Astronomi

Gravitationsvågor och Big Bang

Gravitationsvågor och Big Bang


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

På Ligo-webbplatsen står "Att upptäcka relikvitets gravitationsvågor från Big Bang gör att vi kan se längre tillbaka i universums historia än någonsin tidigare."

Jag tycker det är förbryllande. Hur kan en gravitationell våg med ursprung ungefär samma tid och plats som partiklarna som utgör deras detektor (dvs. i Big Bang) detekteras? Att använda en enkel analogi - en explosion i ett elektroniklager gör att en ljusblixt och elektronikredskap sprids. Dessa bitar monteras sedan för att göra en kamera som kan fotografera explosionen. Jag är förvirrad!

Svar som är lämpliga för en gymnasiefysikklass uppskattas mycket.


För det första hände Big Bang inte vid en punkt i rymden, bort från vilken vi reser. Big Bang var skapandet av rymden. Detta utrymme har expanderat sedan dess, så att avstånden mellan allt ökar, men Big Bang hände precis där du är, var Andromedagalaxen är, där GN-z11 är och så vidare.

Universum har utvecklats sedan dess. Om vi ​​vill veta hur galaxer ser ut 13,8 miljarder år (Gyr) efter Big Bang, kan vi bara titta runt i vårt grannskap. Om vi ​​ser för långt bort ser vi inte 13,8 Gyr gamla galaxer, eftersom ljuset har tagit lite tid att nå oss. Således, om vi vill se galaxer som är 12,8 Gyr gamla, ser vi helt enkelt 1 miljard ljusår bort; om vi vill se 10 Gyr gamla galaxer ser vi (ungefär) 3,8 miljarder ljusår bort och så vidare. $ ^ dolk $ På detta sätt ser vi tillbaka i tiden.

Om vi ​​tittar bort tillräckligt långt skulle vi i princip kunna se 13.8 Gyr tillbaka i tiden. Vi står emellertid inför ett problem genom att tills universum var 380 000 år gammalt var det ogenomskinligt för ljus (varför detta är så är en annan historia). Det var dock inte ogenomskinligt för gravitationsvågor. Och eftersom massor av GW tros ha sitt ursprung under epoken som kallas inflation, som var ansvariga för universums expansion, och som ägde rum en bråkdel av en sekund efter skapandet av rymden, säger vi att GWs erbjuder möjligheten att se hela vägen tillbaka till Big Bang.


$ ^ dolk $Detta är något oprecist, eftersom galaxer inte skapades direkt efter Big Bang, och eftersom alla galaxer inte skapades samtidigt. Men för argumentets skull, låt oss låtsas att de var det.


Vad kommer gravitationella vågor att berätta om universum?

& # 8220ÄR kommer att bli en revolution. & # 8221 Så säger Erik Katsavounidis från MIT, en av teamet bakom den efterlängtade upptäckten av gravitationella vågor.

Den 11 februari meddelade Laser Interferometer Gravitational-Wave observatory, eller LIGO, att den hade upptäckt gravitationsvågor, sträckning och klämning av rymdtid orsakad av rörelse av massiva föremål.

LIGO-upptäckt: Bakom kulisserna från decenniets upptäckt

Se den exklusiva världspremiären den 7 februari 2017

Tillkännagivandet orsakade en känsla bland fysiker och astronomer över hela världen, och de håller nu på att utnyttja detta nya fönster på universum. Gravitationsvågor gör det möjligt för oss att utforska grundläggande fysik, undersöka de konstigaste objekten i universum och eventuellt till och med se tillbaka till universums tidigaste ögonblick. & # 8220Vi kan potentiellt se nästan hela vägen till big bang, & # 8221 säger Dejan Stojkovic från State University of New York i Buffalo.

Annons

Signalen plockades upp av LIGO: s två observatorier i Hanford, Washington och Livingston, Louisiana, den 14 september 2015. Den skapades av två svarta hål som kolliderade, var och en cirka 30 gånger solens massa. Detaljerna i signalen antyder att de cirkulerade varandra närmare och närmare tills de äntligen smälte samman till en.

Detta löste omedelbart en öppen fråga för astronomer. Innan signalen kom in ifrågasattes själva existensen av sådana svarta hålbinarier. Eftersom de är mörka är svarta hål i dessa massor nästan omöjliga att upptäcka om inte något ljust - som en stjärna - kretsar kring dem.

"Signaler från sammanslagningar i svarta hål kan hjälpa oss att förstå naturen hos mörk energi"

Nästa mål är att observera gravitationsvågor från dödspiralen från två neutronstjärnor. Till skillnad från svarta hål, som gömmer sin massa bakom en händelsehorisont även när de kraschar, kolliderar neutronstjärnor het, ljus materia över rymden, vilket kan hjälpa oss att utforska andra mysterier. Att studera dessa explosioner kan till exempel förklara korta gammastrålningsskurar - mystiska och otroligt ljusa elektromagnetiska fenomen. De kan också hjälpa till att förklara var mycket av universums tunga element, som uran, torium och guld, är smidda.

Inom de närmaste två åren bör LIGO vara tillräckligt känslig för att upptäcka gravitationsvågor från alla neutronstjärnsammanslagningar som sker inom de närmaste 300 000 galaxerna. Det betyder att vi borde se ungefär en signal per månad.

Dessa detekteringar av enskilda händelser är bara början. Sätt ihop flera och vi ska kunna få nya insikter i universums historia och sammansättning som helhet, säger Avi Loeb från Harvard University. Signalerna från ett antal sammanslagningar av svarta hål kan till exempel kombineras för att förstå naturen hos mörk energi, vilket får universums expansion att accelerera.

Från signalens & # 8220-form & # 8221 - hur vågorna & # 8217 frekvens och volym stiger och faller - kan vi urskilja storleken på de inblandade svarta hålen och bestämma hur högt händelsen var vid källan. Att jämföra hur kraftfull det verkligen var med de svaga vibrationerna som LIGO upptäckte berättar för oss hur långt bort det inträffade. Kombinerat med observationer från vanliga teleskop kan detta berätta för oss hur rymden har expanderat under den tid vågorna tog för att nå oss, vilket ger ett mått på mörk energi och effekten på rymden.

