Gravitationsvågor skiljer sig kvalitativt från andra upptäckter.

Så mycket som vi har testat GR tidigare är det fortfarande lugnande att hitta en helt annan test som fungerar lika bra. De mest anmärkningsvärda testerna hittills har varit förskjutningen av Merkurius omloppsbana, rätt avböjning av ljus av massiva föremål och rödförskjutning av ljus som rör sig mot gravitationen. I dessa fall anses rymdtiden vara statisk (oförändrad i tid, utan tidsrymdskorsvillkor i mätvärdet). Gravitationsvågor, å andra sidan, involverar en tidsvarierande rymdtid.

Gravitationsvågor ger en sond av starkfältets gravitation.

Testerna så långt har allt gjorts i svaga situationer, där du måste mäta saker ganska noggrant för att se skillnaden mellan GR och newtonsk gravitation. Medan gravitationsvågorna själva är en förutsägelse av linjär tyngdkraft och är själva kärnan i små störningar, kommer deras källor att vara mycket extrema miljöer - att slå samman svarta hål, explodera stjärnor osv. Nu är det mycket saker kan gå fel mellan våra modeller av dessa extrema fenomen och vår inspelning av en gravitationsvågsignal, men om signalen överensstämmer med våra förutsägelser är det ett tecken på att vi inte bara har rätt om vågorna själva utan också om källorna. / p>

Gravitationsvågor är en ny gräns inom astrofysik.

Denna punkt glöms ofta bort när vi blir så distraherade med att bara hitta någon signal. Att hitta de första gravitationsvågorna är bara början för astronomiska observationer.

Med bara två detektorer kan LIGO till exempel inte hitta källor på himlen bättre än "någonstans där ute, ungefär."Så småningom, när fler detektorer kommer online, är hoppet att kunna lokalisera signaler bättre, så att vi samtidigt kan observera elektromagnetiska motsvarigheter.Det vill säga om händelsen som orsakar vågorna är en sammanslagning av två neutronstjärnor, kan man förvänta sig att det också kommer att släppas mycket ljus.Genom att kombinera båda typerna av information kan vi få en hel del mer kunskap om systemet.

Gravitationsvågor är också bra för att undersöka fysiken i de innersta, mest fördunklade regionerna i katastrofala händelser.För de flesta explosioner i rymden är allt vi ser nu efterglödet - det heta, radioaktiva skalet av material som finns kvar - och vi kan bara indirekt dra slutsatsen om vilka processer som hände i kärnan.Gravitationsvågor ger ett nytt sätt att få insikt i detta avseende.

Chris svar ger en utmärkt förklaring till varför gravitationella vågor är användbara att upptäcka i allmänhet. Här är min åsikt (som någon som arbetar med teorin om svarta hål) på vad som är särskilt intressant med signalen som tillkännagavs igår. Många av mina tankar hämtas från den officiella NSF-presskonferensen och från kollokvier vid min institution.

Evenemanget själv

Numerisk analys av gravitationsvåghändelsen som mättes den 14 september 2015, har avslöjat mycket om händelsens natur.

Följande är en figur från LIGO-rapporten som visar gravitationsvågsignalen:

( källa)

Den röda linjen i varje graf är den uppmätta gravitationsvågsignalen från observatoriet i Hanford, Washington. Den blå linjen är gravitationsvågsignalen mätt från observatoriet i Livingston, Louisiana. Grafen längst upp till vänster visar Hanford-signalen ensam, den övre högra grafen visar Livingston-signalen överlagd Hanford-signalen (se hur snyggt de matchar, vilket bevisar att detta inte var en lokal ljudkälla utan snarare en signal som genereras från någon kosmisk avstånd).

Det vänstra diagrammet i andra raden är mest intressant. Den ljusgrå linjen visar i huvudsak signalen, rensad av så mycket buller som möjligt (utrustningen är så känslig att alla möjliga saker kan orsaka små skakningar i vågformen). Den röda linjen representerar vågformen som skulle förutses av teknikerna för numerisk allmän relativitet för ett system med två svarta hål som spiralformade in i varandra. Det är ingen tillfällighet att den observerade vågformen (ljusgrå) och den förutsagda vågformen (röd) överlappar så bra.

