الفلك

كشف مرور الكائن النسبي الضخم

كشف مرور الكائن النسبي الضخم


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.

صادفت مقالًا مثيرًا للاهتمام يفترض أنه يمكننا اكتشاف جسم ذي كتلة كبيرة ("حجم سفينة الفضاء") يتحرك عبر مجرتنا المجاورة بجزء كبير من سرعة الضوء باستخدام التكنولوجيا الحالية.

جعلني ذلك أتساءل (بالنسبة لرواية خيال علمي أكتبها) ما إذا كان سيكون هناك دليل على مثل هذا المقطع بالقرب من النقطة في الفضاء حيث حدثت سنوات أو عقود بعد هذا المرور بعيدًا عن أي نجم.

ستنتشر تفاعلات CMB المذكورة في المقالة من نقطة المرور بسرعة الضوء ، لذلك كانت ستغادر المنطقة لفترة طويلة. هل من المحتمل أن بعض القطع الأثرية في المرور ستظل موجودة ، مثل التغيير في الوسط النجمي (التغيير إلى معدلات التأين ، اندماج العناصر الأخف ، إلخ)؟ ما مدى سرعة تفرق أي من هذه التغييرات؟ لأغراض السؤال ، افترض أن الملاحظات العلمية ممكنة عند نقطة المرور المشتبه بها.


على الاغلب لا.

أعتقد أنه يمكن طرح سؤالك "هل يمكننا الكشف عن تأثير طويل الأمد على البيئة المحلية في الفضاء بين النجوم بعد عقد أو عقدين من مرور مركبة فضائية نسبية؟"

الخطوة الأولى هي السؤال فقط كيف النسبية؟ إذا كان الأمر "سريعًا حقًا" (على سبيل المثال ، 0.99c) ، فستكون هناك مجموعة تأثيرات واحدة ، ولكن إذا كانت سريعة جدًا - 0.99999c ، على سبيل المثال - فستدخل بعض التأثيرات الجديدة.

والثاني هو السؤال عن كثافة الغاز في المنطقة المجاورة. إذا كان الأمر يشبه الفضاء الطبيعي بين النجوم (عادةً مليون ذرة لكل متر مكعب) فسيكون اكتشاف مروره أصعب بكثير مما لو كنا في شيء مثل سحابة جزيئية عملاقة حيث يمكن أن تكون كثافتها أكبر من 100 إلى مليون مرة.

أولاً ، لن ترى أي إشعاع كهرومغناطيسي باقٍ: سيكون ذلك بالضرورة سنوات ضوئية بعد عقد من الزمان وقد حددت التأثيرات المحلية. يترك ذلك شيئين يمكنني رؤيتهما: (أ) التأثيرات على الغاز الموجود مسبقًا ، و (ب) أجزاء السفينة المتبقية.

الوسط النجمي عبارة عن هيدروجين ذري بالكامل تقريبًا ، إما محايد أو مؤين. عادة ما تكون درجة الحرارة 100-1000 كلفن. متوسط ​​المسار الحر لهذه الذرات كبير جدًا: 105 أميال تصل إلى مليون ضعف ذلك. متوسط ​​سرعة الذرات حوالي 1 كيلو في الثانية.

هذا يعني أن أي تأثير لمرور السفينة على الوسط النجمي المحلي سيُمحى تمامًا عن طريق انتشار الوسط النجمي (IM) في وقت قصير. تخيل أن السفينة تنفخ أنبوبًا من الفراغ في IM على بعد مليون ميل. سوف تتحرك ذرات الهيدروجين المحايدة من خارج هذه المنطقة (فقط عدد قليل من المسارات الحرة) بسرعة 1 كيلو في الثانية. في غضون بضعة ملايين من الثواني ، ستتم إعادة ملء الفراغ الناجم عن مرور السفينة. (مليون ثانية هي حوالي 10 أيام ، لذا فإن سنة واحدة هي وقت كافٍ لتنتشر IM مرة أخرى إلى حالة التوازن).

إذا كان IM كثير أكثر كثافة ، قد يستمر التأثير لمدة عقد من الزمن ، لكننا لا نتحدث عن الرسائل الفورية في أي مكان بالقرب منا.

المصدر الثاني المحتمل هو أجزاء من السفينة التي تركت وراءها. ضرب IM عند .99c هو بالضبط نفس ضرب IM للسفينة عند .99c ، وهذا إشعاع صعب للغاية - تصل بروتونات IM إلى 5 GeV. ما لم يكن للسفينة دروع قوية من نوع ما ، فمن المحتمل أن يتسبب هذا في بعض التشظي - تتآكل ذرات الطرف الأمامي للسفينة في الفضاء. هذا قد يمكن اكتشافها ، لكن المشكلة التي أراها هي أنه من غير المرجح أن يتم إلقاء هذه البتات في الفضاء بسرعة عرضية صفرية ، وبالتالي ستترك المنطقة المحلية بسرعة وستكون غير قابلة للكشف بعد عقد من الزمان.

قد تقوم السفينة بتفريغ طاقة كافية في IM لتسخينها - مما يخلق أنبوبًا طويلًا من الحرارة الفورية أكثر من المعتاد على طول مسارها. المشكلة - مرة أخرى - هي أن متوسط ​​المسار الحر طويل جدًا لدرجة أن الذرات الساخنة ستنحل على الفور إلى أماكن بعيدة ، وستنتشر الذرات الأكثر برودة خارج نطاق السفينة ، مما يؤدي إلى محو المسارات.

