Universum
–
en symfoni i skönhet och
elegans
Claes Uggla
Hubble deep field
Vibrationer i universum
en symfoni i tre satser
• 1:a satsen: Vibrationer/strukturer i den
kosmiska bakgrundsstrålningen.
• 2:a satsen: Vibrationer hos svarta hål.
• 3:e satsen: Vibrationer i rumtiden =
gravitationsvågor.
Preludium: Einstein och universum
• Einsteins speciella
relativitetsteori (1905)
(= mekanik utan gravitation)
→ Minkowski (1907) från
absolut tid och Euklidiskt rum
till plan rumtid.
Absolut kausal struktur i det plana
Minkowskirummet.
Albert Einstein Hermann Minkowski
1879-1955
1864 –1909
Minkowski: ”Från och med nu kommer rummet i
sig och tiden i sig att vara dömda till att blekna
till skuggor, endast en slags förening av de två
kommer att bibehålla en oberoende realitet”
• Einsteins allmänna relativitetsteori
(1915) (mekanik med gravitation).
• Gravitationen är speciell:
Den påverkar allt och allt påverkas
på samma sätt.
→
• Ekvivalensprincipen:
Lokalt finns inte gravitation
– lokalt är rummet platt.
• Globalt är gravitation krökt rumtid
– rumtiden är plastisk.
• Rumtidens krökning talar om hur
materien rör sig (1907); materien
talar om hur rumtiden kröks (1915).
• Hubble 1929:
Universum ”expanderar”!!!
Gravitation:
Misner, Thorne, Wheeler
Den första satsen:
Den kosmiska
bakgrundsstrålningen
• Upptäcktes 1964.
• Nobelpris 1978 till
Arno Penzias och
Robert Wilson.
• Svartkroppsstrålning
med temperaturen
2,725 K
(→ mikrovågor).
• Gå bak i tiden i ett expanderande universum
så får man kontraktion.
• Kontraktion
→ ökad materietäthet
→ ökad värme
→ annorlunda villkor för materiella strukturer
→
• Materien var ett ogenomskinligt hett plasma då
vårt 13,7 miljarder år (± 1%) gamla universum
var yngre än 380.000 år gammalt.
• Varning: Historiskt har systematiska fel
systematiskt underskattats!
Den kosmiska bakgrundsstrålningen =
Det ljus som blev kvar då de första atomerna
bildades (H och He) och universum blev
genomskinligt (materia och ljus ”bortkopplades”
från varandra vid ”rekombinationen”; den tidpunkt
då universum blev så pass svalt att elektroner
kunde bindas till väte- och heliumkärnorna i
universum).
Variationer i den nästan helt jämna
kosmiska bakgrundsstrålningen
Cosmic Background Explorer
Uppsänd 1989. Nobelpris 2006.
COBE, NASA, Two-Year Sky Map,
Feb. 1998
Täthetsfluktuationer (ifrån kvantfluktuationer i det
mycket tidiga universum?) i framförallt mörk materia
→ plasma oscillationer (akustiska oscillationer) med
max storlek på ca 230.000 ljusår, p.g.a.
ljudhastigheten i plasmat var 0,6c och att universum
var 380.000 år vid bortkopplingen
→ grunden för storskalig strukturbildning:
protogalaxer → galaxer och gigantiska svarta hål
→ hopar av galaxer och superhopar av galaxer filament.
WMAP Science Team
WMAP (Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe) –
uppskickad 2001.
Planck (och Herschel) sändes upp den
14:e maj 2009. Detaljstudie av den
kosmiska bakgrundsstrålningen.
1 års mätdata av mikrovågor från Planck
(ESA)
Den andra satsen:
Vibrerande svarta hål
• Ett svart hål är en
förutsägelse av Einsteins
allmänna relativitetsteori.
• Vid extrem ansamling av
materia kröker sig
rumtiden att ett område
med en horisont – det
svarta hålets gräns –
bildas.
• Ingenting, inte ens ljus,
kan ta sig ut ifrån detta
område – det går inte att
se bortom horisonten.
http://www.einsteinonline.info/spotlights/singularities
Svarta hål: 4 typer av kandidater
• Ursprungliga (primordial) svarta hål:
Varierande storlek. Bildas i det tidiga universum.
• Stellära svarta hål:
Bildas då stora stjärnor (> ca 10 solmassor ) dör i
supernovaexplosioner.
• Svarta hål med mellanstor massa, d.v.s. med en massa
ca100-1000 gånger större än solen.
Bildas genom sammanslagning av stellära svarta hål
och/eller stjärnor?
• Supermassiva svarta hål:
Svarta hål med miljontals – miljardtals solmassor.
Finns i flertalet galaxer.
Antas bildas genom sammanslagning av protogalaxer
bestående av gas och den första generationens jättestjärnor
i det tidiga universum.
Indirekt detektion av svarta hål genom deras
inverkan på deras synliga omgivning
”Hubble bild” av ett centralt svar hål i galaxen NGC 4261:
Massan = 1,2 miljarder solmassor i ett område stort som solsystemet,
omgivet av en ansamlingsskiva med 800 ljusårs diameter med
50.000 ljusår långa vertikalt riktade jets.