Det finns naturligtvis en hel del analys som går till att kontrollera den statistiska betydelsen av dessa data. Forskare vid LIGO har funnit att denna vågform inom en statistiskt signifikant marginal troligen producerades av ett binärt system med två svarta hål, var och en ungefär trettio gånger så massiv som solens storlek.

Nu, för detaljer om vad som är intressant med denna händelse.

Svarta hål i allmänhet

Innan igår hade vi inga direkta bevis för att det fanns svarta hål. Vi var ganska säkra på att det finns svarta hål, men bara genom indirekta mätningar. Detta är den första direkta mätningen av ett svart hål - objekten i fråga är tillräckligt massiva och tillräckligt kompakta för att de nästan säkert måste vara svarta hål. Dessutom passar uppgifterna perfekt till våra allmänna relativistiska förutsägelser om vilken typ av strålning som kommer att frigöras genom en sammanslagning av svarta hål. Det här är enorma nyheter - fysiker hade aldrig fullständiga bevis för att svarta hål fanns före igår, även om allmänheten kanske tar det för givet. Svarta hål finns, och de fungerar som vi trodde att de gjorde. Det är otroligt!

Typer av svarta hål

Ur ett astrofysiskt perspektiv är detta ganska intressant, för båda de inspirerande svarta hålen var ungefär 30 gånger så massiva som solen (hädanefter kallad "30 solmassor"). Astrofysiker hade inga verkliga övertygande bevis för svarta hål i detta massområde. Det antogs att vi hade svarta hål i intervallet 3-20 solmassor, och de så kallade "supermassiva" svarta hålen (som är miljoner, miljarder, solmassor? Jag är inte en astrofysiker så jag kan inte berätta för dig). Detta är ett fascinerande astrofysiskt problem - massan i ett svart hål måste komma någonstans. Vad är den process genom vilken ett svart hål med ~ 30 solmassor bildas? Varifrån tar det sin fråga? Hur massiv är den när den först bildas (kanske från en stjärna?), Och hur mycket växer den efter att den redan har blivit ett svart hål?

Åh, och förresten har vi inte just bekräftat förekomsten av två svarta hål av solmassa ~ 30. Vi har bekräftat att det finns ett svart hål med 62 solmassor - det svarta hålet som återstår efter att de två har gått samman. På tal om, låt oss prata lite om det sista svarta hålet.

Strålning

Den kollektiva massan av de två svarta hålen innan de slogs samman var ~ 65 sol massor. Massan av det slutliga svarta hålet var ~ 62 solmassor.

Vad det betyder är att tre solmassor strålades bort i gravitationsvågor när de svarta hålen smälte samman. Inte imponerad? Tja, här är ett visst perspektiv: enligt NSF-konferensen som gick i går var kraften från gravitationsstrålning under de sista ögonblicken av sammanslagningen av svarta hål mer än den kollektiva kraftuttaget för alla stjärnor i universum tillsammans. >

Det är mycket energi, mycket snabbt. Vad händer när energin släpps? Tja ...

Ring-down

Det här är min personliga favorit, men det är också det vi har minst information om. Om du tittar igen på figuren som jag inkluderade tidigare i det här svaret, till exempel den andra grafen i den vänstra kolumnen, kommer du att märka att mönstret går enligt följande:

Små vibrationer, ökar i amplitud i frekvens, oscillerar plötsligt mycket snabbt vid hög amplitud och dör sedan ner till nästan ingenting.

Den plötsliga ökningen i frekvens kallas en "kvittring", och det är vad LIGO letade efter. Den kvittringen berättar allt vi behöver veta om sammanslagningen av svarta hålen.

Men hur är det med vad som händer efteråt? Signalens exponentiella förfall motsvarar det resulterande svarta hålet (med 62 solmassor) som sätter sig ner i ett stabilt tillstånd. Frågan om svarthålsstabilitet är oerhört intressant, och den process genom vilken ett svart hål slår sig ner efter någon större störning (t.ex. sammanslagning med ett annat svart hål) är ett fascinerande objekt att studera.

I grund och botten, om du slå ett svart hål, det ringer. När du stör ett svart hål bort från dess stabila tillstånd skapar du något som kallas kvasinormala lägen - matematiska beskrivningar av störningen från jämvikt - som förfaller exponentiellt över tiden när det svarta hålet närmar sig jämvikt.