إذا كانت السرعة عالية بجنون (كما لو أن 99c لم تكن جنونية بدرجة كافية) ، فربما ترى نوعًا من التأثير حيث تتراكم موجة من البلازما كبيرة بما يكفي لمسح حقا أنبوب عريض على طول المسار ، طويل بما يكفي بحيث لا يمكن ملؤه خلال عقد من الزمان ، أو يتم إلقاء طاقة كافية في IM بحيث لا يزال متحمسًا بعد عقد من الزمان. المشكلة هي أن تلك الطاقة - الكبيرة - تأتي من خلال الطاقة الحركية للسفينة احتكاك مع IM. (أ) يؤدي هذا إلى إبطاء السفينة و (ب) من المحتمل أن يؤدي إلى أشياء سيئة للغاية في هيكل السفينة.

التأثير الأخير هو أننا قد نرى بعض الآثار الجانبية لقيادة السفينة أو دروعها. لكن نظرًا لأنهم في الأساس سحر (قانون كلارك الثالث) ، فأنا لا أرى كيف يمكن لأي شخص أن يعطيك إجابة علمية.


كشف مرور الكائن النسبي الضخم

... يمكننا اكتشاف جسم هائل يتحرك عبر مجرتنا المجاورة بجزء كبير من سرعة الضوء باستخدام التكنولوجيا الحالية.

... يتساءل ... ما إذا كان سيكون هناك دليل على مثل هذه السنوات أو العقود بعد هذا المرور بعيدًا عن أي نجم.

نعم.

  1. يمر جسم كبير عبر مجرة ​​على بعد 10 سنوات ضوئية.

  2. نبدأ مراقبة ذلك الجزء من السماء ، بعد 9 سنوات 11 شهرًا (أو قبل ذلك).

  3. في الشهر التالي بدأنا نلاحظ تغيرًا في مدارات الأجسام في تلك المنطقة.

إذا كان الجسم الهائل نجمًا ، فسنراه كما لو كان يسافر عبر هذا النظام الذي كان يحدث فيه في الوقت الحالى (وقتنا ، بالطبع ، كل الأوقات وأطرها حقيقية ؛ هذا تفسير مبسط) على الرغم من أن ما نراه حدث منذ أكثر من عقد.

إذا كان الجسم الهائل عبارة عن ثقب أسود ، فلن نراه ، لكننا سنرى حركة الأجسام الأخرى بطريقة غير متوقعة ، وانعكاس الضوء.

تأثيرات كتلة الكتلة المجرية الأمامية على أشكال المجرات الخلفية. تُظهر اللوحة اليسرى العلوية (مُسقطة على مستوى السماء) أشكال أعضاء الكتلة (باللون الأصفر) والمجرات الخلفية (باللون الأبيض) ، متجاهلة تأثيرات العدسة الضعيفة. تعرض اللوحة اليمنى السفلية نفس السيناريو ، ولكنها تتضمن تأثيرات العدسة. تُظهر اللوحة الوسطى تمثيلًا ثلاثي الأبعاد لمواقع المجرات العنقودية والمصدر ، بالنسبة إلى المراقب. لاحظ أن مجرات الخلفية تظهر ممتدة بشكل عرضي حول الكتلة.

في حالة الكتل الكبيرة جدًا في وضع جيد لتحريف الخلفية يكون التأثير أكثر وضوحًا.

انقر للتحريك

مصدر ضوء بعيد يمر خلف عدسة الجاذبية. هناك كتلة نقطية كبيرة في المركز تعمل كعدسة. الدائرة المائية هي الطريقة التي سنرى بها مصدر الضوء إذا لم تكن هناك عدسة ، بينما البقع / الدائرة البيضاء هي مصدر الضوء كما يُرى من خلال العدسة. إذا كان مصدر الضوء على علاقة خطية مع الأرض والعدسة ، فإن الصورة هي "حلقة أينشتاين". عندما يكون المصدر خارج هذا الخط ، نرى صورة مزدوجة. عندما تتحرك بعيدًا ، تصبح إحدى الصور أكثر خفوتًا بينما لا تتأثر الصورة الأخرى تقريبًا بالعدسة (وبالتالي تتزامن مع دائرة سماوية).


حملة ملحمية تؤكد النسبية بالقرب من الثقب الأسود الهائل

يُظهر انطباع فنان & # 8217s موقع النجم المعروف باسم S2 وهو يتأرجح حول الثقب الأسود الهائل في قلب مجرة ​​درب التبانة في مايو. يُظهر القياس الدقيق أن الضوء الصادر من النجم قد تمدد بفعل جاذبية الثقب الأسود و # 8217 تمامًا كما تنبأت نظرية النسبية العامة. الصورة: ESO

وقع نجم معروف باسم S2 في قبضة حديدية للمجرة وأقوى مجال جاذبية في المجرة رقم 8217 ، وقد مر على مسافة 20 مليار كيلومتر (12.4 مليار ميل) من الثقب الأسود الهائل الكامن في قلب مجرة ​​درب التبانة في مايو الماضي. بمعدل مذهل يبلغ 3 في المائة من سرعة الضوء ، أو أكثر من 25 مليون كيلومتر في الساعة (15 مليون ميل في الساعة).

شق ضوء الأشعة تحت الحمراء من النجم طريقه عبر سحب الغبار المتداخلة عبر 26000 سنة ضوئية إلى الأرض حيث كان الفلكيون يراقبون S2 ونجوم أخرى بالقرب من الثقب الأسود على مدار الـ 26 عامًا الماضية.

باستخدام مجموعة من الأدوات المتطورة المرتبطة بالمرصد الأوروبي الجنوبي والتلسكوب الكبير جدًا # 8217s ، وجد فريق دولي من الباحثين أن حركة النجم & # 8217s لا تتفق مع التنبؤات القائمة على الفيزياء النيوتونية أو الكلاسيكية.

مدارات النجوم بالقرب من درب التبانة وثقب أسود فائق الكتلة. الصورة: ESO

لكن الأرقام كانت في اتفاق وثيق مع التنبؤات التي تم إجراؤها باستخدام نظرية أينشتاين للنسبية العامة ، وكشفت عن ظاهرة تُعرف باسم الانزياح الأحمر الثقالي ، حيث يتمدد الضوء من S2 إلى أطوال موجية أطول في مجال الجاذبية للثقب الأسود.

