Upptäcktenavgravitationsvågor
PeterJohansson
InstitutionenförFysik
HelsingforsUniversitet
FysikersamfundetiFinland- Årsmöte
Helsingfors,16.03.2016
•
GravitationsvågorsomettfenomenförutspåddesavAlbert
Einsteinår1916baseradpåhansallmännarelativitetsteori.
Rymdtidensgeometri
•
•
•
Gµ⌫
8⇡G
= 4 T↵
c
Rymdtidensmateriaochenergi
Gravitationsvågornaärkrusningarirumtidens metrikochde
transporterarenergisomgravitations-strålning,somutbredersig
medljusetshastighet.
GenomenlinjärapproximationkanviurEinsteinsekvation
2
2
härleda: ⇤h̄
=
16⇡GT
⇤ = @t + r
µ⌫
µ⌫
Dethärärenvågekvation,därhµu beskrivergravitationsvågens
amplitud(eng.strain),dvs.denrelativaändringeniavståndinom
rumtiden:
h̄µ⌫ / l/l
•
•
•
Gravitationsstrålningenuppstårnär
massfördelningenskvadrupol-moment
varieraritiden (jämförmed
dipolmomentet förelektromagnetisk
strålning).
2G d2 Iij
h̄ij (t, x̄) =
(tr )
2
r dt
Enpasserandegravitationsvågtänjer
pårumtiden itvåortogonalariktningar.
Gravitationsvågorgenererasavstarka
gravitationsfält, somvarierarmycket
snabbt,dvs.medenhastighetnära
h
ljusetshastighet(v~c).
Animationavgravitationsvågor
GM
1 ⇣ v ⌘2
⇠ 2 ⇥ ⇥
c
r
c
•
•
Svartahålochneutron
stjärnorsomroterarrunt
varandraienomloppsbanaproducerarstarkt
varierandegravitationsfält:
->gravitationsvågor.
Uppskattadfrekvensfoch
amplitudh:
1/2
cRS
⌦
RS2
f=
⇠
h⇠
3/2
2⇡
rR
10R
•
Tvåsvartahålmed10solmassor varien
• RS=2GM/c2 ärobjektets
omloppsbanapåettavståndav100Mpc:
Schwarzschild radie,somär
21
f
⇠
100
Hz
h
⇠
10
3kmförettobjektmeden
solmassa.
•
•
•
•
Mängdenavsvartahål:Baramassiva
stjärnor(M≥15-20M⊙)lämnareftersig
svartahål,dådomdör.Deflestastjärnor
harmycketmindremassor,ochbara
ungefärvartusendestjärnaärtillräckligt
massivförattbildaettsvarthål.
Stjärnansstruktur:Motslutetavsittliv
påminnerenmassivstjärnaen”lök”och
fusionenskerifleraolikaskal.
Slutetpåfusionen:Tillslutharstjärnans
kärnafusioneratsighelavägentilljärnoch
härstannarfusionenav,eftersom
ytterligarefusionkrävermerenergiänvad
manfårurprocessen.
Supernova:Stjärnanblirinstabilochdess
yttredelarexploderariensupernova.
Kärnankankollaberatillettsvarthålom
dessmassaöverstiger3solmassor.
Resternaeffer supernovanCassiopeia A
Ensimulationgjordavvårforskningsgrupp
sombeskriveruppkomstenavettsupermassivtsvarthålidettidigaUniversumet.
• Ingametaller:Idetmyckettidiga
Universumetfannsdetännuinga
grundämnen,somvartyngreänväte
ochhelium.
• Deförstastjärnorna:Omdetfanns
molekylärtväte(H2)igasenkunde
denkylanersigochkollabera.
Resultatetblevmassivastjärnor,som
senarekundegeupphovtillsvarta
hål.
• Direktasvartahål:Omdetintefanns
molekylärtvätevarnedkylningenav
gasenmycketineffektivochdåvar
detmöjligtattstoragasmoln
kollaberadedirekttillrelativtstora
svartahålmedmassori
storleksordningen:MBH~104-105 M⊙.
•
•
•
•
•
EfterEinsteinsförutsägelseår1916gick
detnästan50årinnan
gravitationsvågornaaccepteradessom
ettreelltfenomensomkanobserveras.
På1960-taletutveckladeJosephWeber
deförsta”gravitationsantennerna”som
varavlångametallcylindrar.