Denna åtgärd bör vara starkare och mer tillförlitlig än vad vi hittills har använt. Att upptäcka några få sammanslagningar av svarta hål skulle förändra allt, säger Loeb. & # 8220Om du har tiotals av dem kommer det att bli en ny gren inom kosmologi. & # 8221

Andra forskare hoppas kunna använda gravitationsvågsignaler för att sätta Einsteins allmänna relativitetsteori på ännu strängare tester. Ett sätt är genom ekvivalensprincipen, ett antagande att gravitationen påverkar alla massor på samma sätt. & # 8220I en tid av GPS och rymdresor, där även små avvikelser från den antagna gravitationsteorin skulle få stora konsekvenser, är det av enorm betydelse, & # 8221 säger Xue-Feng Wu från Purple Mountain Observatory i Nanjing, Kina.

Erminia Calabrese, en astronom vid University of Oxford, ser gravitationsvågor som ett sätt att kontrollera om tyngdkraften beter sig som relativitet förutspår att den ska göra över stora avstånd. & # 8220Om deras styrka föll på avstånd på ett överraskande sätt kunde vi upptäcka detta med den kommande LIGO-data, & # 8221 säger hon.


Innehåll

Vanliga gravitationsvågor är mycket låga och mycket svårare att upptäcka, medan högre frekvenser uppträder i mer dramatiska händelser och därmed har blivit de första som observeras.

Förutom en sammanslagning av svarta hål har en binär neutronstjärnsfusion upptäckts direkt: en gammastrålning (GRB) detekterades av den kretsande Fermi gammastrålningsskärmen den 17 augusti 2017 12:41:06 UTC, utlöser ett automatiserat meddelande över hela världen. Sex minuter senare registrerade en enda detektor vid Hanford LIGO, ett observatorium för gravitationsvåg, en gravitationsvågkandidat som inträffade två sekunder innan gammastrålningen sprängdes. Denna uppsättning observationer överensstämmer med en sammanslagning av binära neutronstjärnor, [7] vilket framgår av en transient händelse med flera budbärare som signalerades genom gravitationsvåg och elektromagnetisk (gammastrålning, optisk och infraröd) spektrumobservationer.

Högfrekvent redigering

År 2015 var LIGO-projektet det första som direkt observerade gravitationsvågor med laserinterferometrar. [8] [9] LIGO-detektorerna observerade gravitationsvågor från sammanslagningen av två svarta hål av stjärnmassa, som matchade förutsägelser om allmän relativitet. [10] [11] [12] Dessa observationer demonstrerade förekomsten av binära stjärnmasssystem, och var den första direkta detekteringen av gravitationsvågor och den första observationen av en sammanslagning av binärt svart hål. [13] Denna upptäckt har karaktäriserats som revolutionerande för vetenskapen på grund av verifieringen av vår förmåga att använda gravitationell vågastronomi för att utvecklas i vår sökning och utforskning av mörk materia och big bang.

Det finns flera aktuella vetenskapliga samarbeten för att observera gravitationsvågor. Det finns ett världsomspännande nätverk av markbaserade detektorer, dessa är kilometerinterferometrar inklusive: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ett gemensamt projekt mellan MIT, Caltech och forskarna från LIGO Scientific Collaboration med detektorer i Livingston , Louisiana och Hanford, Washington Jungfrun, vid European Gravitational Observatory, Cascina, Italien GEO600 i Sarstedt, Tyskland, och Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA), som drivs av University of Tokyo i Kamioka Observatory, Japan. LIGO och Jungfrun uppgraderas för närvarande till sina avancerade konfigurationer. Advanced LIGO började iakttagelser 2015 och upptäckte gravitationsvågor även om de ännu inte har nått sin designkänslighet. Den mer avancerade KAGRA startade observationen den 25 februari 2020. GEO600 är för närvarande i drift, men dess känslighet gör det osannolikt att göra en observation som dess huvudsakliga syfte är att testa tekniken.

Lågfrekvent redigering

Ett alternativt observationsmedel är att använda Pulsar timing arrays (PTA). Det finns tre konsortier, European Pulsar Timing Array (EPTA), North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) och Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), som samarbetar som den internationella Pulsar Timing Array. Dessa använder befintliga radioteleskop, men eftersom de är känsliga för frekvenser i nanohertz-intervallet behövs många års observation för att detektera en signal och detektorkänsligheten förbättras gradvis. Nuvarande gränser närmar sig de förväntade för astrofysiska källor. [14]

Mellanfrekvenser Redigera

Ytterligare i framtiden finns det möjlighet till rymdburna detektorer. Europeiska rymdorganisationen har valt ett gravitationsvåguppdrag för sitt L3-uppdrag, på grund av lanseringen 2034, är det nuvarande konceptet den utvecklade rymdantennen för laserinterferometer (eLISA). [15] Också under utveckling är det japanska Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO).

Astronomi har traditionellt förlitat sig på elektromagnetisk strålning. Ursprunget med det synliga bandet, som tekniken avancerade, blev det möjligt att observera andra delar av det elektromagnetiska spektrumet, från radio till gammastrålning. Varje nytt frekvensband gav ett nytt perspektiv på universum och förkunnade nya upptäckter. [16] Under 1900-talet gav indirekta och senare direkta mätningar av högenergiska, massiva partiklar ett ytterligare fönster in i kosmos. Sent på 1900-talet grundade upptäckten av solneutriner området neutrinoastronomi, vilket gav en inblick i tidigare oåtkomliga fenomen, såsom solens inre arbete. [17] [18] Observation av gravitationsvågor ger ytterligare ett sätt att göra astrofysiska observationer.

Russell Hulse och Joseph Taylor tilldelades Nobelpriset i fysik 1993 för att ha visat att banans förfall av ett par neutronstjärnor, en av dem en pulsar, passar den allmänna relativitetens förutsägelser av gravitationell strålning. [19] Därefter har många andra binära pulsarer (inklusive ett dubbelpulsarsystem) observerats, alla passande gravitationsvågförutsägelser. [20] 2017 delades ut Nobelpriset i fysik till Rainer Weiss, Kip Thorne och Barry Barish för deras roll i den första upptäckten av gravitationella vågor. [21] [22] [23]

Gravitationsvågor ger kompletterande information till den som tillhandahålls på andra sätt. Genom att kombinera observationer av en enskild händelse gjord på olika sätt är det möjligt att få en mer fullständig förståelse för källans egenskaper. Detta kallas multi-messenger-astronomi. Gravitationsvågor kan också användas för att observera system som är osynliga (eller nästan omöjliga att upptäcka) för att mäta på något annat sätt. De ger till exempel en unik metod för att mäta egenskaperna hos svarta hål.

