Objav gravitačných vĺn Swinburne Astronomy Productions Marek Bombara, International Masterclasses, 22. 03. 2016 1
Čo sa vlastne stalo 11. februára 2016? New Scientist: Revolution in physics as gravitational waves seen for first time Nature: Einstein s gravitational waves found at last Science: Gravitational waves, Einstein s ripples in spacetime, spotted for first time IOP Physics World: LIGO detects first ever gravitational waves from two merging black holes The New York Times: Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein s Theory The Washington Post: Cosmic breakthrough: Physicists detect gravitational waves from violent black-hole merger Daily Mail: Einstein was right: Scientists detect gravitational waves caused by two black holes colliding 1.3billion years ago in historic experiment proving the theory of general relativity Nový Čas: 100-ročná Einsteinova predpoveď sa potvrdila! Vedci spravili najväčší objav v histórii modernej vedy 2
Všeobecná teória relativity časopriestor sa zakrivuje v dôsledku prítomnosti energie (či už vo forme hmoty alebo žiarenia). Zakrivenie je tým väčšie, čím viac energie pripadá na jednotku objemu. gravitácia je spôsobená zmenami v geometrii priestoru a času: priestoročas sa zakrivuje v blízkosti hmoty jeden z dôsledkov teórie: existencia gravitačných vĺn (zvlnenie priestoru a času) - predpovedané A. Einsteinom v roku 1916 https://en.wikipedia.org/wiki/albert_einstein 3
Zakrivenie časopriestoru T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab 4
Zakrivenie časopriestoru http://ngm.nationalgeographic.com/2014/03/black-holes/finkel-text 5
Čo by mohlo spôsobiť detegovateľnú gravitačnú vlnu? https://en.wikipedia.org/wiki/supernova www.gravity.phys.uwm.edu/ligo/research/highlights/index.html gravitačný kolaps supermasívnej hviezdy spájanie dvoch neutrónových hviezd alebo čiernej diery a neutrónovej hviezdy alebo dvoch čiernych dier 6
Deformácia priestoru pri prechode gravitačnej vlny http://www.relativity.li/en/epstein2/read/i0_en/i9_en/ By Krishnavedala - Own work, CC BY-SA 3.0, https:// commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32941013 7
PSR B1913+16: nepriama detekcia gravitačných vĺn http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/press.html http://www.relativity.li/en/epstein2/read/i0_en/i9_en/ Nobelova cena pre Russell Alan Hulse a Joseph H. Taylor Jr. za rok 1993. 8
Priama detekcia gravitačných vĺn kolaboráciou LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pozorované 14. septembra 2015 publikované a oznámené 11. februára 2016 Hanford, Washington Livingston, Louisiana www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/180/original/ligos_dual_detectors.jpg 9
Princíp detekcie https://en.wikipedia.org/wiki/gravitational_wave 10
Medzinárodná kolaborácia LIGO http://www.ligo.org/about.php LIGO - kolaborácia k januáru 2016: 1006 členov, 83 inštitútov, 15 krajín, založené v 1997, cena jedného prístroja: 300 miliónov dolárov 11
Signál GW150914 12
Pozadie h(f) amplitude spectral density [strain/ p Hz] 10 19 10 20 10 21 10 22 10 23 10 100 10 3 Frequency [Hz] H1 L1 nekorelované zdroje pozadia: ľudská aktivita (rôzne vibrácie, zvuky), zemetrasenia, vyžarovanie prístrojov, elektrická sieť korelované zdroje pozadia: blesky z búrok, slnečná aktivita, kozmické spŕšky pre prípad GW150914 bol Signal/Background = 24 13
Interpretácia signálu GW150914: pozorovanie binárneho systému dvoch čiernych dier a ich spojenia 14