يتفق التغيير في الطول الموجي بدقة مع النسبية العامة ، وهي المرة الأولى التي لوحظ فيها مثل هذا الانحراف عن تنبؤات الفيزياء الكلاسيكية في حركة نجم بالقرب من ثقب أسود فائق الكتلة.

& # 8220 هذه هي المرة الثانية التي نلاحظ فيها الممر القريب لـ S2 حول الثقب الأسود في مركز مجرتنا ، & # 8221 قال راينهارد جينزل من معهد ماكس بلانك لفيزياء خارج الأرض (MPE) في جارشينج بألمانيا.

& # 8220 ولكن هذه المرة ، بسبب الأجهزة المحسنة كثيرًا ، تمكنا من مراقبة النجم بدقة غير مسبوقة ، & # 8221 قال. & # 8220 لقد كنا نستعد بشكل مكثف لهذا الحدث على مدى عدة سنوات ، حيث أردنا الاستفادة القصوى من هذه الفرصة الفريدة لمراقبة التأثيرات النسبية العامة. & # 8221

تم إجراء الملاحظات المتقدّمة باستخدام التلسكوب الكبير جدًا وأجهزة البصريات التكيفية GRAVITY و SINFONI و NACO. يجمع GRAVITY الحزم من جميع تلسكوبات VLT الأربعة التي يبلغ قطرها 8 أمتار لقياس المسافات الفلكية بدقة غير مسبوقة بينما SINFONI هو مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة.

قام مطياف SINFONI بقياس سرعة S2 & # 8217s تجاه الأرض وبعيدًا عنها بينما قام مقياس التداخل VLT و GRAVITY بقياسات دقيقة لتغيير موقع النجم لتحديد شكل مداره حول الثقب الأسود.

قال فرانك أيزنهاور ، الباحث الرئيسي في GRAVITY ومقياس الطيف SINFONI: "أظهرت ملاحظاتنا الأولى لـ S2 مع GRAVITY ، منذ حوالي عامين ، أنه سيكون لدينا مختبر ثقب أسود مثالي".

& # 8220 خلال المقطع القريب ، يمكننا حتى اكتشاف التوهج الخافت حول الثقب الأسود في معظم الصور ، مما سمح لنا بمتابعة النجم بدقة في مداره ، مما أدى في النهاية إلى اكتشاف الانزياح الأحمر الثقالي في طيف S2 . "

قال Françoise Delplancke ، رئيس قسم هندسة النظام في ESO ، إن الملاحظات كانت مهمة لأن & # 8220 هنا في النظام الشمسي لا يمكننا اختبار قوانين الفيزياء إلا الآن وفي ظل ظروف معينة. لذلك من المهم جدًا في علم الفلك التحقق أيضًا من أن تلك القوانين لا تزال سارية حيث تكون مجالات الجاذبية أقوى بكثير ".

نفذت الملاحظات من قبل فريق دولي من قبل Genzel قاد مع المتعاونين في باريس المرصد-البولندي، وجامعة جرينوبل ألب، CNRS، ومعهد ماكس بلانك لعلم الفلك، وجامعة كولونيا، والبرتغالية CENTRA - مركز دي استرو فاي سيكا ه Gravitação و المرصد الأوروبي الجنوبي.

قد تؤكد الملاحظات المستمرة لـ S2 تنبؤًا آخر من نظرية النسبية & # 8211 تغييرات طفيفة في مدار النجم & # 8217s المعروف باسم Schwarzschild precession & # 8211 حيث يتحرك النجم للخارج من الثقب الأسود.


& # 8220 سحب الزمكان & # 8221 & # 8211 تنبأ بها أينشتاين & # 8217s النظرية العامة للنسبية

& # 8220 بعد استبعاد مجموعة من الأخطاء التجريبية المحتملة ، بدأنا نشك في أن التفاعل بين القزم الأبيض والنجم النيوتروني لم يكن بسيطًا كما كان يُفترض حتى الآن ، & # 8221 استنتج ويليم فان ستراتن ، عالم الفلك في أوكلاند الجامعة التكنولوجية ، حول الكشف عن مبادرة لينس-ثيرينج. هذا التأثير النسبي الذي تم افتراضه لأول مرة منذ قرن من الزمان يغير مدار جسمين هائلين مدمجين في نظام نجمي ثنائي. تؤكد نتائج الدراسة التي استمرت عشرين عامًا تنبؤًا بنظرية النسبية العامة لأينشتاين. عندما يدور جسم ضخم ، تتنبأ النسبية العامة بأنها تسحب الزمكان المحيط به ، وهي ظاهرة تُعرف باسم سحب الإطار.

سحب الإطار

تسبب هذه الظاهرة حركة مسبقة للحركة المدارية للأجسام المرتبطة بالجاذبية. في حين تم الكشف عن سحب الإطار من خلال تجارب الأقمار الصناعية في مجال الجاذبية للأرض الدوارة ، فإن تأثيره صغير للغاية ويصعب قياسه. توفر الأجسام الأكثر ضخامة ، مثل الأقزام البيضاء أو النجوم النيوترونية ، فرصة أفضل لمراقبة الظاهرة تحت حقول جاذبية أكثر كثافة.

لاحظ الفيزيائي فيفيك فينكاترامان كريشنان من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي وزملاؤه PSR J1141-6545 ، وهو نجم نابض شاب في مدار ضيق وسريع مع قزم أبيض ضخم. قاموا بقياس أوقات وصول النبضات في غضون 100 ميكروثانية ، على مدى عشرين عامًا تقريبًا ، مما سمح لهم بتحديد انحراف طويل المدى في المعلمات المدارية.