Gravitationsvågor kan avges av många system, men för att producera detekterbara signaler måste källan bestå av extremt massiva föremål som rör sig med en betydande bråkdel av ljusets hastighet. Huvudkällan är en binär av två kompakta objekt. Exempel på system inkluderar:

  • Kompakta binärer som består av två nära kretsande stjärnmassaobjekt, såsom vita dvärgar, neutronstjärnor eller svarta hål. Bredare binärer, som har lägre omloppsfrekvenser, är en källa för detektorer som LISA. [24] [25] Närmare binära filer producerar en signal för markbaserade detektorer som LIGO. [26] Jordbaserade detektorer kan eventuellt upptäcka binära filer som innehåller ett mellanhögt svart hål med flera hundra solmassor. [27] [28] binärer, bestående av två svarta hål med massor av 10 5 –10 9 solmassor. Supermassiva svarta hål finns i centrum av galaxer. När galaxer smälter samman förväntas det att deras centrala supermassiva svarta hål också smälter samman. [29] Dessa är potentiellt de högsta gravitationsvågsignalerna. De mest massiva binärfilerna är en källa för PTA. [30] Mindre massiva binärer (ungefär en miljon solmassor) är en källa för rymdburna detektorer som LISA. [31] system av ett stjärnmassakompakt objekt som kretsar kring ett supermassivt svart hål. [32] Det här är källor för detektorer som LISA. [31] System med mycket excentriska banor producerar ett utbrott av gravitationsstrålning när de passerar genom punkten närmast närma sig [33] system med nästan cirkulära banor, som förväntas mot slutet av inspirationen, avger kontinuerligt inom LISAs frekvensband. [34] Inspirationer för extrema massförhållanden kan observeras över många banor. Detta gör dem till utmärkta sonder för bakgrundsgeometrin, vilket möjliggör precisionstester av allmän relativitet. [35]

Förutom binära filer finns det andra potentiella källor:

    generera högfrekventa utbrott av gravitationsvågor som kan detekteras med LIGO eller Jungfru. [36]
  • Roterande neutronstjärnor är en källa till kontinuerliga högfrekventa vågor om de har axiell asymmetri. [37] [38]
  • Tidiga universums processer, såsom inflation eller en fasövergång. [39] kan också avge gravitationell strålning om de existerar. [40] Upptäckten av dessa gravitationsvågor skulle bekräfta förekomsten av kosmiska strängar.

Gravitationsvågor interagerar bara svagt med materien. Det är det som gör dem svåra att upptäcka. Det betyder också att de kan färdas fritt genom universum och inte absorberas eller spridas som elektromagnetisk strålning. Det är därför möjligt att se till centrum för täta system, som supernovakärnorna eller Galactic Center. Det är också möjligt att se längre tillbaka i tiden än med elektromagnetisk strålning, eftersom det tidiga universum var ogenomskinligt för ljus före rekombination, men transparent för gravitationsvågor. [41]

Gravitationsvågornas förmåga att röra sig fritt genom materia innebär också att gravitationsvågdetektorer, till skillnad från teleskop, inte är riktade mot att observera ett enda synfält utan observera hela himlen. Detektorer är känsligare i vissa riktningar än andra, vilket är en anledning till att det är fördelaktigt att ha ett nätverk av detektorer. [42] Directionalization är också dålig på grund av det lilla antalet detektorer.

I kosmisk inflation Redigera

Kosmisk inflation, en hypotes om att universum snabbt expanderade under de första 10–36 sekunderna efter Big Bang, skulle ha gett upphov till gravitationella vågor som skulle ha lämnat ett karakteristiskt avtryck i polariseringen av CMB-strålningen. [43] [44]

Det är möjligt att beräkna egenskaperna för de ursprungliga gravitationsvågorna från mätningar av mönstren i mikrovågsstrålningen och använda dessa beräkningar för att lära sig om det tidiga universum. [ hur? ]

Som ett ungt forskningsområde är gravitationell vågastronomi fortfarande under utveckling, men det finns enighet inom astrofysiksamhället om att detta område kommer att utvecklas till att bli en etablerad komponent i 21-talets multimessenger-astronomi. [45]

Gravitationsvågobservationer kompletterar observationer i det elektromagnetiska spektrumet. [46] [45] Dessa vågor lovar också att ge information på sätt som inte är möjliga via detektering och analys av elektromagnetiska vågor. Elektromagnetiska vågor kan absorberas och strålas ut på ett sätt som gör det svårt att extrahera information om källan. Gravitationsvågor interagerar emellertid bara svagt med materien, vilket innebär att de inte sprids eller absorberas. Detta bör göra det möjligt för astronomer att se mitten av en supernova, stjärnnebulosor och till och med kolliderande galaktiska kärnor på nya sätt.

Markbaserade detektorer har gett ny information om den inspirerande fasen och sammanslagningar av binära system av två stjärnmassahål och sammanslagning av två neutronstjärnor. De kunde också upptäcka signaler från kärnkollaps-supernovor och från periodiska källor som pulser med små deformationer. Om det finns sanning i spekulationer om vissa typer av fasövergångar eller kinkur från långa kosmiska strängar i det mycket tidiga universum (vid kosmiska tider runt 10 −25 sekunder), kan dessa också vara detekterbara. [47] Rymdbaserade detektorer som LISA bör upptäcka föremål som binärer bestående av två vita dvärgar och AM CVn-stjärnor (en vit dvärg som tillämpar materia från sin binära partner, en helmassstjärna med låg massa), och också observera sammanslagningarna av supermassiva svarta hål och inspirationen av mindre föremål (mellan ett och tusen solmassor) i sådana svarta hål. LISA bör också kunna lyssna på samma typ av källor från det tidiga universum som markbaserade detektorer, men vid ännu lägre frekvenser och med kraftigt ökad känslighet. [48]

Att upptäcka utsända gravitationsvågor är en svår strävan. Det handlar om ultrastabila högkvalitativa lasrar och detektorer kalibrerade med en känslighet på minst 2 · 10 −22 Hz −1/2 som visas på den markbaserade detektorn, GEO600. [49] Det har också föreslagits att även från stora astronomiska händelser, såsom supernovaexplosioner, kommer dessa vågor sannolikt att försämras till vibrationer så små som en atomdiameter. [50]


En teknik för att sikta ut universums första gravitationella vågor

Bilder för nedladdning på MIT News-kontorets webbplats görs tillgängliga för icke-kommersiella enheter, press och allmänheten under en Creative Commons-tillskrivning Icke-kommersiell licens utan derivat. Du får inte ändra bilderna som tillhandahålls, förutom att beskära dem i storlek. En kreditgräns måste användas vid reproduktion av bilder om en inte anges nedan, kreditera bilderna till "MIT."