Experimentell signal gör innehåller inte mycket information om uppringningen. Vi kan inte hämta mycket information om exakt hur det svarta hålet sätter sig i ett stabilt tillstånd - processen genererar inte mycket starka gravitationsvågor, för en sak, och det händer väldigt snabbt.

Men det är okej. . I figuren kan vi se det hända. Vi ser två svarta hål smälter samman, släpper ut tre solmassor av strålning och sätter oss sedan ner i ett stabilt slutligt tillstånd. Det ensamma är otroligt spännande.

Åh, förresten, en avskeds tanke: denna sammanslagning i svart hål hände för ungefär en miljard år sedan. Vi får bara signalen nu.

Förutom vad Chris White listar, skulle jag vilja peka på det faktum att, förutom några meteoriter och lite damm som samlats på satelliter och stenar från Mars (och kosmiska strålar och en handfull neutriner;tack Ruslan och Kyle Oman), fram till nu all information som når oss från universum - oavsett om det är solen, de mer avlägsna planeterna, andra stjärnor, galaxer, CMB, etc. - har kommit till oss iformen av elektromagnetisk strålning.

Gravitationsvågor är ett helt nytt sätt att få kunskap om universum.Både från föremål där vi också ser strålning, men också till exempel kanske vid någon tidpunkt inflation vid Big Bang, där vi med hjälp av elektromagnetisk strålning inte kan se längre tillbaka än CMB, 380 000 år efter Big Bang(det här är vad BICEP2-killarna trodde att de såg för två år sedan, men det blev damm ...).

Lägg kort till Chris svar.

Gravitationsvågor döljs inte av någonting.Om detektorer görs för att arbeta vid lägre frekvenser (i rymden) kan de "se" gravitationsvågor som kommer från den kosmiska mikrovågsbakgrunden ända tillbaka till inflationstiden.

En annan sak som har blivit tydlig idag äratt binära sammanslagningar ger en kvittering som ger massorna av de sammanslagna komponenterna, men också ger exakta, oberoende avståndsberäkningar.Dessa händelser motsvarar standardljus för EM-vågor - "standard sirener".

Gravitationsvågor är en huvud komponent i fenomen som sammanslagningar av svarta hål

GW150914 gravitationsvågshändelsen trosatt vara en sammanslagning av två svarta hål med uppskattade massor på 36 + 5 / -4 och 29 ± 4 solmassor.Den slutliga massan var 62 ± 4 solmassor.Om våra nuvarande modeller är korrekta utstrålades de saknade 3,0 ± 0,5 solmassorna ( 5,3% ) som gravitationsvågor, och det på bara 0,2 sekunder.

Om vi inte kundeupptäcka gravitationsvågor, då skulle 5% vara ett stort gap i våra modeller.I det här fallet vet vi bara att händelsen hände för att vi upptäckte vågorna, men antar att vi hade observerat någon liknande händelse i det elektromagnetiska spektrumet, om vi inte också kunde upptäcka gravitationsvågorna skulle det varaen stor brist i våra observationer av händelsen.

Med gravitationella vågor (GW) kan man "veta" att objekten är där - upptäcka det utan att "se" -visuellt, bara för att objektet har en massa.

Allt som rör sig och har enmassa avger GW - nuvarande detektorer är endast känsliga för objekt med massor lika med massan av många solar $ 2 \ gånger 10 ^ {30} ~ \ rm {kg} $ (2 med 30 nollor).

Föreställ digen dag kan vi ha sensordetektorer som kan upptäcka rörelse för alla objekt med massa utan att se den ...

En intressant implikation är att gravitationsvågor anses vara mer bevis för inflationsteori, som används för att förklara universums homogenitet. Om Inflationsteorin är korrekt och rymdtid upplevt en exponentiellt explosiv expansion behöver denna expansion inte ha skett i samma takt vid varje punkt i rymden.

I själva verket är chansen att det händer uppenbarligen så astronomiskt att det är nästan inget. Som ett resultat kan en enda punkt i rymden expandera i en helt annan takt än de omgivande rymdpunkterna (jag har hört det jämfört med att spränga en ballong med en defekt i den, så att felet bildas till en bubbla på ytan när den är uppblåst).

