GW150914 | |
LIGO-målinger av gravitasjonsbølger i Livingston (høyre) og Hanford (venstre) detektorer, sammenlignet med teoretisk forutsagte verdier. | |
Gjenkjenning | |
---|---|
Dato for oppdagelse | 14. september 2015 |
Publisering av resultater | 11. februar 2016 |
Oppdaget av | LIGO |
Data | |
Kilde | sammensmelting av to sorte hull |
Signalvarighet | 0,2 ± 0,1 s |
Rødt skift ( z ) | 0,09 ± 0,03 |
Total frigitt energi ( E rad ) | 3,0 ± 0,5 M c 2 |
GW150914 er navnet på signalet ved opprinnelsen til den første direkte observasjonen av gravitasjonsbølger som ble kunngjort den11. februar 2016av LIGO og Virgo laboratorier . Oppdagelsen ble gjort den14. september 2015til 9 t 50 min 45 s UTC på de to amerikanske områdene LIGO bygget i Louisiana og staten Washington til tre tusen kilometer unna.
Bølgeformen samsvarer med generelle relativitetsspådommer angående spiralfall og sammensmelting av et par sorte hull og effekten forårsaket av det resulterende sorte hullet . Dette er den første direkte observasjonen av sorte hull, og en sammenslåing av binære sorte hull, og demonstrerer dermed eksistensen av et slikt system, og at en slik sammenslåing kan forekomme i løpet av Hubble-tiden . Denne hendelsen innvier gravitasjonsastronomi , en ny gren av astronomi.
Gravitasjonsbølger, eller gravitasjonsbølger, er svingninger i romtidens krumning . De formerer seg med lysets hastighet i et vakuum (i dette tilfellet er dette både fasehastigheten og gruppehastigheten deres ).
De ble spådd fra 1916av fysiker Albert Einstein (1879-1955) basert på hans teori om generell relativitet . Tidligere hadde matematikeren og fysikeren franske Henri Poincaré nærmet seg deres eksistens (1854-1912). Einstein og andre fysikere lurte umiddelbart på om disse bølgene hadde en materiell eksistens, eller om de var rene gjenstander som følge av beregning, og Einstein selv ombestemte seg flere ganger om emnet.
Indirekte bevis for eksistensen av gravitasjonsbølger er oppnådd av 1974takket være observasjonen av bevegelsen til den binære pulsaren PSR B1913 + 16 , for hvilken Russell Alan Hulse og Joseph Hooton Taylor, Jr. ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1993. Binære systemer , som binære sorte hull , avgir gravitasjonsbølger . Dette innsnevrer banen deres og fører til en spiral nedadgående bevegelse fra den ene til den andre ( inspirerende ) og til slutt, i tilfelle av to sorte hull, til deres sammensmelting.
De 17. mars 2014, kunngjør BICEP- samarbeidet at det har oppdaget urbane gravitasjonsbølger. Men9. februar 2016, blir deres påvisning ugyldiggjort av Planck- samarbeidet .
LIGO driver to gravitasjonsbølgeobservatorier i fellesskap: LIGO-observatoriet i Livingston ( 30 ° 33 ′ 46,42 ″ N, 90 ° 46 ′ 27,27 ″ V ) i Livingston , Louisiana og LIGO-observatoriet i Hanford på Hanford Site ( 46 ° 27 ') 18,52 "N, 119 ° 24 '27,56" O ) nær Richland i delstaten Washington . Disse nettstedene ligger 3002 kilometer fra hverandre. De observatories sammenligne signalene fra deres laser interferometere . De første målingene av LIGO mellom 2002 og 2010 oppdaget ingen gravitasjonsbølge. Deretter fulgte en avstengning på flere år der detektorene ble erstattet av forbedrede versjoner kalt " Advanced LIGO". I februar 2015 ble de to avanserte detektorene satt i ingeniørmodus, med formelle vitenskapelige observasjoner som startet 18. september 2015.