Föregående bild Nästa bild

I ögonblicken direkt efter Big Bang, ringde de allra första gravitationsvågorna ut. Produkten av kvantfluktuationer i den nya soppan av urmateria, dessa tidigaste krusningar genom rymdtidens tyg förstärktes snabbt av inflationsprocesser som drev universum att sprängas explosivt.

Ur gravitationsvågor, producerade för nästan 13,8 miljarder år sedan, ekar fortfarande genom universum idag. Men de drunknar av knastret av gravitationsvågor som framkallats av nyare händelser, såsom kolliderande svarta hål och neutronstjärnor.

Nu har ett team som leds av en MIT-doktorand utvecklat en metod för att reta ut de mycket svaga signalerna från urbana krusningar från gravitationsvågdata. Deras resultat publiceras denna vecka i Fysiska granskningsbrev.

Gravitationsvågor upptäcks nästan dagligen av LIGO och andra gravitationsvågdetektorer, men primitiva gravitationssignaler är flera storleksordningar svagare än vad dessa detektorer kan registrera. Det förväntas att nästa generation av detektorer är tillräckligt känsliga för att plocka upp dessa tidigaste krusningar.

Under det närmaste decenniet, när mer känsliga instrument kommer online, kan den nya metoden användas för att gräva upp dolda signaler om universums första gravitationella vågor. Mönstret och egenskaperna hos dessa urvågor kan då avslöja ledtrådar om det tidiga universum, såsom de förhållanden som drivit inflationen.

"Om styrkan i ursignalen ligger inom räckvidden för vad nästa generations detektorer kan upptäcka, vilket det kan vara, skulle det handla om att mer eller mindre bara vrida vevet på data, med den här metoden har vi utvecklats, säger Sylvia Biscoveanu, doktorand vid MIT: s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Dessa urvunna gravitationsvågor kan sedan berätta om processer i det tidiga universum som annars är omöjliga att undersöka."

Biscoveanus medförfattare är Colm Talbot från Caltech och Eric Thrane och Rory Smith från Monash University.

En konsert hum

Jakten på primitiva gravitationsvågor har huvudsakligen koncentrerats på den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, som anses vara strålning som är kvar från Big Bang. Idag genomsyrar denna strålning universum som energi som är mest synlig i mikrovågsbandet i det elektromagnetiska spektrumet. Forskare tror att när primitiva gravitationsvågor krusade ut, lämnade de ett avtryck på CMB, i form av B-lägen, en typ av subtil polarisationsmönster.

Fysiker har letat efter tecken på B-lägen, mest känt med BICEP Array, en serie experiment inklusive BICEP2, som 2014 forskare trodde hade upptäckt B-lägen. Signalen visade sig dock bero på galaktiskt damm.

När forskare fortsätter att leta efter primitiva gravitationsvågor i CMB, jagar andra krusningar direkt i gravitationsvågdata. Den allmänna idén har varit att försöka subtrahera den "astrofysiska förgrunden" - vilken gravitationsvågsignal som kommer från en astrofysisk källa, såsom kolliderande svarta hål, neutronstjärnor och exploderande supernovor. Först efter att subtrahera denna astrofysiska förgrund kan fysiker få en uppskattning av de tystare, icke-astrofysiska signalerna som kan innehålla urvågor.

Problemet med dessa metoder, säger Biscoveanu, är att den astrofysiska förgrunden innehåller svagare signaler, till exempel från längre sammanslagningar, som är för svaga att urskilja och svåra att uppskatta i den slutliga subtraktionen.

"Analogin som jag gillar att göra är, om du är på en rockkonsert, är den ursprungliga bakgrunden som brummen av ljusen på scenen, och den astrofysiska förgrunden är som alla samtal mellan alla människor runt dig," förklarar Biscoveanu . ”Du kan subtrahera de enskilda konversationerna till ett visst avstånd, men då händer fortfarande de som är riktigt långt borta eller riktigt svaga, men du kan inte skilja dem. När du mäter hur högt stagelightsen surrar får du denna förorening från dessa extra konversationer som du inte kan bli av med eftersom du faktiskt inte kan reta ut dem. ”

En urinjektion

För sitt nya tillvägagångssätt litade forskarna på en modell för att beskriva de mer uppenbara "konversationerna" i den astrofysiska förgrunden. Modellen förutsäger mönstret av gravitationsvågsignaler som skulle produceras genom sammanslagning av astrofysiska föremål med olika massor och snurr. Teamet använde den här modellen för att skapa simulerade data om gravitationella vågmönster, av både starka och svaga astrofysiska källor som att slå samman svarta hål.

Teamet försökte sedan karakterisera varje astrofysisk signal som lurar i dessa simulerade data, till exempel för att identifiera massorna och snurrarna i binära svarta hål. Som det är är dessa parametrar lättare att identifiera för högre signaler och endast svagt begränsade för de mjukaste signalerna. Medan tidigare metoder bara använder en "bästa gissning" för parametrarna för varje signal för att subtrahera den från data, tar den nya metoden hänsyn till osäkerheten i varje mönsterkaraktärisering och kan således urskilja närvaron av de svagaste signalerna , även om de inte är väl karakteriserade. Biscoveanu säger att denna förmåga att kvantifiera osäkerhet hjälper forskarna att undvika partiskhet i deras mätning av den ursprungliga bakgrunden.

