Έρευνα

Πέντε ασυνήθιστα γεγονότα για τις μαύρες τρύπες που το Παρατηρητήριο LIGO "είδε"

14 Σεπτεμβρίου 2015, λίγες μέρεςΜετά την πρώτη ενεργοποίηση του LIGO, ένα βαρυτικό κύμα πέρασε από τη Γη. Όπως τα δισεκατομμύρια παρόμοια κύματα που έχουν περάσει από τη Γη καθ 'όλη τη διάρκεια της ιστορίας της, αυτό δημιουργήθηκε από τη συστροφή, τη συγχώνευση και τη σύγκρουση δύο μαζικών αντικειμένων που απέχουν πολύ πέρα ​​από τον γαλαξία μας. Από απόσταση περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός, λάβαμε ένα μήνυμα σχετικά με τη συγχώνευση δύο μαύρων οπών. Το σήμα, κινούμενο με την ταχύτητα του φωτός, έφτασε τελικά στη Γη.

Και αυτή τη φορά ήμασταν έτοιμοι. Οι διπλοί ανιχνευτές LIGO είδαν πως τα χέρια τους επεκτάθηκαν και συρρικνώθηκαν από ένα υποατομικό ποσό, αλλά αυτό ήταν αρκετό για να μετακινηθεί η ακτίνα λέιζερ και να προκαλέσει μια προφανή αλλαγή στην εικόνα παρεμβολής. Αρχικά ανακάλυψαμε ένα βαρυτικό κύμα. Τρία χρόνια αργότερα, ανακαλύψαμε ήδη έντεκα από αυτά, δέκα από τα οποία προήλθαν από μαύρες τρύπες. Εδώ είναι αυτό που μάθαμε.

Υπήρχαν δύο "διαδρομές" δεδομένων LIGO: η πρώτη από τις 12 Σεπτεμβρίου 2015 έως 19 Ιανουαρίου 2016 και η δεύτερη, με βελτιωμένη ευαισθησία, από τις 30 Νοεμβρίου 2016 έως τις 25 Αυγούστου 2017. Το τελευταίο λανσάρισμα, ειδικότερα, πραγματοποιήθηκε μαζί με τον ανιχνευτή VIRGO στην Ιταλία, ο οποίος πρόσθεσε όχι μόνο έναν τρίτο ανιχνευτή, αλλά επίσης βελτίωσε σημαντικά την ικανότητά μας να επισημάνουμε τον τόπο εμφάνισης αυτών των κυμάτων βαρύτητας. Το LIGO δεν λειτουργεί προς το παρόν, κλείνει για επισκευές με ενημερώσεις που θα τον κάνουν ακόμα πιο ευαίσθητο. Μια νέα συνεδρία συλλογής δεδομένων θα πρέπει να ξεκινήσει την άνοιξη του 2019.

Στις 30 Νοεμβρίου, η επιστημονική συνεργασία LIGO ανακοίνωσε τα αποτελέσματα της βελτιωμένης ανάλυσης της, η οποία είναι ευαίσθητη στα τελευταία στάδια της συγχώνευσης αντικειμένων με μάζες από 1 έως 100 ηλιακές.

Από τις 11 ανακαλύψεις που έγινανΕπί του παρόντος, το 10 αντιπροσωπεύει τη σύντηξη των μαύρων οπών και μόνο το GW170817 αντιπροσωπεύει τη σύντηξη των αστέρων των νετρονίων. Η σύντηξη των αστερων νετρονίων εμφανίστηκε πλησιέστερα σε μας - μόνο 130-140 εκατομμύρια έτη φωτός. Η πιο μαζική συγχώνευση - GW170729 - ακούσαμε από απόσταση 9 δισεκατομμυρίων ετών.

Αυτά τα δύο ευρήματα αντιπροσωπεύουν επίσης τα περισσότεραη ελαφρύτερη και βαρύτερη σύντηξη με το σχηματισμό κυμάτων βαρύτητας: αστέρια νετρονίων με μάζα 1,46 και 1,27 ηλιακών μαζών συγκρούστηκαν στο GW170817 και μαύρες τρύπες με μάζα 50,6 και 34,3 ηλιακών μαζών συγκρούστηκαν στο GW170729.

Εδώ είναι πέντε εκπληκτικά γεγονότα που μάθαμε μέσω όλων αυτών των ανακαλύψεων.