Gjennom utviklingen og observasjonene av den første fasen av LIGO fant flere "blinde injeksjoner" av falske gravitasjonsbølgesignaler sted for å teste forskernes evne til å identifisere slike signaler. For å beskytte effektiviteten av blinde injeksjoner var det bare fire forskere ved LIGO som var klar over slike injeksjoner, og denne informasjonen ble først gitt ut etter at signalet hadde blitt analysert fullstendig av forskerne. Imidlertid hadde ingen slik test funnet sted i september 2015 da GW150914 ble oppdaget.
GW150914, som er så oppkalt etter initialene til ordene " Gravitational Wave " (engelsk oversettelse av gravitasjonsbølge ) etterfulgt av datoen for deteksjon, er observert av detektorene LIGO Hanford og Livingston til 9 t 50 min 45 s UTC den14. september 2015. Signalet kom fra den sørlige himmelske halvkule (in) , vanligvis i retning av Magellanic Clouds (men kilden ligger langt utenfor dem). Signalet varte i mer enn 0,2 s , og økte i frekvens og amplitude i omtrent åtte sykluser fra 35 til 150 Hz . Det har blitt beskrevet som en fugles " kvitring " . Deteksjon ble rapportert innen tre minutter etter signalinnhenting ved bruk av forskningsmetoder med lav latens som gir en rask innledende analyse av dataene som er samlet inn av detektorene. Den første observatøren som lærte om det, er en italiensk forsker, Marco Drago, post-doktorgradsstipendiat ved Max-Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover , Tyskland . Det ble opprinnelig antatt at signalet ikke var ekte, og at det var et testsignal.
En mer detaljert statistisk analyse av dataene som er tatt i en periode på seksten dager samlet mellom 12. september og 20. oktober 2015, tillot å ekskludere at GW150914 kommer fra støyen fra eksperimentet, med en statistisk signifikans på mer enn 5, 1 σ , eller et konfidensintervall på 99,99998%. Signalet ble sett på Livingston syv millisekunder før det ble sett på Hanford, noe som samsvarer med en tid med tyngdebølgeforplantning med lysets hastighet mellom de to stedene.
På tidspunktet for forekomsten var jomfruens gravitasjonsbølgedetektor (nær Pisa i Italia ) stasjonær for en forbedring av utstyret; Hvis det hadde vært i drift, ville det sannsynligvis vært følsomt nok til å oppdage signalet. GEO600 (nær Hannover i Tyskland ) var ikke følsom nok til å oppdage signalet. Derfor var ingen av disse detektorene i stand til å bekrefte signalet målt av LIGO.
Arrangementet fant sted i en lysstyrkeavstand på 410+160
−180mega parsecs (bestemt av signal amplitude) eller 1,3 ± 0,6 milliarder av lys år , svarende til en rød skift cosmological 0,09 0,03−0.04( 90% konfidensintervall ). Analyse av signalet gjennom den antatte redshift antydet at det ble produsert ved sammensmelting av to sorte hull med respektive masser på 36+5
−4og 29 ± 4 ganger solens , noe som fører til et svart hull etter fusjon på 62 ± 4 solmasser. Energidifferansen på 3,0 ± 0,5 solmasser ble utstrålt som gravitasjonsbølger, i samsvar med masse-energi-ekvivalensen .