När de väl identifierat sådana distinkta, icke-slumpmässiga mönster i gravitationsvågdata lämnades de med mer slumpmässiga primitiva gravitationsvågsignaler och instrumentbrus specifikt för varje detektor.

Primitiva gravitationsvågor antas tränga igenom universum som en diffus, ihållande brum, som forskarna antog att de skulle se likadana ut och därmed korreleras i valfri två detektorer.

Däremot bör resten av det slumpmässiga bruset som tas emot i en detektor vara specifikt för den detektorn och vara okorrelerat med andra detektorer. Till exempel bör buller som genereras från närliggande trafik vara olika beroende på platsen för en viss detektor. Genom att jämföra data i två detektorer efter att ha redovisat de modellberoende astrofysiska källorna kan parametrarna för den ursprungliga bakgrunden retas.

Forskarna testade den nya metoden genom att först simulera 400 sekunders gravitationsvågdata, som de spridda med vågmönster som representerade astrofysiska källor som att slå samman svarta hål. De injicerade också en signal genom data, som liknar den ihållande summan av en urvikt.

De delade sedan upp dessa data i fyra sekundersegment och använde sin metod på varje segment för att se om de kunde exakt identifiera eventuella sammanslagningar av svarta hål samt vågmönstret som de injicerade. Efter att ha analyserat varje datasegment under många simuleringskörningar och under varierande initiala förhållanden lyckades de extrahera den begravda urbana bakgrunden.

"Vi kunde passa både förgrunden och bakgrunden samtidigt, så bakgrundssignalen vi får är inte förorenad av den återstående förgrunden", säger Biscoveanu.

Hon hoppas att ännu en gång känsliga nästa generations detektorer kommer online, den nya metoden kan användas för att korskorrelera och analysera data från två olika detektorer för att sikta ur ursignalen. Då kan forskare ha en användbar tråd som de kan spåra tillbaka till förhållandena i det tidiga universum.


Ursvarta hål och universums ursprung

Den experimentella enheten kunde upptäcka och fånga de små svarta hålen genom gravitationsvågorna som de avger i fusionen, vilket visar sig innehålla högre frekvenser än de som för närvarande finns tillgängliga, rapporterar SciTech Daily.

Gravitationsvågantennen som detekterar de små svarta hålen består av ett metallhålrum kombinerat med ett externt magnetfält. Enheten genererade elektromagnetiska vågor i sitt hålrum när gravitationsvågen passerade genom magnetfältet. Hela denna process låter gravitationsvågen driva håligheten och avge efterklangande mikrovågor istället för en ljudvåg, som kan jämföras med ett väsande.

Enheten skalas upp till några meter men räcker för att fånga fusioner av ursvarta hål. Upptäckten av de mindre versionerna av det svarta hålet som ligger miljoner ljusår från jorden är mycket mer effektivt och kompakt i motsats till de för närvarande tillgängliga detektorerna, inklusive KAGRA, LIGO och Jungfrun, som alla är massiva i storlek.

Den patenterade idén för enheten är nu i den avancerade teoretiska modelleringsfasen. Även om den inte är komplett ännu är enhetens nödvändiga utrustning nu redo tillsammans med de ytterligare studier som behövs för en mer konkret fas eftersom den genomgår prototypkonstruktion, rapporterar EurekAlert.

När enheten är klar kommer den att vara en port till grundläggande forskning om ursprunget till vårt universum genom detektering av gravitationella vågor som släpps ut av ursvarta hål under Big Bang.

Kolla in mer nyheter och information om Space on Science Times.


Big Boost för Big Bang

T ime var, en bild av en oändligt liten punkt kunde ha beskrivits med en enkel bildtext: & # 8220Universumet, verklig storlek. & # 8221 Det är uppenbarligen inte fallet längre, och det är nära att enhälligt accepterade att det förändrade allt var en primär explosion känd som Big Bang, som inträffade för 13,8 miljarder år sedan. Nu har en enda observation nästan spikat ner Big Bang, vilket eliminerat de få andra återstående vetenskapliga teorierna om hur universum började. I fyndet har det äntligen bekräftat förekomsten av så kallade gravitationsvågor och inflationsuniversumet.

Gravitationsvågor beskrevs först av Albert Einstein, som för 99 år sedan föreställde sig all rymdtid som ett slags kosmiskt tyg som kunde skevt och vacklade på sättet som en studsmatta kan sättas skakande av en tappad bowlingboll. Det var en elegant teori, men ingen under det senaste århundradet hade kunnat bevisa det. Inflationsuniverset teoretiserades på 1980-talet av fysiker som beräknade att universum expanderade så snabbt att den första miljarder av en biljonedel av en kvadrilliondels sekund efter Big Bang, att den faktiskt överskred ljusets hastighet.

Om rätt typ av jiggling kunde upptäckas, skulle det bevisa både gravitationella vågor och det inflationära universum och stödja Big Bang i processen. Det är precis den iakttagelse som gjorts av ett forskargrupp som leds av astrofysikern John Kovac från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

& # 8220När jag fick samtalet var jag tvungen att fråga om det var riktigt, säger Marc Kamionkowski, en teoretiker vid Johns Hopkins University som inte var en del av Kovac-gruppen. Avi Loeb, ordförande för Harvards astronomiavdelning och inte heller inblandad i studien, tror att om upptäckten håller i sig är & # 8220it värt en nobel. & # 8221

Kovac och hans kollegor såg inte jiggling. Vad de i stället såg, med hjälp av Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2, eller BICEP2, instrument vid sydpolen, var en förvrängning i mikrovågsstrålningen som genomsyrar kosmos. Det verkar oskyldigt, men det är som att se krusningar i en damm, och dessa speciella krusningar var tillräckligt kraftfulla för att de sannolikt kom från ett inflationsuniversum (check) som producerade gravitationsvågor (check), som sattes i rörelse av Big Bang (kolla upp).

Arbetet måste fortfarande replikeras av andra forskare, vilket alltid är fallet med vetenskap & speciellt vetenskap av denna storlek. Men den valideringen borde komma snabbt. Kosmologer vid Princeton, Berkeley, University of Minnesota och på andra håll gjorde redan liknande arbete, och de planerar att stanna kvar på det och försöker nu bekräfta resultaten från Harvard-Smithsonian i motsats till att göra upptäckten på egen hand.