Το περιεχόμενο

  • 1 # 1. Το Big δεν είναι πάντα ορατό καλύτερα
  • 2 # 2. Περισσότεροι ανιχνευτές είναι καλύτεροι.
  • 3 # 3. Η συγχώνευση της μαύρης τρύπας φωτίζει το σύμπαν
  • 4 # 4. Γεννήτριες ισχύος
  • 5 # 5. Πιο μικρότερα - σύντομα

# 1 Το Big δεν είναι πάντα ορατό καλύτερα

Η μεγαλύτερη συγκέντρωση μαύρης τρύπας είναι η ευκολότερηγια να δουν - και δεν είναι πάνω από 50 ηλιακές μάζες. Τα κύματα βαρύτητας είναι καλά επειδή είναι πιο εύκολα να τα βλέπει από μακριά από μια πηγή φωτός. Το φως χάνει τη φωτεινότητα σε αναλογία με το τετράγωνο της απόστασης: ένα αστέρι που είναι δέκα φορές πιο μακριά θα είναι εκατό φορές πιο ζωντανό. Αλλά τα κύματα βαρύτητας αποσυντίθενται σε άμεση αναλογία με την απόσταση: οι μαύρες τρύπες που βρίσκονται σε τέτοια απόσταση θα παράγουν 1/10, και όχι 1/100, της έντασης του σήματος.

Ως αποτέλεσμα αυτού, μπορούμε να δούμε πολύμαζικά αντικείμενα σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, αλλά δεν βλέπουμε μαύρες τρύπες να συνενώνονται σε 75, 100, 150 ή 200+ ηλιακές μάζες. Από 20 έως 50 ηλιακές μάζες είναι αρκετά συνηθισμένες, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχουμε δει κάτι πάνω από αυτό. Ίσως οι μαύρες τρύπες που προέρχονται από υπερμεγέθεις αστέρες είναι πράγματι σπάνιες.

# 2 Περισσότεροι ανιχνευτές είναι καλύτεροι.

Προσθέστε έναν τρίτο ανιχνευτή ταυτόχροναβελτιώνει την ικανότητα προσδιορισμού της θέσης αντικειμένων και αυξάνει τη συχνότητα ανίχνευσης. Ο LIGO εργάστηκε για περίπου 4 μήνες κατά τη διάρκεια της πρώτης εκτόξευσης και 9 μήνες κατά τη διάρκεια του δεύτερου. Παρ 'όλα αυτά, οι μισές από τις ανακαλύψεις τους συνέβησαν τον τελευταίο μήνα: η VIRGO συνεργάστηκε μαζί της. Το 2017, εντοπίστηκαν γεγονότα βαρυτικού κύματος αυτές τις μέρες:

  • 29 Ιουλίου (μαύρες τρύπες των ηλιακών μαζών 50,6 και 34,3),
  • 9 Αυγούστου (μαύρες τρύπες των ηλιακών μαζών 35,2 και 23,8),
  • 14 Αυγούστου (μαύρες τρύπες των ηλιακών μαζών 30,7 και 25,3),
  • 17 Αυγούστου (αστέρια νετρονίων ηλιακών μαζών 1,46 και 1,27),
  • 18 Αυγούστου (μαύρες τρύπες των ηλιακών μαζών 35,5 και 26,8),
  • 23 Αυγούστου (μαύρες τρύπες των ηλιακών μαζών 39,6 και 29,4).

Κατά τη διάρκεια αυτού του τελευταίου μήνα παρατήρησης, εμείςδιαπιστώθηκαν συγχωνεύσεις περισσότερες από μία φορές την εβδομάδα. Ίσως όταν γίνουμε ευαίσθητοι σε μεγάλες αποστάσεις και σήματα μικρότερων μεγεθών και μαζών, θα αρχίσουμε να βλέπουμε ένα γεγονός την ημέρα το 2019.

# 3 Η συγχώνευση της μαύρης τρύπας φωτίζει το σύμπαν

Όταν βρήκαμε τις μαύρες τρύπεςσυγκρούστηκαν, απελευθέρωσαν περισσότερη ενέργεια στην αιχμή της απ 'ό, τι όλα τα αστέρια στο σύμπαν μαζί. Ο ήλιος μας είναι το πρότυπο που διαμορφώνει την άποψή μας για τα υπόλοιπα αστέρια. Φωτίζει τόσο έντονα ότι η συνολική παραγωγή ενέργειας - 4 x 1026 W - ισοδυναμεί με τη μετατροπή τεσσάρων εκατομμυρίων τόνων ύλης σε καθαρή ενέργεια κάθε δευτερόλεπτο.

Με μια εκτίμηση των ~ 1023 αστέρες στο παρατηρούμενο σύμπαν,Η συνολική ισχύς εξόδου όλων των αστεριών που φωτίζονται στον ουρανό υπερβαίνει τα 1049 βατ σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή: μια τεράστια ποσότητα ενέργειας κατανέμεται σε όλο τον κόσμο. Αλλά μέσα σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου κατά τη διάρκεια της κορυφής της συγχώνευσης των διπλών μαύρων τρυπών, κάθε ένα από τα 10 γεγονότα που παρατηρήθηκαν, από την άποψη της ενέργειας, επισκίασε όλα τα αστέρια στο Σύμπαν σε συνδυασμό. (Αν και αυτό το ποσό είναι σχετικά μικρό). Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι πιο ογκώδεις συγχωνεύσεις κατατάχθηκαν σε αυτόν τον κατάλογο.

