Gravitationswellen werden zum dritten Mal registriert: Was können wir über das Universum lernen?

Die internationale Zusammenarbeit LIGO-Virgo hat heute zum dritten Mal in der Geschichte die Registrierung von Gravitationswellen angekündigt. Die Quelle war, wie in den beiden vorangegangenen Malen , ein Paar Schwarze Löcher. Zu den Ergebnissen der Studie wird ein Artikel über Physical Review Letters veröffentlicht.

Über das Signal GW170104

Seit der ersten Erkennung und dem ersten wissenschaftlichen Zyklus hat die Empfindlichkeit der Detektoren zugenommen und das technische Rauschen hat abgenommen, wodurch Daten mit höherer Qualität erhalten werden konnten.

Während des zweiten Arbeitszyklus der Advanced LIGO-Observatorien wurde ein Signal festgestellt, das durch Gravitationswellen mit hoher Zuverlässigkeit verursacht wurde. Dieses Signal kann fälschlicherweise alle 70.000 Jahre bei konstanten Beobachtungen auftreten (Signal-Rausch-Verhältnis 13 und Vertrauen größer als 5σ).



Schwarze Löcher mit Massen von ~ 20 und 30 Sonnenstrahlen verschmolzen zu einer großen, während sie Gravitationswellen mit einer Gesamtenergie von etwa zwei Sonnenmassen emittierten. Der Fusionsprozess dauerte weniger als eine Sekunde und zum Zeitpunkt der Fusion beschleunigten sich die Schwarzen Löcher auf 60% der Lichtgeschwindigkeit!

Das Signal erreichte uns mehrere Milliarden Jahre lang (eine Quelle in einer Entfernung von etwa 1000 MPc) und wurde am 4. Januar 2017 von zwei LIGO-Detektoren in den USA registriert

Welches Wissen bekommen wir über das Universum?

In einem früheren Artikel habe ich darüber gesprochen, wie wir wissen, dass das Signal wirklich eine Gravitationswelle ist, und über die Pläne für die Entwicklung der Gravitationswellenastronomie. Dieses Mal werden wir darüber sprechen, warum wir diese Detektoren überhaupt brauchen und dass wir neue Dinge über das Universum lernen können.

Schwerkraftgeschwindigkeit

UPD: Die Geschwindigkeitsschätzung wurde korrigiert und eine Berechnungsmethode hinzugefügt.

Die häufigste Frage zu Gravitationswellen ist die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung. In der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) entspricht diese Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit. Das LIGO-Experiment bestätigt dies mit großer Genauigkeit: Eine Gravitationswelle erreicht zwei LIGO-Detektoren in verschiedenen Teilen der Vereinigten Staaten in einer Entfernung von mehreren tausend Kilometern mit einer gewissen Verzögerung. Wenn wir die Entfernung zwischen den Detektoren und dieser Verzögerung kennen, können wir die Ausbreitungsgeschwindigkeit abschätzen. Und bis zur elften Dezimalstelle entspricht diese Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit.

GTR-Tests

Im Allgemeinen können wir überprüfen, wie unsere Schwarzlochmodelle zu experimentellen Daten passen. Bisher ist alles gleich:


Obwohl nur wenige Parameter ausreichen, um ein Paar Schwarzer Löcher zu beschreiben, ist eine analytische Lösung der Einstein-Gleichungen für ihre Fusion praktisch unmöglich. Daher verwenden Wissenschaftler numerische Berechnungen , um reale Modelle zu erhalten. Und wo es numerische Berechnungen gibt, gibt es alle möglichen Annäherungen, daher ist die Übereinstimmung des erhaltenen Modells mit dem Experiment so wichtig - dies lässt uns sagen, wie wahr unsere Vorstellungen von GR sind.

Natürlich ist es möglich, alle Arten von Modifikationen der allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen. Einige von ihnen können bereits ausgeschlossen sein - zum Beispiel erfordern sie die Streuung von GW oder die Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit. Andere warten auf eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Detektoren zur Überprüfung.
Und die dritten, wie die Erinnerung an den Raum über Wellen , können jetzt überprüft werden.
Im Allgemeinen eine aufregende Zeit für Astrophysiker!

Die Entstehung von Sternen

Aus den Parametern der Schwarzen Löcher können Sie viele Informationen über den Raum und die Entstehung des Universums erhalten. Erstens ist die Beobachtung von Gravitationswellen der erste Beweis für die Existenz gepaarter Schwarzer Löcher. Zweitens sind die Massen dieser Schwarzen Löcher unerwartet groß - niemand hat erwartet, dass gepaarte Schwarze Löcher dieser Masse so häufig sind.

Interessante Schlussfolgerungen können über das Alter von BH-Systemen gezogen werden. Je früher ein Stern vom Beginn des Universums an gebildet wurde, desto weniger Substanz von früheren Sternen darin - desto geringer ist der Gehalt an Metallen. Andererseits hängt die Masse des Schwarzen Lochs von der Menge der darin enthaltenen Metalle ab, so dass anhand der gemessenen Massen des Schwarzen Lochs gesagt werden kann, wie jung die Sterne waren, aus denen sie sich gebildet haben. Daraus folgt die merkwürdige Schlussfolgerung, dass sich gepaarte BHs sowohl in Sternhaufen (wenn die Umgebung jung genug ist) als auch isoliert bilden können, was bisher unbekannt war. Wenn wir die BH-Parameter beobachten, können wir sagen, wie diese Löcher entstanden sind - isoliert oder nicht.

Eine weitere Beobachtung der Parameter des BH, wie beispielsweise des Orbitalmoments, kann zu einem noch besseren Verständnis der kosmologischen Prozesse führen.

Im vergangenen Jahr hat LIGO drei bedeutende Ereignisse aufgezeichnet. Mit zunehmender Detektorempfindlichkeit im nächsten wissenschaftlichen Zyklus wird die Anzahl solcher Ereignisse zunehmen, wodurch wir immer mehr über das Universum erfahren.

Zusätzliche Materialien und Links

1. Was sind Gravitationswellen?


2. Auf der offiziellen LIGO-Website gibt es viele interessante Materialien: Es gibt alle Arten von Videos und Artikeln.
3. Schließen Sie sich der beliebten Suche nach Gravitationswellen durch verteiltes Rechnen auf Einstein @ Home an .
4. Und die Zusammenarbeit hat alle Arten von Medien, in denen ständig interessante Materialien veröffentlicht werden: Twitter , Facebook und Youtube .