Whether it’s correct or incorrect “will be known very quickly,” says Kamionkowski. When it is known–and when the findings are likely confirmed–the world will not change in the same way it did when smallpox was eradicated or the airplane was invented. But the universe–the entire 13.8 billion-year-old universe–will all at once become a more rational and fathomable place. Not a bad haul for a single observation.


A telescope at the south pole, called Bicep (Background Imaging of cosmic Extragalactic Polarisation), has been searching for evidence of gravitational waves by detecting a subtle property of the cosmic microwave background radiation. This radiation was produced in the big bang. It was originally discovered by American scientists in 1964 using a radio telescope and has been called the "echo" of the big bang. Bicep has measured the large-scale polarisation of this microwave radiation. Only primordial gravitational waves can imprint such a pattern, and only then if they have been amplified by inflation.

The big bang was originally hypothesised by Belgian priest and physicist Georges Lemaître. He called it "the day without yesterday" because it was the moment when time and space began.

But the big bang does not fit all astronomers' observations. The distribution of matter across space is too uniform to have come from the big bang as originally conceived. So in the 1970s, cosmologists postulated a sudden enlargement of the universe, called inflation, that occurred in the first minuscule fraction of a second after the big bang. But confirming the idea has proved difficult. Only inflation can amplify the primordial gravitational wave signal enough to make it detectable. If primordial gravitational waves have been seen, it means that inflation must have taken place.


New technique could uncover gravitational echoes of the Big Bang

Researchers can now sift through the astrophysical noise to see the conditions of the early Universe.

Published: 10th December, 2020 at 15:52

First detected in 2015, gravitational waves have helped scientists understand the development of our Universe from the Big Bang onwards. Gravitational waves are oscillations in spacetime which move like a ripple in water when you skim a stone – if you could skim a stone at the speed of light.

Now researchers at MIT have created a technique which could help detect the fainter signals thought to represent the Universe’s earliest gravitational waves, created only moments after the Big Bang.

While the ripples from more recent history are detected daily, the primordial waves are too faint for current detectors to pick up. Interpreting these early ripples will help us piece together the beginning of the Universe, improving our understanding of the Big Bang.

“These primordial gravitational waves can then tell us about processes in the early Universe that are otherwise impossible to probe,” said Sylvia Biscoveanu, the graduate student who led this development.

Currently, these faint signals are hidden beneath the noise of the “astrophysical foreground” which includes noisy events like colliding black holes and neutron stars from later in the Universe’s history. To uncover the hidden hum of these signals, previous methods have attempted to subtract the drowning noise of more recent signals, but Biscoveanu recognised they were limited by crude estimations of the foreground noise.

Read more about gravitational waves:

“The analogy I like to make is, if you’re at a rock concert, the primordial background is like the hum of the lights on stage, and the astrophysical foreground is like all the conversations of all the people around you,” Biscoveanu said.

“You can subtract out the individual conversations up to a certain distance, but then the ones that are really far away or really faint are still happening, but you can’t distinguish them. When you go to measure how loud the stagelights are humming, you’ll get this contamination from these extra conversations that you can’t get rid of because you can’t actually tease them out.”

Biscoveanu’s team at MIT created models which simulate these ‘conversations’ and predict their weaker gravitational wave signals. They quantified the uncertainty in their measurements and included this in the characterisation of each pattern. When testing their simulation, they were able to distinguish between the foreground and the softer echo of early gravitational waves.

Improvements made on current detectors will increase their sensitivity to hopefully detect these further-off waves. Biscoveanu says she hopes these will be used alongside this new technique to tease out the details of early gravitational waves and colour our understanding of the Universe’s early stages.

Reader Q&A: What would happen if a very strong gravitational wave passed through us?

Asked by: Thomas S Marcotte, USA

Gravitational waves spread out from any violent event involving matter – such as, say, the collision of two black holes. Like gravity, however, they’re incredibly weak, so you’d have to be extremely close to their source in order to feel their effects.

It would definitely feel weird, as they’d create a rhythmic stretching and squashing sensation on the body. But you’d have to be so close to the cataclysm itself that you’d never live to describe it.


The Search for Gravitational Waves

Think of it as a low hum,  a rumble too deep to notice without special equipment. It permeates everything—from the emptiest spot in space to the densest cores of planets. Unlike sound, which requires air or some other material to carry it, this hum travels on the structure of space-time itself. It is the tremble caused by gravitational radiation, left over from the first moments after the Big Bang.

Gravitational waves were predicted in Albert Einstein’s 1916 theory of general relativity. Einstein postulated that the gravity of massive objects would bend or warp space-time and that their movements would send ripples through it, just as a ship moving through water creates a wake. Later observations supported his conception.

The imprint of this type of radiation on the oldest light in the universe—the cosmic microwave background (CMB)—is one prediction of inflation theory, which was first proposed in 1979. That theory states that the universe, originally chaotic quantum noise made of unstable particles and space-time turbulence, expanded at an unimaginable rate, creating these gravitational waves, smoothing out the chaos, and leaving the orderly cosmos we see today.

“Gravitational waves allow us to see all the way back to the start to the universe,” says Katherine Dooley, a postdoctoral researcher at the California Institute of Technology in Pasadena. “The early universe was too dense such that standard electromagnetic waves”—light—“would get scattered off of all the material, and could not travel to us today.” Observing these gravitational waves might confirm what we know about general relativity, or they might give us new insight into the nature of the universe, like whether the Big Bang was the beginning of all time, or if another universe preceded ours. The story of the universe’s origin is best told through this primordial rumble…if we can figure out how to detect it. A few gravitational wave observatories have been built—none has yet detected a wave—and more are planned over the next few decades. It’s an exciting time for astronomers, who may soon have real evidence on which to ground this new branch of one of the oldest scientific disciplines.

