy vlny větší než 10 13 km nebo asi světelný rok ).