Stjärnor som rör sig kring Vintergatans centrala svarta hål
som är ca 4 miljoner gånger mer massivt än solen.
Subrahmanyan Chandrasekhar,
1910 –1995
• Svarta hål – “de enda perfekta makroskopiska objekten i
universum”! Massa och rotation (och elektrisk laddning) ger en
fullständig beskrivning.
• Det svarta hålets massa och rotation bestämmer dess
vibrationer som entydigt karakteriserar det svarta hålet.
Den tredje satsen:
Gravitationsvågor
Vad är en gravitationsvåg?
• En gravitationsvåg är en krusning/vibration i rumtidens
krökning. Förutsågs existera av Einstein 1916.
Gravitationsvågor från ett par
inspiraliserande svarta hål.
K. Thorne & T. Carnahan
Hur skapas gravitationsvågor och vilka
möjliga detekterbara källor finns det?
•
•
1.
2.
3.
4.
5.
Accelererade elektriska laddningar ger
upphov till elektromagnetiska vågor.
Accelererade massor ger upphov till
gravitationsvågor.
Oväntade källor!
Stokastisk gravitationsvågsbakgrund.
Roterande kompakta stjärnor.
”Utbrott” (bursts): Supernovor, gammablixtar,…
Periodiska källor: Inspiraliserande binära system (SHSH, SH-NS, NS-NS,…), vibrerande svarta hål,…
Hur detekteras gravitationsvågor?
• Indirekt detektion
via energiförluster
hos binära system:
Binärpulsarer (två
neutronstjärnor
roterande kring
varandra).
• PSR1913+16:
Upptäcktes 1974
av Taylor och
Hulse som fick
1993 års Nobelpris
• Direkt detektion: Mycket svårt – varför?
• Gravitationell växelverkan är mycket svagare än all annan
fundamental växelverkan
(t.ex. är den elektromagnetiska kraften mellan elektronen
och protonen i en väteatom 2·1039 gånger större än
gravitationskraften mellan dem).
• Det finns bara en typ av ”gravitationell laddning”
(= ”tung” massa); allt påverkas av gravitation och allt
påverkas på samma sätt → ekvivalensprincipen:
– Svårare att detektera: Endast skillnader i
gravitationsfältet kan detekteras.
– Svårare att generera: Det finns ingen s.k. dipolstrålning
(den dominanta strålningen inom elektromagnetism)
→ s.k. kvadrupolstrålning är den dominerande
strålningsformen.
Detektion som mäter hur avstånden ändras mellan
fria partiklar p.g.a. en förbipasserande
gravitationsvåg uppskattas kräva att man mäter hur
en meter ändras med mindre än en miljontedels
protondiameter!
Problem:
• Laser frekvensintensitetsbrus;
• ”shot noice” (problem att
räkna fotonerna);
• brus från gasrester (ej
perfekt vakuum);
• termiskt brus hos
massorna, trådar, tak;
• seismiskt brus,…
• dataanalys – algoritmer,…
Bredbandsdetektorer
= laserinterferometrar
Tre stora Jordbaserade
laserinterferometrar.
Högfrekvensdetektionsområde,
10 Hz – 10000 Hz:
• LIGO (Laser Interferometer Gravitational
wave Observatory):
1. LIGO Hanford Observatory i staten
Washington
(en med 2 km och en med 4 km armar)
2. LIGO Livingston Observatory i staten
Louisiana (en med 4 km armar).
• Virgo, nära Pisa (en med 3 km armar).
Avancerade LIGO, påbörjad
konstruktion 2011, observationer 2015.
Rymdbaserad laserinterferometer (ESA & NASA):
LISA (Laser Interferometer Space Antenna).
Lågfrekvensdetektionsområde, ca 10−4 Hz - 0,1 Hz
LISA Pathfinder/ST-7 (ESA/NASA, uppskjutning 2012), test.
Augusti 2010 uppgraderades LISA till hög prioritet bland NASAs stora rymdprojekt .
Inspiraliserande par av svarta hål
http://elmer.tapir.caltech.edu/ph237/CourseOutlineA.html
? → !(?) de senaste 5 åren p.g.a.
stora teoretiska och numeriska framsteg.
Vibrerande svarta hål
sänder ut gravitationsvågor
som unikt beskrivs av det
svarta hålets massa och
rotation, de ”rena tonerna”.
Svarta hål kan inte ses
med ljus, men de kan ”ses”
http://www.tpi.uni-jena.de/gravity/Pictures/aeimerger.jpg
med gravitationsvågor.
Gravitationsvågsastronomi
• Nytt kvalitativt och kvantitativt ”fönster” mot universum.
• Ostörd ”helhets genererad” information om
materiebaserade källor (i kontrast mot elektromagnetiska
vågor som byggs upp av individuella accelererade
laddningar), eller svarta hål.
• Information om materiens egenskaper vid extrema
tätheter.
• Binära svarta hål som nya ”standardljus”
– avstånd kan fås från vågform och förändring av vågform.
• Nästan alla extrema fenomen i universum är optiskt dolda,
men de kan ses med gravitationsvågor
→
förvänta det oförväntade!