A team in Germany stands in front of LISA Pathfinder, a test mission scheduled to launch this year. (ESA) When gravitational waves pass through a tunnel-like observatory, they should change the distance between mirrors at the tunnel’s opposite ends. (Enrico Sacchetti) A ski-equipped LC-130 passes observatories in Antarctica, such as BICEP2 (center), looking at the first light from the universe. (Steffen Richter/Harvard) The Einstein Telescope (artist rendering) is a proposal for a gravitational wave observatory that will be 10 times more sensitive than the current U.S. observatories. (CERN) A 2.5-mile arm stretches out from the gravitational-wave observatory in Washington state. (LIGO Hanford Observatory) How gravitational waves might emanate from a white dwarf binary. (Sterl Phinney/CalTech) At LIGO’s second facility, in Louisiana, engineers inspect the tunnels. (LIGO Livingston Observatory)

Practically every action makes gravitational waves—you can create them by waving your arms—but it takes serious astronomical doings to generate anything powerful enough to be detected. Earth orbiting the sun produces them, but they are low energy (which is good for the long-term stability of our solar system) two pulsars, the ultra-compact remnants of massive stars, locked in binary orbit produce far more substantial waves. As those bodies sweep around each other, they compress and expand the structure of space-time itself, creating a disturbance that travels out at the speed of light.

Gravitational waves from binaries like this are regular, like a pure note from a single string of an instrument. In principle we could trace such a signal back to its source, though, as with sound, triangulation is less precise than for light. Primordial radiation, on the other hand, comes from every place at once, since it was produced everywhere, when the universe was much smaller, and traveled in all directions from where it was created. The ultimate sources were tiny fluctuations in the quantum chaos that was the cosmos right after the Big Bang the gravitational ripples created by the fluctuations stretched out when the universe expanded rapidly into large, solar system-spanning waves.

In the pipe organ that is the gravitational-wave universe, inflation would be the longest, largest pipes, producing sounds so low-pitched they are felt rather than heard. Binary pulsars would lie toward the middle register, and violent catastrophes like supernovas or cosmic collisions would be the short, piccolo pipes. “Hearing” each type of wave requires equipment tuned to the appropriate register.

The principle of detection is simple: As gravitational waves pass by, they massage matter, squeezing and stretching it along the waves’ crests and troughs. The effect of the wave is recorded as its “strain” on the detector, though that strain is tiny by everyday standards. So far, nobody has detected gravitational waves directly, though indirect detections abound. The most famous is the Hulse-Taylor binary pulsar, named for the two researchers who discovered it 40 years ago. Russell Hulse and Joseph Taylor earned a Nobel Prize in physics for their observation that the two pulsars were orbiting closer and closer together, and the energy leaving the system as the orbit decayed was the same as what the general theory of relativity predicted would be lost due to gravitational waves.  Since then, other astronomers identified even stronger gravitational wave sources, including a pair of white dwarfs—the last life stage of stars less massive than the sun—which take just 12 minutes to orbit each other.

But this indirect detection isn’t satisfying: Astronomers want to detect the waves themselves. “As with all new windows you open on the universe, there’s going to be things we’re going to find [with gravitational waves] and we have no idea what the hell they are,” says Matt Benacquista of the University of Texas at Brownsville. Historically, every new type of astronomical observation, from radio waves to gamma rays, has led to unexpected discoveries, and gravitational waves are likely to be no different. “That in many ways is the most exciting part about doing this,” says Benacquista.

Yet for a number of reasons, the problem of direct detection is vexing. Like sound, gravitational waves are comparable in size to whatever produces them. Large systems, like big black holes orbiting each other at the centers of galaxies, will make very-long-wavelength, low-frequency waves, which require suitably huge detectors. Even relatively small sources, such as a pair of pulsars very close to collision, require detectors measuring more than a mile across. If they exist, primordial gravitational waves from inflation would exist at a wide range of wavelengths, but only extremely long ones—those with a wavelength comparable in size to Earth’s orbit around the sun—would provide a large enough signal for astronomers to detect.

Technically we are bathed in the “sound” of gravitational radiation all the time, but the sound is faint and usually too low-pitched. Gravity is by far the weakest of the four fundamental forces of nature, and its influence grows smaller with distance, so when a gravitational wave—even a relatively powerful one—passes by, very little energy gets transferred. To make matters more difficult, since the effect on matter is to push it around, detectors on the ground must deal with interference by anything that could make them vibrate, from earthquakes to big trucks rumbling by.

So observatories must be large, sensitive to faint signals, and isolated as completely as possible from any stray vibrations. That’s a tall order, solved best by building multiple observatories or launching detectors into space. Scientists, being resourceful creatures, are doing both.

Katherine Dooley got hooked  on gravitational radiation research during a summer undergraduate fellowship at Caltech, which, with the Massachusetts Institute of Technology, operates the two Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories (LIGO) in the United States: one in Richland, Washington, and the other in Livingston, Louisiana. For her doctoral dissertation, she spent four years designing the apparatus in Livingston to be more sensitive through the use of more laser power. She moved to Hannover, Germany, to do her postdoc research at GEO600, a gravitational wave observatory that began operation in 2002. She’s now back working with LIGO, just in time for the inauguration of the upgrades she helped institute. 

With her experience in detector design, Dooley understands the challenge of gravitational wave observation better than most people. Ground-based observatories like LIGO and GEO600 are similar: powerful laser beams travel down two “arms,” at the ends of which the light strikes a mirror, which reflects it back to its source. When a gravitational wave passes by, the mirror should move, changing the distance the light travels ever so slightly. By running its two observatories simultaneously, LIGO can better eliminate local disturbances—when a gravitational wave passes through Earth, both observatories should feel it. The size of gravitational wave sources necessitates long arms: At the LIGO facilities the arms are four kilometers (two and a half miles) long GEO600’s are 600 meters (hence the name).

Benacquista is the kind of gravitational wave astrophysicist who prefers to take notes with a fountain pen. Like Dooley, he has worked with two observatory projects, one of which was LIGO, from 2006 to 2013, albeit from the theoretical side: He characterizes the sources of gravitational waves that detectors might see. In 1995, a summer research program at NASA’s Jet Propulsion Laboratory connected him with an exciting project just getting started, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). As the name suggests, LISA will be a space-based observatory designed to orbit the sun, made of three small spacecraft in a V-formation, each separated by a million kilometers. The basic operation is similar to LIGO: By measuring the distance between each spacecraft using laser light, researchers can detect a gravitational wave as it compresses or expands the space-time between the spacecraft.

Conceived as a joint project between NASA and the European Space Agency, LISA was originally projected to launch between 2012 and 2016. However, NASA withdrew participation in 2011, leaving the very expensive project entirely up to ESA. By cutting back on the ambition a bit, the project survived as European LISA, or eLISA, but now the launch date is 2034, which is far enough in the future to make any forecasts doubtful. 