Idé:Gravitationsvågorskullekunna
observerasmedenlaserinterferometer
(1962,Gertsenshtein ochPustovoit;
1972,RainerWeiss(MIT).
Indirektobservationavgravitationsvågor
fråndubbelpulsaren 1974,Hulse&
TaylorNobelpriset1993.
PlaneringenavLIGO leddavKipThorne
(Caltech)ochRainerWeiss(MIT),1979.
•
•
LIGObeståravtvåL-formadelaser-interferometrar,eniLousiana
ocheniWashington.
Armarnaär4kmlångaochlaserstrålenreflekterasframoch
tillbaka400gånger.Normaltinterfererarlaser-ljusetdestruktivt
ochmanfåringensignalut.
•
•
•
Omenavarmarnaändrarsin
längdbrytsinterferensmönstretochviserensignal.
Observatoriernamätersin
omgivningmedseismometrar,accelerometrar,
mikrofoner,magnetometrar,
radioantenner,väderleksmonitorer,elnätverksdetektorerochdetektorerför
LIGO:HanfordobservatorietiWashington
kosmiskstrålning.
Svårigheter:Laserljusetsspridning(vakuum),laserns”shotnoise”frånenskildafotoner,skakningar(passivaochaktiva
motverkningar),speglarnasvärmerörelse,Jordenskrökningpå
4km,etc.
•
•
Advanced LIGObörjade
sinaobservationerförra
sommarenochden14
September,2015,09:50:45
UTCupptäcktesdenförsta
gravitationsvågen.
Under0.2sökarsignalen
från35till150Hzöver8
perioderochdenbästa
förklarningenärenkollision
avtvåsvartahålmed
M1=36M⊙ ochM2=29M⊙
påettavståndav410Mpc,
sommotsvararen
rödförskjutningavz=0.09.
7ms tidsskillnad
Observationenh=10-21motsvararenrelativ
längdförändringsomären10000delav
enprotonsdiameter!
•
•
•
•
Objektenmåstevarakompakta
svartahål,eftersomderörsigmed
enbanfrekvensav75Hzsom
motsvararettavståndpåbara350
km.
Efterkollisionenkanviobservera
”ringdown”-fenomenetivilketdet
nyasvartahåletsättersigienny
Kerrkonfiguration.
Detnyasvartahåletharenmassa
på62M⊙ och3M⊙ strålasborti
gravitationsvågor.
Ienbråkdelavensekundstrålar
objektetgravitationsvågormeden
luminositetsomär10gångerstörre
(m1 m2 )3/5
c3 5
änljusenerginfrånallagalaxeroch
M=
=
⇡
1/5
G 96
(m1 + m2 )
stjärnorihelaUniversumet.
3/5
8/3
f
11/3
f˙
LIGOsimulation
•
•
Framstegeninomdennumeriskarelativitetsteorinharvaritockså
mycketviktiga,eftersomvikannuförutspåidetaljhurensignal
frångravitationsvågorbordeseut.
Dåavståndetmellandesvartahålenärännurelativtstortkanvi
ocksåberäknadesvartahålensdynamikmedenPost-Newtonteori
ivilkenrelativistiskatermerläggstillNewton’s
gravitationsacceleration.Fungeraröverraskandebranertill~10RS.
Ivårforskningsgruppgörsdenhärtypenavsimulationerockså.
• Ettdirektbevisförsvartahål:
Stjärnorna,somgavupphovtillde
tvåsvartahålenmed29ja36M⊙
varförmodligenväldigtmassiva
ochhadetroligenenmycketlåg
metallicitet.
• Neutronstjärnor:Medhjälpav
gravitationsvågorkanvistudera
neutronstjärnornasinrestruktur
ochderasform.
• Supernovor:Varförochhurexakt
exploderarsupernovor.En
asymmetriskexplosionorsakar
gravitationsvågor,somkani
framtidenobserveras.
•
•
•
Nyagravitations-observatorier
byggsruntomvärlden:i
Europa(GEO-HFochVIRGO),i
Indien(INDIGO)ochiJapan
(KARGA).
Idecember2015skötESAupp
LISAPathfinder,varsuppgift
äratttestahurexakt
gravitationsaccelerationenför
frittfallandekropparkan
mätasirymden.
eLISA (Evolved Laster
InterferometerSpaceAtenna)
ärettrymdobservatorium
somplanerasförår2034.