Získané poznatky prvá priama detekcia gravitačných vĺn existujú binárne systémy s čiernymi dierami existujú veľmi hmotné čierne diery, merané hmotnosti čiernych dier ukazujú, že môžu nadobúdať relatívne veľké hodnoty: hmotnosti pred zrážkou: 36 ± 5 M a 29 ± 5 M, finálna 62 ± 4 M. Sú to doteraz najťažšie a najvzdialenejšie čierne diery. čierne diery v binárnych systémoch sa zlúčia do jednej čiernej diery počas veku Vesmíru v detegovateľnom počte energia pripadajúca na gravitačné vlny: 3.0 ± 0.5 M vzdialenosť systému: 410 ± 170 Mpc odhad počtu takýchto prípadov: 2 53 Gpc 3 yr 1 15
Význam objavu zrod vednej oblasti: gravitačnej astronómie. Podobne sa rozvinula aj rádioastronómia, X- ray astronómia alebo neutrínová astronómia gravitačné vlny vznikajú v oblastiach, kde je zakrivenie priestoročasu veľmi výrazné (čierne diery, neutrónové hviezdy, Veľký Tresk). Tieto oblasti sú zvyčajne neviditeľné elektromagneticky, gravitačná informácia však nemá problém postupovať ďalej. možné objavy: ako sa rodia gigantické čierne diery v centrách galaxií, gravitačné vlny z obdobia Veľkého Tresku, spájanie neutrónových a čiernych dier - frekvencie výskytov a skúmanie vlastností, gravitačný kolaps supermasívnych hviezd, overenie platnosti Všeobecnej teórie relativity, iné prekvapenia? 16
Aké boli dôsledky objavov nových uhlov pohľadu na Vesmír? Rádioastronómia: reliktové žiarenie rádiové galaxie, kvazary - vysoká pravdepodobnosť existencie čiernych dier v centrách týchto objektov X-ray astronómia: neutrónové hviezdy (pulzary, magnetary) hviezdni kandidáti na čiernu dieru - napr. Cygnus X-1 Neutrínová astronómia: slnečné neutrína, supernovy Gravitačná astronómia: spojenie dvoch čiernych dier? 17
Plány do budúcnosti http://inspirehep.net/record/1193744?ln=en 18
Možné prvé prekvapenie Fermi Gamma-ray Burst Monitor nachádzajúci sa v Fermi Gamma-ray Space Telescope: http://www.nasa.gov/content/fermi/overview GBM observations at the time of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) event GW150914 reveal the presence of a weak transient source above 50 kev, 0.4 s after the GW event was detected, with a false alarm probability of 0.0022. This weak transient lasting 1 s does not appear connected with other previously known astrophysical, solar, terrestrial, or magnetospheric activity. Its localization is illconstrained but consistent with the direction of GW150914. The duration and spectrum of the transient event suggest it is a weak short Gamma-Ray Burst arriving at a large angle to the direction in which Fermi was pointing, where the GBM detector response is not optimal. If the GBM transient is associated with GW150914, this electromagnetic signal from a stellar mass black hole binary merger is unexpected. http://gammaray.nsstc.nasa.gov/gbm/publications/preprints/gbm_ligo_preprint.pdf 19
Zdroje Abbott B. P. et al.: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116, 061102, (2016), http://arxiv.org/abs/1602.03837 Abbott B. P. et al.: Astrophysical Implications of the Binary Black-Hole Merger GW150914, The Astrophysical Journal Letters 818:L22 (15pp), 2016 February 20 Abbott B. P. et al.: Properties of the binary black hole merger GW150914, http://arxiv.org/abs/1602.03840 Abbott B. P. et al.: Characterization of transient noise in Advanced LIGO relevant to gravitational wave signal GW150914, http://arxiv.org/abs/1602.03844 https://www.ligo.caltech.edu www.ligo.org/ https://dcc.ligo.org/p150914/public www.nobelprize.org Kip S. Thorne: Černé díry a zborcený čas, Mladá fronta, 2004 20
Backup slides 21
https://labcit.ligo.caltech.edu/~beckett/ligo_images/schematic/ 22
www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/167/original/aligo-reach-2.gif 23