“I’m still kind of pessimistic about LISA,” Benacquista says. He’s hopeful that when LIGO detects the signal from colliding neutron stars in the next five years or so, the LISA launch might get pushed up by a few years, but that still doesn’t place it in the next decade. “Hopefully I’ll still be alive!” he laughs ruefully.

On track, however, is the LISA demonstration mission slated to launch later this year. Called LISA Pathfinder, it will test the instrumentation and physical concepts the observatory will use: lasers and masses, which are, like the mirrors on LIGO, designed to move independently of the spacecraft. Additionally, the GRACE Follow-On (Gravitational Recovery And Climate Experiment) mission, targeted to launch in 2017, will observe tiny fluctuations in Earth’s gravitational field by measuring the distance between two independently flying spacecraft, just as LISA will do. The mission is a follow-up to the previous GRACE and GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory) probes, which performed the same duty for the moon in 2012. To gravitational wave researchers, the successes of these missions, coupled with the delays on LISA, are a simultaneous joy and frustration.

“Bicep2 is an experiment that aims  to do just one thing and do it well,” says Walt Ogburn, a cosmologist at Stanford University who spent the summer of 2009-2010 at the South Pole installing the telescope. That one thing BICEP2 was designed to do: measure the polarization of the cosmic microwave background. The CMB comes from a time when the universe cooled enough to become transparent, about 380,000 years after the Big Bang. Similar to the way polarizing sunglasses reduce glare by filtering light, various cosmological objects—big galaxies, cosmic dust molecules, and gravitational waves—filter the cosmic background radiation in interesting ways.

“Since these fluctuations [waves] are in space-time, they stretch or compress space—and particles—as they pass,” says Renée Hložek, a postdoc at Princeton University involved with the Atacama Cosmology Telescope polarization project, or ACTPol, in Chile, another experiment to measure the polarization of the CMB. The particles Hložek refers to include photons, the particles of light. Because gravitational waves squeeze space-time in one direction and stretch it in the other (something known as tensor modes), Hložek says, “the pattern of polarization induced from these gravitational waves is very specific.” Experiments like BICEP2 and ACTPol are trying to confirm inflation theory by discovering the primordial gravitational waves such rapid expansion would have created they are observing the light—the CMB—the waves should have polarized.

But while these observatories are very good at measuring polarization, they can’t tell us exactly what is causing it. In March 2014, researchers with BICEP2 announced they detected the polarization—evidence of gravitational waves—and thus confirmed inflation theory. Stanford University even released a moving video showing professor and BICEP2 researcher Chao-Lin Kuo bringing news of the experiment’s results to Andrei Linde, one of the most influential authors of inflation theory. Chao-Lin surprised Linde at his home with champagne to toast the “smoking gun” that proved Linde’s life’s work to be true. The excitement turned out to be premature. More ordinary phenomena—such as dust particles in the Milky Way—can polarize light in a similar way, and after follow-up study by the European Space Agency’s Planck spacecraft, the BICEP2 team revised its initial findings to say that it’s possible the entire signal was caused by cosmic dust.

A successor experiment, BICEP3, installed in Antarctica early this year, along with ACTPol and other studies, will help by adding more data, but gravitational wave signals might still hide from such detection. That brings us back to the question of direct detection. As Walt Ogburn points out, the Big Bang Observer would be able to settle the issue of inflation for good. A possible follow-up to LISA, the project as initially proposed would consist of 12 satellites in three groupings that would orbit around the sun. The vast scale would provide the ability to measure gravitational radiation with wavelengths comparable to the size of the solar system—what we would expect from inflation.

Not only could the Observer confirm results from polarization observatories, it also could discover things about the fundamental structure of the cosmos. As Ogburn points out, these early waves “also represent new physics at energies a trillion times higher than what we can reach at the [Large Hadron Collider].” They could even help settle one of the looming conundrums in modern physics: understanding the quantum mechanical properties of gravity.

Even though LIGO and GEO600 are remarkably sensitive instruments, they are simply too small to observe primordial gravitational waves. Their mission is elsewhere: detecting waves caused by colliding black holes, neutron stars, and other relatively compact objects that pack a lot of energy. And as large as LISA will be, its million-kilometer arms will still be too short for the largest gravitational waves. The Big Bang Observer is currently the best hope we have, and it is far in the future.

Like other gravitational wave researchers, Katherine Dooley and Matt Benacquista are philosophical about the lack of direct detections so far. Gravitational wave research is difficult, and the waves that would be easiest to detect because they’re the most common—those from binary pulsars and black holes—could be detected only by bigger detectors than we can build on Earth’s surface. 

For that reason, nobody in the field was really surprised when the first iterations of LIGO didn’t see anything. Each phase of LIGO was always intended to be a learning process, much as engineers build and test many rocket prototypes before settling on a design to launch valuable payloads aboard. The deepest concern now is “noise hunting,” says Dooley, identifying all the environmental and technical disturbances that could get in the way of being able to see a clear signal from a gravitational wave when one comes along. 

Advanced LIGO, the version with Dooley’s upgrades that began operation last February, has ten times the sensitivity of the original experiment. In practical terms, that means it can “hear” ten times as far, which represents a volume of the universe that is a thousand times greater. In that pocket of space, says Dooley, signals from colliding neutron stars “could be as infrequent as once a year or once every other year, or even as frequent as almost every day.” If Advanced LIGO detected one gravitational wave signal per month, that would be enough to keep researchers busy and happy for some time.

When astronomers finally detect gravitational waves, what doors to our understanding of the universe will open? Benacquista doesn’t mind not knowing in advance: “That’s one of the things I really like about astrophysics. It’s like a game where you’ve been told the conclusion to a story, and now you have to invent the story that got you to that point.” With every new field in astronomy, scientists discovered something unexpected: radio astronomy led to pulsars, X-ray astronomers found black holes, microwave antennas detected the cosmic microwave background. If this first generation of gravitational researchers at last hears the rumble of the first moments of the universe, they may find themselves, thrillingly, at the beginning again. 


Titta på videon: Einsteins misstag kvantmekanik, gravitationsvågor och mörk energi i dagens ljus (Maj 2022).