بعد القضاء على الأسباب المحتملة الأخرى لهذا الانجراف ، بما في ذلك التأثيرات النسبية العامة الأخرى ، فينكاترامان كريشنان وآخرون. استنتج أنه نتيجة لمبادرة Lense-Thirring بسبب رفيق القزم الأبيض الذي يدور بسرعة. تؤكد النتائج التنبؤ بالنسبية العامة وسمحت للمؤلفين بتحديد سرعة دوران القزم الأبيض & # 8217 ثانية.

النجوم النابضة هي مختبر أحلام أينشتاين & # 8217s

& # 8220 في البداية ، بدا أن الزوج النجمي يعرض العديد من التأثيرات الكلاسيكية التي تنبأت بها نظرية أينشتاين. ثم لاحظنا تغيرًا تدريجيًا في اتجاه مستوى المدار ، & # 8221 قال المؤلف الرئيسي كريشنان. & # 8220 النجوم النابضة هي ساعات كونية. يعني ثباتها الدوراني العالي أن أي انحرافات عن وقت الوصول المتوقع لنبضاتها ربما تكون بسبب حركة النجم النابض أو بسبب الإلكترونات والمجالات المغناطيسية التي تواجهها النبضات. يعد توقيت النجم النابض تقنية قوية حيث نستخدم الساعات الذرية في التلسكوبات الراديوية لتقدير وقت وصول النبضات من النجم النابض إلى دقة عالية جدًا. حركة النجم النابض في مداره تعدل وقت الوصول ، مما يتيح قياسه. & # 8221

& # 8220 أحد التأكيدات الأولى لسحب الإطار استخدم أربعة جيروسكوبات في قمر صناعي في مدار حول الأرض ، لكن التأثيرات في نظامنا أقوى 100 مليون مرة ، & # 8221 قال الدكتور نوربرت ويكس ، معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي.

& # 8220Pulsars هي ساعات فائقة في الفضاء ، & # 8221 تعليقات إيفان كين ، عالم مشروع لصفيف الكيلومتر المربع (SKA). & # 8220 الساعات الفائقة في مجالات الجاذبية القوية هي مختبرات حلم أينشتاين & # 8217. لقد كنا ندرس واحدة من أكثر هذه الأشياء غرابة في نظام النجوم الثنائي هذا. عند معالجة النبضات الدورية للضوء من النجم النابض مثل دقات الساعة ، يمكننا أن نرى العديد من تأثيرات الجاذبية ونفصلها أثناء تغيير التكوين المداري ، ووقت وصول نبضات دقات الساعة. في هذه الحالة ، رأينا مبادرة Lens-Thirring ، وهي تنبؤ للنسبية العامة ، لأول مرة في أي نظام نجمي. & # 8221

إصلاحك المجاني مرتين أسبوعيًا لقصص الفضاء والعلوم & # 8211a رحلة عشوائية من كوكب الأرض عبر الكون & # 8211 التي لديها القدرة على تقديم أدلة على وجودنا وإضافة منظور كوني تمس الحاجة إليه في عصر الأنثروبوسين.


تشهد على تكوين أحد أكثر الأشياء كثافة في الكون


جيريت شلينبرجر

نرحب بـ Gerrit Schellenberger بصفته المدون الضيف. حصل على الدكتوراه في بون بألمانيا عام 2016 ، وكان باحثًا بعد الدكتوراه في مركز الفيزياء الفلكية | Harvard & amp Smithsonian منذ مارس 2016. تتضمن أبحاثه العمل على مجموعات ومجموعات المجرات في عينات كبيرة لعلم الكونيات ، ولكن أيضًا على أجسام فردية في الأشعة السينية ونظام الراديو.

منذ بداية مسيرتي الفلكية ، كنت مفتونًا بدراسة مجموعات المجرات ، التي تتكون من المئات ، وأحيانًا الآلاف من المجرات التي تم تجميعها معًا بفعل الجاذبية فقط. ومع ذلك ، فإن المجرات وحدها لا تلخص - إلى حد بعيد - الكتلة اللازمة لإبقاء الكتلة مرتبطة ببعضها البعض. ابتداءً من السبعينيات بعد ولادة علم الفلك بالأشعة السينية وأول أقمار التصوير الصناعية مثل أينشتاين و ROSAT ، اكتشف العلماء وجود غاز ساخن جدًا بين مجرات العنقود. كتلة هذا الغاز تتجاوز كتلة كل النجوم في المجرات معًا.

على الرغم من أن هذا الغاز هو الهيكل الأكثر انتشارًا ومرئيًا في عناقيد المجرات ، إلا أنه يمثل حوالي 10٪ فقط من الكتلة الكلية (بينما تشكل النجوم في المجرات حوالي 1٪ فقط). البقية ، حوالي 90٪ ، هي مادة مظلمة ، والتي لا يمكن ملاحظتها مباشرة. ومع ذلك ، يمكننا أن نرى تأثيره على الغازات الساخنة والمجرات في عناقيد المجرات: فالجاذبية لا تبقي المجرات داخل العنقود فحسب ، بل تضغط الغاز أيضًا ، وتسخنه إلى النقطة التي تصدر منها الأشعة السينية. لذلك يمكننا دراسة المادة المظلمة في مجموعات عن طريق قياس الخصائص (مثل درجة الحرارة) للغاز الساخن من انبعاث الأشعة السينية.