Toppen av energi utstrålt av gravitasjonsbølgen, med en effekt på ca 3,6 × 10 49 W, var større enn lyseffekten som utstråles av alle stjernene i det observerbare universet . Kip Thorne sa: “Den totale kraften som frigjøres i gravitasjonsbølgene under den korte kollisjonen, var femti ganger større enn den totale kraften som alle stjernene i universet satt sammen. "
I løpet av 0,2 s varighet av det detekterbare signalet økte den relative tangentielle (orbitale) hastigheten til sorte hull fra 30% til 60% av lysets hastighet . Banefrekvensen på 75 Hz (halvparten av gravitasjonsbølgen) betyr at objekter som kretser rundt hverandre i en avstand på bare 350 km før de smeltet sammen. Denne nær bane-radiusen innebærer at gjenstandene må være sorte hull, siden ingen andre par kjente gjenstander med disse massene kan bane så nær hverandre før de smelter sammen. Dermed ville et svart hull- nøytron-stjernepar ha smeltet sammen med en lavere frekvens; den mest massive nøytronstjernen som er kjent, har to solmasser, og vi har en teoretisk øvre grense på tre solmasser for en stabil nøytronstjerne, slik at et par nøytronstjerner ikke ville ha tilstrekkelig masse til å forklare fusjon med mindre eksotiske alternativer eksisterer, som f.eks. boson stjerner . For Thibault Damour - teoretikeren som spådde i 2000, i samarbeid med Alessandra Buonanno (in) , effektene av signalet som ble observert - viktigheten av denne observasjonen er at det er "første gang at vi har direkte bevis på eksistensen av sorte hull, og spesielt at to sorte hull kan smelte sammen [...] Det er enda viktigere. Den fortjener en Nobelpris spesielt for oppdagelsen av de to sorte hullene ” .
Forfallet av bølgeformen etter topp var i samsvar med de dempede svingningene av et svart hulls ekspansjon mot en endelig fusjonskonfigurasjon. Selv om virvelbevegelsen kan være godt beskrevet startsignalanalyse, kan smeltetrinnet i regimet med sterkt gravitasjonsfelt bare løses i det generelle tilfellet ved storskala simuleringer (in) .
Post-fusjonsobjektet antas å være et Kerr-svart hull (dvs. roterende) med en spinnparameter på 0,67 +0,05−0.07.
Gravitasjonsbølgedetektorer overvåker hele himmelen uten måte å bestemme signalens romlige opprinnelse. Et nettverk av instrumenter er nødvendig for å rekonstruere plasseringen av arrangementet på himmelen. Med bare de to LIGO- instrumentene i observasjonsmodus, kan plasseringen av kilden til GW150914 bare rekonstrueres med et bananformet område. Dette ble gjort med analysen av tidsforsinkelsen på 6,9 +0,5−0.4 ms , med tanke på amplitude og fasesammenheng mellom de to detektorene. Denne analysen produserte en troverdig region 140 grader 2 (50% sannsynlighet) eller 590 grader 2 (90% sannsynlighet) lokalisert hovedsakelig på den sørlige himmelske halvkule (i) .
Dette området av himmelen ble målrettet av påfølgende observasjoner innen radio, optisk, nær infrarød, røntgen- og gammabølgelengde, samt ved søk etter sammenfallende nøytrinoer.
Elektromagnetisk sporingTeleskopet Gamma Burst Monitor den Fermi Gamma-stråle teleskopet har oppdaget en svak gammaglimt over 50 keV , som starter 0,4 s etter hendelsen detektert av LIGO og med et område av usikkerhet som faller sammen med den observasjon gjort ved LIGO. De to observasjonene ble rapportert å være korrelert, med en falsk alarmsannsynlighet på 0,0022. Hvis kombinert, reduserer de to observasjonene 90% konfidensintervall fra 601 til 199 kvadratgrader.
Observasjoner ved bruk av INTEGRAL- teleskopet , via SPI-ACS helhimmelinstrumentet, indikerer imidlertid at mengden energi som hendelsen slipper ut i form av harde røntgenstråler og gammastråler, er mindre enn en del per million. formen av gravitasjonsbølger. Denne studien konkluderer med at "denne grensen utelukker muligheten for at hendelsen er direkte assosiert med betydelig gammastråling, rettet mot observatøren" .
Observasjoner fra SWIFT- romteleskopet av galakser nær deteksjonsområdet to dager etter hendelsen, oppdaget ingen nye kilder til røntgenstråler , synlig lys eller ultrafiolett lys.