# 4. Γεννήτριες ισχύος

Περίπου το 5% της συνολικής μάζας και των δύο μαύρων οπώνπου μετατράπηκε σε καθαρή ενέργεια σύμφωνα με τον τύπο του Einstein E = mc2 κατά τη διάρκεια αυτών των συγχωνεύσεων. Οι κυματισμοί στο διάστημα που παράγουν αυτές οι συγχωνεύσεις μαύρης τρύπας πρέπει να προέρχονται από κάπου και πρέπει κατά κάποιο τρόπο να προέρχονται από τη μάζα των μαύρων οπών που συγχωνεύονται. Κατά μέσο όρο, με βάση το μέγεθος των σημάτων των βαρυτικών κυμάτων που είδαμε και τις αποκατασταθείσες αποστάσεις τους, οι μαύρες τρύπες χάνουν περίπου το 5% της συνολικής τους μάζας, η οποία μετατρέπεται σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων όταν συγχωνευθούν.

  • Το GW170608, η σύντηξη των μαύρων οπών με τη χαμηλότερη μάζα, μετατρέπει 0,9 ηλιακές μάζες σε ενέργεια.
  • Το GW150914, το πρώτο λάμψη μαύρων οπών, μετέτρεψε 3.1 ηλιακές μάζες σε ενέργεια.
  • Το GW170729, η πιο μαζική συγχώνευση μαύρης τρύπας, έχει μετατρέψει 4,8 ηλιακές μάζες σε ενέργεια.

Αυτά τα γεγονότα κυματισμού στοο χωροχρόνος είναι τα πιο ενεργητικά γεγονότα που είναι γνωστά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Παράγουν περισσότερη ενέργεια από οποιαδήποτε σύντηξη αστρίων νετρονίων, εκρήξεις ακτίνων γάμμα ή υπερκαινοφανείς.

# 5 Πιο μικρότερα - σύντομα

Με όλα αυτά που έχουμε δει μέχρι στιγμήςμπορούμε να περιμένουμε ότι θα δούμε τη συγχώνευση των μαύρων οπών με χαμηλότερη μάζα και υψηλότερη συχνότητα. Οι πιο μαζικές συγχωνεύσεις μαύρης τρύπας παράγουν σήματα με το μεγαλύτερο πλάτος, έτσι είναι πιο εύκολο να εντοπιστούν. Ωστόσο, δεδομένου του όγκου και της απόστασης που σχετίζονται, μια διπλάσια απόσταση σημαίνει οκτώ φορές μεγαλύτερο όγκο. Όσο πιο ευαίσθητο είναι το LIGO, τόσο πιο εύκολο είναι να εντοπίσετε τεράστια αντικείμενα σε μεγάλες αποστάσεις από τα κοντινά αντικείμενα μικρής μάζας.

Γνωρίζουμε ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες στις 7, 10, 15ή 20 ηλιακές μάζες, αλλά το LIGO είναι πιο εύκολο να εντοπίσει μια πιο μαζική μαύρη τρύπα μακριά. Αναμένουμε ότι υπάρχουν διπλές μαύρες τρύπες με διαφορετικές μάζες: μία από αυτές θα είναι πολύ πιο μαζική από την άλλη. Καθώς βελτιώνεται η ευαισθησία μας, αναμένουμε ότι θα υπάρξουν περισσότερα, αλλά θα είναι ευκολότερο να βρεθούν οι πιο μαζικές. Αναμένουμε ότι οι πιο τεράστιες από αυτές θα κυριαρχούν στις πρώτες ανακαλύψεις, όπως ακριβώς οι "καυτές Jupiters" κυριάρχησαν στις πρώτες αναζητήσεις για εξωπλανήτες. Καθώς βελτιώνουμε τη διαδικασία αναζήτησης, θα βρούμε περισσότερες μαύρες τρύπες με λιγότερη μάζα.

Όταν ανακοινώθηκε πρώτα η ανακάλυψητο βαρυτικό κύμα, μαζί με αυτό, γεννήθηκε η αστρονομία βαρυτικών κυμάτων. Οι άνθρωποι συνέκριναν το γεγονός αυτό όταν το Galileo έστειλε για πρώτη φορά το τηλεσκόπιό του στον ουρανό, αλλά στην πραγματικότητα είναι πολύ περισσότερο. Ήταν σαν ο ουρανός μας να καλύπτεται από σύννεφα και αναπτύξαμε πρώτα μια συσκευή που μας επιτρέπει να δούμε μέσα από αυτές μια αρκετά φωτεινή πηγή βαρύτητας: τη σύντηξη των μαύρων οπών ή των άστρων νετρονίων. Το μέλλον της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων υπόσχεται να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το σύμπαν, για να το δείξουμε σε ένα νέο φως. Και αυτό το μέλλον έχει ήδη φτάσει.

Είστε έτοιμοι να αποκομίσετε τα οφέλη της; Πείτε στους μας συνομιλία στο τηλεγράφημα.