مفتونًا بهذا ، بدأت في تحليل عينة مكونة من 64 مجموعة خلال الدكتوراه في بون ، ألمانيا ، بهدف الحصول على الكتل الكلية (بما في ذلك مكون المادة المظلمة) لكل منهم. اتضح أن مجموعات المجرات الأصغر والأخف وزنًا ، والتي تسمى أيضًا مجموعات المجرات ، لا تتبع القياس المتوقع بين انبعاث الأشعة السينية ودرجة الحرارة عند كتلة كتلة معينة ، مما يعني أنه لا يمكن استخدام خصائص الأشعة السينية للغاز في هذه الأنظمة إعطاء تقديرات كتلة موثوقة. لذلك ، يمكن أن تكون مجموعات المجرات محدودة الاستخدام فقط للدراسات الكونية ، حيث من الضروري تقدير كمية المادة في الأجسام وكيف تتغير مع الزمن الكوني.

من ناحية أخرى ، فإن الأجسام الأكثر ضخامة ، على الرغم من ندرة وجودها ، هي تلك التي تتتبع بشكل أفضل تطور الهيكل الذي نلاحظه في الماضي وفي الكون الحالي. إن المقدار الإجمالي لكل المادة في الكون ، وكثافة الكتل الصغيرة الموجودة في المواد بعد الانفجار العظيم (الذي تشكلت منه البنى) ، ومعدل تمدد الكون ، كلها تحدد عدد التجمعات الهائلة التي يمكننا ملاحظتها اليوم.

لا تعد التجمعات الأكثر ضخامة مفيدة جدًا لعلم الكونيات فحسب ، بل تساعدنا أيضًا في فهم العمليات التي تتشكل بها العناقيد. تخبرنا عمليات المحاكاة أن عناقيد المجرات تتشكل على طول خيوط كونية ، وهي هياكل ذات كثافة معززة تتخلل الكون مثل شبكة العنكبوت. يجب أن تتشكل التجمعات الضخمة عند تقاطعات الخيوط الكبيرة. لكن علماء الفلك لا يزالون يبحثون عن دليل قاطع على الملاحظة على حدوث اندماجات عنقودية ضخمة عند هذه التقاطعات.

Abell 1758 عبارة عن نظام عنقود مجري تم اكتشافه في الأصل كمجموعة مفردة ، ولكن أظهرت ملاحظات المتابعة أنه يتكون من مجموعتين منفصلتين: مجموعة شمالية وأخرى جنوبية ، مفصولة بنحو 6 ملايين سنة ضوئية. تظهر كلتا المجموعتين مؤشرات على أنها ما زالت تتشكل من خلال اندماجاتهما القوية بين مجموعتين من المجرات الأصغر. في الآونة الأخيرة ، تم تأكيد الاندماج العنيف في الكتلة الشمالية ، ويبدو أن الكتلة الجنوبية في مرحلة مبكرة من الاندماج. في النهاية ، ستتصادم المجموعات الشمالية والجنوبية أيضًا ، وبالتالي فإن النظام بأكمله عبارة عن اندماج رباعي ، مما يجعل هذه الحالة مثيرة للاهتمام بشكل فريد للدراسة.

دفعنا هذا إلى اقتراح بيانات أشعة سينية عميقة جدًا وعالية الدقة من Chandra ودمجها مع كتالوج كبير جدًا من البيانات الضوئية للمجرات الفردية. أضفنا أيضًا بيانات الراديو بترددات منخفضة نسبيًا (تقابل أطوال موجات راديو طويلة نسبيًا) لتتبع الانبعاث غير الحراري. يتضمن هذا الانبعاث إشعاعًا لا علاقة له بدرجة حرارة الجسم ، مثل تسارع الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات في المجالات المغناطيسية. يتم إنتاجه في أنظمة دمج ، حيث يمكن للطاقات المعنية تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات نسبية ، أي جزء كبير من سرعة الضوء.

مع البيانات المتاحة أردنا الإجابة على بعض الأسئلة الأساسية حول هذا النظام: الاندماج الكبير كما هو الحال في الكتلة الشمالية لأبل 1758 يجب أن يترك بصمات قوية في الغاز الساخن ، وخاصة جبهات الصدمات ، والتي تشبه حواجز الصوت التي تنتجها الطائرات الأسرع من الصوت . علاوة على ذلك ، نتوقع أن نرى مجموعة من الجسيمات النسبية مع الملاحظات الراديوية. هل يمكن أن تؤكد الملاحظات هذه التوقعات؟ هل زوجا العناقيد - Abell 1758 North and South - قد بدآ بالفعل في الاندماج؟ من المحتمل أن تكون الكتلة التي تجمع بين أبيل 1758 شمالًا وجنوبًا هي أضخم هيكل مرتبط في الكون. هل يمكن للحركة النسبية للمجرات الفردية أن تخبرنا ما إذا كانت هناك خيوط هائلة ، تتراصف حولها العناقيد؟

باستخدام بيانات Chandra X-ray العميقة جدًا ونهجًا جديدًا لاكتشاف الحواف حول المناطق الأكثر إشراقًا في الغاز الساخن ، تمكنت أنا وزملائي من العثور على مقدمة الصدمة المرتبطة بالاندماج في Abell 1758 North ، وبناء أكثر اكتمالاً صورة هذا الاندماج. تشير قوة الصدمة إلى أن الكتل تتجه نحو بعضها البعض بسرعة أكبر 60٪ من سرعة الصوت في الغاز (الأسرع من الصوت). يتطابق موضع موجة الصدمة أيضًا بشكل جيد مع مقدمة باردة متدرجة ، مما يشير إلى انتقال حاد إلى منطقة أكثر كثافة وبرودة من الغاز. كما أن البث الراديوي المنتشر الموجود بتردد منخفض يبلغ 610 ميجاهرتز مع تلسكوب راديو Giant Metrewave في الهند يتطابق بشكل جيد مع الصورة العامة للاندماج العنقودي.