DiskusjonDe 24. februar 2016, Abraham Loeb publiserer en artikkel om arXiv der han beskriver et scenario som kan forklare observasjonen av denne gravitasjonsbølgen av LIGO og den mulige gammastrålesprengning oppdaget av Fermi- romteleskopet hvis dets astrofysiske opprinnelse ble bekreftet. Loeb antar at i en veldig massiv, raskt roterende stjerne med en masse større enn 100 ganger solens, ville sentrifugalkraften som ble utøvd under kollapsen føre til dannelsen av en roterende stang, deretter to masser. Tette i endene (noe som ga hel en dumbbell-form) og til slutt et par sorte hull. En "klassisk" sammensmelting av sorte hull burde ikke gi elektromagnetiske utslipp, men i dette scenariet kan materie som er opparbeidet rundt det endelige sorte hullet forklare gammastrålesprengingen , som varer ett sekund og oppdages 0,4 sekunder etter gravitasjonsbølgen, oppdaget av Fermi .
Finne tilfeldige nøytrinoerSøket etter sammenfallende nøytrinoer ble utført av ANTARES- og IceCube- teleskopene . Fusjon av to svarte hull kan faktisk produsere elektromagnetisk stråling og høye energi neutrinoer i det tilfelle at sammensmeltningen finner sted i et miljø som er tilstrekkelig tett i baryon sak , og at en svart hulls- akkresjonsskive system dannes.. ANTARES-teleskopet oppdaget ingen kandidatnøytrino i et vindu på ± 500 sekunder før og etter GW150914. IceCube-teleskopet oppdaget tre nøytrinoer i samme tidsintervall. En hendelse ble identifisert som stammer fra den sørlige halvkule og to stammer fra den nordlige halvkule. Dette er i samsvar med nivået på deteksjon av bakgrunnsstøy. Ingen av kandidatene er kompatible med 90% konfidensnivå sone. Selv om ingen nøytrinoer ble oppdaget, tillot mangel på observasjon en grense for antall nøytrinoer som ble sluppet ut under denne typen astrofysiske hendelser.
Kunngjøringen om påvisningen ble gjort 11. februar 2016 på en pressekonferanse i Washington, DC av David Reitze, administrerende direktør i LIGO, akkompagnert av spesialister som Gabriela González fra University of Louisiana, Rainer Weiss fra MIT og Kip Thorne fra Caltech . Andre pressekonferanser fant sted samtidig over hele verden, for eksempel på EGO, Cascina i Italia, og ved CNRS hovedkvarter i Paris [1] .
Den opprinnelige kunngjøringsartikkelen ble publisert under pressekonferansen i Physical Review Letters , sammen med andre artikler publisert kort tid etter eller tilgjengelig umiddelbart for fortrykk (se LIGO Open Science Center og fortrykk på ArXiv ). Valget om å publisere resultatene i Physical Review Letters i stedet for i Nature eller Science ble bestemt av LIGO under en avstemning; Physical Review Letters mottar et stort flertall av stemmer.
I tillegg til pressekonferansen holdt Barry Barish en presentasjon av den vitenskapelige oppdagelsen til det fysiske samfunnet ved CERN nær Genève i Sveits .
I mai 2016 mottok samarbeidet som helhet, og spesielt Ronald Drever (in) , Kip Thorne og Rainer Weiss, den grunnleggende fysikkprisen for observasjon av gravitasjonsbølger. Drever, Thorne, Weiss og LIGO- teamet mottok også Peter-Gruber-prisen for kosmologi . Drever, Thorne og Weiss ble også anerkjent med 2016 Shaw-prisen i astronomi og 2016 Kavli-prisen i astrofysikk. Barish ble tildelt Enrico Fermi-prisen i 2016 fra Italian Society of Physics (it) (Società Italiana di Fisica). I januar 2017 mottok talsmannen for LIGO , Gabriela González , og LIGO-teamet prisen Bruno Rossi i 2017.
I 2017 ble Nobelprisen i fysikk tildelt Rainer Weiss , Barry Barish og Kip Thorne "for deres avgjørende bidrag til LIGO-detektoren og til observasjon av gravitasjonsbølger".