Som jag förstår det, skulle du sluta med en stor mängd - möjligen till och med ett oändligt antal alternativa universum , helt separata men ändå "kopplade" till de andra universerna. Och med varje universum som har sina egna lagar (eller brist på?) För att beskriva kraft, rum, tid, etc., kan multiversum teoretiskt existera för alltid, med en ändlig början men inget slut. (Källa - en av mina tekniska fysikprofessorer)

@ Martin Tack för återkopplingen! Visserligen är jag till stor del okunnig om Inflation Theory, men jag bör tillägga att min professors professor var en medlem av Guths team som hjälpte till att utveckla matematiken i Inflation Theory. Hur som helst, min uppfattning är att även om det finns en mängd livskraftiga inflationsteorier, kräver de allvarligaste modellerna närvaron av gravitationell strålning som härrör från Big Bang (benämnd Primordial Gravitational Waves). Enligt Guths teori inträffade inflation strax före Big Bang, och när den stoppade omvandlades energin som var närvarande i uppblåsningsfältet till värme och Big Bang (och farfar till alla gravitationella vågor).

Inflationsteorin är fortfarande ganska ny (bara ungefär 40 år gammal eller så?), så det är självklart att någon ny teori som föreslås idag antagligen kommer att införliva GR på grund av GRs framgång.Så jag antar att det korta svaret är att nuvarande inflationsmodeller, som innehåller GR, kräver primitiva gravitationella vågor, och om det finns primordiala gravitationella vågor, så finns det gravitationella vågor.

Förutom de svar som ges ovan vill jag lägga till kraftfulla teoretiska argument.

Som ni vet finns det Coulomb-lag, som säger att statisk interaktion mellan laddade kroppar beter sig med avståndet $ r $ som $ r ^ {- 2} $. Det är lag om lång räckvidd: om vi berör en laddning, kommer enligt denna lag en annan att känna förändringen samtidigt. Denna syn på elektriska interaktioner förändrades fullständigt när Maxwell har insett att ljus, elektriska och magnetiska interaktioner har samma natur; eftersom ljusets hastighet är ändlig, säger Maxwell-teorin att om vi rör vid en laddning kommer informationen om kraftförändring - elektromagnetiskt fält - att spridas med ändlig hastighet - ljusets hastighet.

Denna uppfattning, uppfattningen av finitet hos alla interaktioner, förblir därmed i alla grundläggande teorier (enligt modern synvinkel) oberoende av deras natur; det beror på att detta är vår rymdtid (detta faktum är till exempel fixerat i en uttrycklig form av Lorentz-transformationer och kausalitetsprincip och kommer från de allmänna axiomerna baserade på rum-tid-symmetrier).

Allmän relativitetsteori, till exempel, baseras på påståendet att lokalt ser vår rumstid ut som Minkowski en, vilket tvingar ändligheten av gravitationsinteraktioner. I synnerhet generella relativitetsteoriekvationer på metriska (Einstein-ekvationer), som är linjära i frånvaro av materia, sammanfaller formellt med de som vi kan få genom att konstruera den fria teorin om masslös partikelhelicitet 2, med utgångspunkt från den globala Poincare-symmetrin. Det senare beskriver vågor.

I ovanstående synvinkel är detektering av gravitationsvågor något större än kontrollen av allmän relativitet, vilket öppnar den nya metoden för astrofysiska observationer eller ett annat sätt att kontrollera GR. Den kontrollerar rymdtidens egendom som är grunden för all modern grundläggande fysik.

En icke-uttömmande lista för några av utsikterna:

Neutronstjärna tillståndsekvation

Gravitationsvågor kan användas för att verifiera tillståndsekvation

Gamma ray bursts inre struktur

Dynamiken hos GRB: er är fortfarande innesluten i mysterium och ingenting kan verkligen sondra in i den inre strukturen hos GRB som gravitationsvågor kan

Hastigheten på gravitationella vågor

En av de mer uppenbara, men det har fortfarande inte fastställts att gravitationsvågornas hastighet är c (som det borde vara)

Testa gravitationsteorier

Tekniskt kan GR byggas om genom att lätta på antagandena och tillåta exempelvis vridningar.Kanske är Brans-Dicke teori rätt?

Gravitons

Ganska uppenbart