ومع ذلك ، نظرًا لكتلة المكونات الفردية ، فقد توقعنا أن تكون مقدمة الصدمة ذات قوة أكبر ، بالإضافة إلى انبعاث راديو واضح ناتج عن الجسيمات المشحونة التي تسرعها مقدمة الصدمة. حقيقة أننا لا نرى هذا ، وليس لدينا أيضًا مؤشرات واضحة على وجود جبهة صدمة على الجانب الآخر (وهو أمر متوقع نظريًا) ، تشير إلى أن طاقة الاندماج قد لا يتم نقلها إلى الغاز بشكل فعال كما قد نفترض. الاحتمال الآخر هو أن هناك حاجة إلى مزيد من الوقت حتى تتطور الهياكل التي أنشأها الاندماج وتصبح أكثر وضوحًا.

يمكننا أن نرى في الكتلة الجنوبية ، حيث نجد مؤشرات اندماج أقل (لا توجد جبهة صدمة قوية ، فقط انبعاث راديو ضعيف) ، أن المجموعتين الفرعيتين فقط في مرحلة الممر الأساسي ، مما يعني أنهما وصلتا إلى أصغر فصل و سيبدأ بعد ذلك في الابتعاد عن بعضهما البعض. وجدنا عدة حواف حول الاندماج في الكتلة الجنوبية ، لكن لا يمكن تحديد أي منها بوضوح بجبهة الصدمة.

تجمع مجموعة البيانات الضوئية الخاصة بنا بين ملاحظات العديد من التلسكوبات ، من بينها تلسكوب MMT بقطر 6.5 متر في ولاية أريزونا ، وتلسكوب Gemini North في هاواي. لا يمكننا وصف مواقع المجرات فحسب ، بل أيضًا سرعاتها النسبية تجاهنا. استخدمنا هذه المعلومات ثلاثية الأبعاد لتحديد ما إذا كانت كل مجرة ​​تنتمي إلى الكتلة الشمالية أو الجنوبية. تمكنا أيضًا من تحديد المجرات التي تنتمي إلى عدة مجموعات صغيرة تقع في واحدة من أكبر العناقيد. هذا يدل على أنه قد يكون هناك خيوط كبيرة تتشكل على طولها مجموعات أصغر من المجرات وتسقط على الحشود الهائلة. ومع ذلك ، من مواقع هذه المجموعات ، يكون الخيط عموديًا تقريبًا على محور الاندماج المتوقع للمجموعتين الكبيرتين ، وهو أمر غير متوقع.

أصبح بحثنا ممكنًا بشكل أساسي من خلال صور الأشعة السينية عالية الدقة لشاندرا. تمكنا من الإجابة على بعض الأسئلة المفتوحة حول هذا النظام المثير للاهتمام ، ولكن لم يتم حل بعض المشكلات حتى الآن. أفضل نهج للمستقبل هو إيجاد ودراسة أنظمة أكثر تشابهًا ، والتي من المحتمل أن تكون على مسافات أكبر منا تتطلب أوقات مراقبة أطول. ستساعدنا عمليات المسح المستقبلية بالأشعة السينية ، مثل eROSITA ، على اكتشاف المزيد من الأنظمة مثل Abell 1758.


وزن الجسيم النسبي

أنت تسأل بشكل أساسي عما إذا كان المصطلح المهمل & quot ؛ الكتلة النسبية & quot هو نفس مصطلح بقية الكتلة أم لا. إنه ليس كذلك ، والسبب في أنه مصطلح مهمل هو أنه يسبب بالضبط هذا النوع من الارتباك. الكتلة هي خاصية متأصلة. موتر طاقة الإجهاد في النسبية العامة (& quot ؛ الكتلة الواقعية & quot) ليس هو دالة للسرعة النسبية.

إذا كان الجسيم الخاص بك يسافر بسرعات نسبية في FOR واحدة وجسيم آخر يسافر بنفس السرعة في نفس FOR ومتوازي مع الأول ، فإن كلاهما لهما كتلة & quotrest & quot ؛ الجذب لبعضهما البعض لأن لديهم سرعة نسبية صفرية. إذا مروا بجسيم في حالة سكون في FOR ، فإن الجسيمين المتحركين والجسيم الباقي يكون لهما جاذبية أكبر لبعضهما البعض مما يمكن تفسيره بواسطة كتلة السكون وحدها.

حسنًا ، بشكل أكثر تحديدًا ، أنا أسأل ما إذا كان التأثير الذي تمت الإشارة إليه ذات مرة كمصطلح مهمل & quot ؛ الكتلة النسبية & quot لا يمكن تمييزه عن الراحة الجماعية في مواقف معينة مثل الحالة التي وصفتها أعلاه.

أفهم أن هناك أسبابًا مشروعة لتعريف كتلة السكون بطريقة معينة ، والآثار النسبية بطريقة أخرى. ولكن هل هناك حالات تكون فيها التأثيرات النسبية ، على نطاق صغير وقصير ، متطابقة مع استبدالها بجسم ذي كتلة راحة أكبر؟

إذا كان لديك صندوق يتحرك بسرعة عالية ، مع وجود جزيء بداخله يتحرك أيضًا بنفس السرعة السريعة وفي نفس الاتجاه سيكون لديك نفس الموقف تمامًا كما لو كان لديك صندوق في وضع السكون به جزيء بداخله أيضًا في حالة سكون . هذا هو مبدأ النسبية. حالة الراحة تعادل حالة الحركة المنتظمة.

من ناحية أخرى ، إذا كان لديك صندوق كتلته ## M ## به جسيم كتلته ## م ## داخل الصندوق ، يتحرك بالنسبة للمربع فإن كتلة هذا النظام ستكون أكثر من ## M + م ##. هذا صحيح إذا كان الصندوق في حالة راحة بالنسبة لك ، أو يتحرك بسرعة كبيرة بالنسبة لك.

إذا كان لديك صندوق يتحرك بسرعة عالية ، مع وجود جزيء بداخله يتحرك أيضًا بنفس السرعة السريعة وفي نفس الاتجاه سيكون لديك نفس الموقف تمامًا كما لو كان لديك صندوق في وضع السكون به جزيء بداخله أيضًا في حالة سكون . هذا هو مبدأ النسبية. حالة الراحة تعادل حالة الحركة المنتظمة.