Gitt glansen av denne påvisningen, forventer forskerne at den vil være den første i en rekke andre påvisninger i løpet av det første driftsåret for Advanced LIGOs detektorer . I løpet av den neste observasjonskampanjen er det planlagt å oppdage fem flere sorte hullfusjoner av typen GW150914 og å oppdage førti binære stjernefusjoner hvert år, med et ukjent antall flere gravitasjonsbølgekilder. Eksotiske, hvorav noen ikke kan forventes av nåværende teorier. Planlagte forbedringer håper å doble signal / støy-forholdet , og øker dermed med en faktor ti volumet av rom der hendelser som GW150914 kan oppdages. I tillegg vil Advanced Virgo, KAGRA og en mulig tredje LIGO-detektor i India utvide nettverket og forbedre posisjonsrekonstruksjon og estimering av kildeparameter betydelig.
Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) er et foreslått oppdrag for å oppdage gravitasjonsbølger i rommet. Omfanget av følsomhet som tilbys av eLISA vil tillate at binære systemer som GW150914 blir oppdaget omtrent tusen år før de smelter sammen. Et slikt observatorium ville gi en tidligere ukjent klasse kilder, og kunne oppdage dem opp til en avstand på omtrent ti megaparsek.
De grunnleggende egenskapene, massen og spinnet til det sorte hullet etter fusjonen var kompatible med de to sorte hullene før fusjonen, i henhold til spådommene om generell relativitet. Dette er den første testen av generell relativitet i det sterke feltregimet . Ingen bevis som setter spørsmålstegn ved spådommene om generell relativitet, kan ikke etableres.
Etter kunngjøringen om oppdagelsen sa Thibault Damour :
"Dette er beviset [...] på dynamikken i romtid når to sorte hull smelter sammen, noe som er en bekreftelse på Einsteins teori på et uovertruffen nivå. "
Massene av de to pre-fusion sorte hullene gir informasjon om stjernens evolusjon . Begge sorte hullene var mer massive enn tidligere oppdagede stjernesorte hull , noe som ble utledet fra binære X- observasjoner . Dette innebærer at solvindene som kommer fra stjernen deres må være relativt svake, og derfor må metallisiteten (brøkdel av massen av kjemiske elementer som er tyngre enn hydrogen og helium ) være svakere enn omtrent halvparten av massens solverdi.
Det faktum at de to svarte hullene før fusjonen var til stede i et binært stjernesystem, samt det faktum at systemet var kompakt nok til å smelte sammen i universets tid, begrenser enten utviklingen av binære stjerner eller dynamiske formasjonsscenarier , avhengig av om hvordan det binære sorte hullet ble dannet. Hastigheten som et svart hull får under dannelsen under sammenbruddet av en supernovas kjerne ( natal kick (en) ) er ikke alltid høy. Ellers vil binære systemer der en supernova blir til et svart hull bli påvirket; sorte hull i kulehoper ville ha en hastighet som overstiger klyngens frigjøringshastighet og vil bli kastet ut før de kan danne et binært system ved dynamisk interaksjon.
Oppdagelsen av fusjon i seg selv øker den nedre grensen for frekvensen av forekomst av slike hendelser og avviser noen teoretiske modeller som forutsa hastigheter under 1 Gpc -3 a -1 . Analysen førte til senking av den øvre grensen for forekomsten av hendelser som ligner på GW150914 fra ca. 140 Gpc −3 a −1 til 17+39
−13GPC −3 a −1 .
Den graviton er en hypotetisk elementærpartikkel jo mer massiv et måleboson er , desto kortere vil rekkevidden til den tilknyttede kraften være, så det uendelige lysområdet er konsekvensen av det faktum at fotonet ikke har noen masse; antar at graviton faktisk er målebosonen til den fremtidige kvanteteorien om tyngdekraften , innebærer det uendelige tyngdekraftsområdet at det hypotetiske graviton også ville være masseløst. Observasjonene av GW150914 forbedres betydelig - ved å redusere den med en faktor på omtrent tre - den øvre grensen for gravitonmassen til 2,16 × 10-58 kg (som tilsvarer 1,2 × 10 −22 eV c −2 eller ved en Compton-bølgelengde større enn 10 13 km , eller omtrent et lysår ).