من ناحية أخرى ، إذا كان لديك صندوق كتلته ## M ## به جسيم كتلته ## م ## داخل الصندوق ، يتحرك بالنسبة للمربع فإن كتلة هذا النظام ستكون أكثر من ## M + م ##. هذا صحيح إذا كان الصندوق في حالة راحة بالنسبة لك ، أو يتحرك بسرعة كبيرة بالنسبة لك.

سوف يزن الصندوق المتحرك (الجسيم المتحرك أيضًا) أكثر ، حسب وزنه بمقياس. تقنيات وزن الأجسام المتحركة معروفة (على سبيل المثال ، هناك أنظمة تجارية تزن الشاحنات المتحركة) ، ولكن ليس بسرعات نسبية. معظمها يعتمد على قياس الضغط على لوحة حساس ، على ما أعتقد.

لقد بحثت عن بعض الخيوط القديمة حول هذا الموضوع ، لكنني لم أجد موضوعًا أود أن أوصي به بشكل خاص :(. ما يحدث رغم ذلك هو أن القوة الإجمالية على الكتلة المتحركة تزداد بمقدار ## gamma ##.

f x = m γ 3 a x = m L a x، f y = m γ a y = m T a y، f z = m γ a z = m T a z.

ما هو تعريف الوزن الذي تستخدمه هنا؟ أنت تدرك أن أكثر من واحد أو اثنين فقط من الاستخدامات الشائعة ، وهذا داخل مجتمع الفيزياء وخارجه.

باستخدام تعريف الوزن المستخدم في صناعة النقل بالشاحنات التجارية ، لن يفعلوا ذلك. أعتقد أنك تقصد أن القوة التي تمارسها الشاحنة على المنصة مختلفة عندما تتحرك الشاحنة؟ يستخدم بعض الأشخاص في المجتمع الفيزيائي ذلك كتعريف للوزن ، على الرغم من أنهم عادةً ما يأخذون في تسميته بالوزن الظاهري. معظم الناس في المجتمع الفيزيائي يسمون تلك القوة الطبيعية. في كثير من الحالات خارج المجتمع الفيزيائي ، على سبيل المثال في صناعة النقل بالشاحنات التجارية ، يكون تعريف الوزن بالضبط (بموجب القانون) مكافئًا لما يسميه الناس في مجتمع الفيزياء ، وفي الواقع جميع العلوم ، الكتلة.

لنفترض أن لديك شاحنة بوزن إجمالي يبلغ 4567 طنًا ، تم قياسه عندما تكون الشاحنة في وضع السكون على مقياس المنصة النموذجي المستخدم في محطات الوزن على جانب الطريق. يجب معايرة تلك الموازين التجارية التي تتحدث عنها بحيث تقرأ 4567 طنًا عندما تتحرك الشاحنة عبرها. وإلا فإن الجناة ينتهكون القانون.

ما هو تعريف الوزن الذي تستخدمه هنا؟ أنت تدرك أن أكثر من واحد أو اثنين فقط من الاستخدامات الشائعة ، وهذا داخل مجتمع الفيزياء وخارجه.

باستخدام تعريف الوزن المستخدم في صناعة النقل بالشاحنات التجارية ، لن يفعلوا ذلك. أعتقد أنك تقصد أن القوة التي تمارسها الشاحنة على المنصة مختلفة عندما تتحرك الشاحنة؟ يستخدم بعض الأشخاص في المجتمع الفيزيائي ذلك كتعريف للوزن ، على الرغم من أنهم عادةً ما يأخذون في تسميته بالوزن الظاهري. معظم الناس في المجتمع الفيزيائي يسمون تلك القوة الطبيعية. في كثير من الحالات خارج المجتمع الفيزيائي ، على سبيل المثال في صناعة النقل بالشاحنات التجارية ، يكون تعريف الوزن بالضبط (بموجب القانون) مكافئًا لما يسميه الناس في مجتمع الفيزياء ، وفي الواقع كل العلوم ، الكتلة.

لنفترض أن لديك شاحنة بوزن إجمالي يبلغ 4567 طنًا ، تم قياسه عندما تكون الشاحنة في وضع السكون على مقياس المنصة النموذجي المستخدم في محطات الوزن على جانب الطريق. يجب معايرة تلك الموازين التجارية التي تتحدث عنها بحيث تقرأ 4567 طنًا عندما تتحرك الشاحنة عبرها. وإلا فإن الجناة ينتهكون القانون.

مرة أخرى ، سيعتمد هذا على التعريف المستخدم للوزن. حتى داخل مجتمع الفيزياء حيث أصر دائمًا على تعريف الوزن كقوة ، لا يستطيع الفيزيائيون الاتفاق على كيفية تحديد هذه القوة. لدي مراجع لدعم ذلك. البعض منهم مؤثر بشكل خاص.

النقطة التي أحاول توضيحها هي أن استجابة هذا المقياس ستعتمد على سرعة الشاحنة. نفس المقياس ، بدون معايرة الاسترجاع ، سيقرأ رقمًا أعلى للشاحنة المتحركة نسبيًا من الشاحنة الثابتة. أعتقد أنك محق بشأن الجوانب القانونية ، يبدو أن التعريف القانوني للوزن مختلف عن تعريف الفيزياء. نوع الوزن الذي يقيسه المرء بميزان ليس نوع الوزن الذي نستخدمه في التجارة. لست متأكدًا من سبب كون التعريف الفيزيائي هو ما هو عليه ، ولكن هذا هو فهمي للاستخدام الشائع للوزن كما هو مستخدم في الفيزياء والهندسة ، حيث نقيس الوزن (والقوة) بالنيوتن.

لست متأكدًا من الأوراق التي تشير إليها والتي تجادل حول قضايا حول كيفية تحديد القوة. على المستوى الأساسي ، كنت سأتعامل مع المشكلة على أنها جسيم نقطي (والذي يتجنب بعض الفيزياء المثيرة للاهتمام ولكن المتقدمة). لست على دراية بأي مشكلات تتعلق بتعريف القوة على الجسيم النقطي ، إذا كنت تعتقد أن لديك بعض المراجع التي تشكك في هذا الأمر ، فأنا أرغب في رؤيتها إذا كنت تعتقد أن النقطة تستحق المناقشة. (يمكننا مناقشة حالة الجسيمات غير النقطية إذا كان هذا هو موضع الاعتراض أيضًا ، لكن المناقشة ستصبح أكثر تقدمًا وأقل وضوحًا.)

يلخص اقتباس الويكي الذي أضفته إلى رسالتي الأصلية أبسط معاملة أعرفها. كما يذكر ويكي ، تزداد نسبة القوة إلى الكتلة الباقية لجسيم متحرك نسبيًا. لا تتغير الكتلة الباقية للجسيم عندما يتحرك (حسب التعريف). The ratio of force/accelerationdoes change when the particle moves, and it changes differently for when the particle moves transverse to the force (the so-called transverse mass) to when the particle moves in the direction of the force (the so called longitudinal mass).

I actually don't use the concept of "transverse mass" much, but it serves as a convenient way to find documented calculations of the force in this case.


قم بتنزيل وطباعة هذه المقالة لاستخداماتك العلمية والبحثية والتعليمية الشخصية.

شراء عدد واحد من علم مقابل 15 دولارًا أمريكيًا فقط.

علم

Vol 340, Issue 6131
26 April 2013

أدوات المادة

الرجاء تسجيل الدخول لإضافة تنبيه لهذه المقالة.

By John Antoniadis , Paulo C. C. Freire , Norbert Wex , Thomas M. Tauris , Ryan S. Lynch , Marten H. van Kerkwijk , Michael Kramer , Cees Bassa , Vik S. Dhillon , Thomas Driebe , Jason W. T. Hessels , Victoria M. Kaspi , Vladislav I. Kondratiev , Norbert Langer , Thomas R. Marsh , Maura A. McLaughlin , Timothy T. Pennucci , Scott M. Ransom , Ingrid H. Stairs , Joeri van Leeuwen , Joris P. W. Verbiest , David G. Whelan

Observations of a pulsar confirm general relativity in the strong-field regime and reveal a perplexing stellar binary.


قم بتنزيل وطباعة هذه المقالة لاستخداماتك العلمية والبحثية والتعليمية الشخصية.

شراء عدد واحد من علم مقابل 15 دولارًا أمريكيًا فقط.

علم

Vol 333, Issue 6039
08 July 2011

أدوات المادة

الرجاء تسجيل الدخول لإضافة تنبيه لهذه المقالة.

By Joshua S. Bloom , Dimitrios Giannios , Brian D. Metzger , S. Bradley Cenko , Daniel A. Perley , Nathaniel R. Butler , Nial R. Tanvir , Andrew J. Levan , Paul T. O' Brien , Linda E. Strubbe , Fabio De Colle , Enrico Ramirez-Ruiz , William H. Lee , Sergei Nayakshin , Eliot Quataert , Andrew R. King , Antonino Cucchiara , James Guillochon , Geoffrey C. Bower , Andrew S. Fruchter , Adam N. Morgan , Alexander J. van der Horst

علم 08 Jul 2011 : 203-206

A recent bright emission observed by the Swift satellite is due to the sudden accretion of a star onto a massive black hole.


(Feb. 11, 2016) In Historic First, Einstein's Gravitational Waves Detected Directly

Editor's note for Oct. 3, 2017: Astrophysicists Kip Thorne and Barry Barish of Caltech, and Rainer Weiss of MIT won the Nobel Prize for Physics for the first detection of gravitational waves. Below is our coverage of that historic discovery.

WASHINGTON — Gravitational waves, the cosmic ripples that distort space-time itself, have been directly detected for the first time.

In a highly anticipated announcement today (Feb. 11), researchers affiliated with the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) reported the detection of gravitational waves. The signal picked up by LIGO came from the collision of two black holes and was detected on Sept. 14, 2015 by LIGO's twin detectors in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington, scientists said.

This cosmic crash sent gravitational waves streaming outward at the speed of light, causing ripples in the fabric of space-time, similar to how a dropped pebble disturbs a still pond. Researchers said the collision occurred 1.3 billion years ago between black holes that were about 29 and 36 times more massive than the sun, respectively. During the crash, about three times the mass of the sun was converted into gravitational waves in less than a second, generating a peak power output of about 50 times that of the entire visible universe, they added.

"Our observation of gravitational waves accomplishes an ambitious goal set out over five decades ago to directly detect this elusive phenomenon and better understand the universe, and, fittingly, Einstein's legacy on the 100th anniversary of his general theory of relativity," said LIGO Laboratory executive director David Reitze, of the California Institute of Technology in Pasadena, in a statement.

The detection is a milestone moment in astronomy and astrophysics. Unlike light waves, gravitational waves don't get distorted or altered by interactions with matter as they race through space they therefore carry "pure" information about the objects and events that created them, according to LIGO researchers.

"With this completely new way of examining astrophysical objects and phenomena, gravitational waves will truly open a new window on the universe, providing astronomers and other scientists with their first glimpses of previously unseen and unseeable wonders, and greatly adding to our understanding of the nature of space and time itself," LIGO team members wrote in an online description of the project.

Gravitational waves were first predicted by Albert Einstein in his famous 1916 paper on general relativity. One of the central, and strangest, tenets of general relativity is that space and time are not separate things but rather are linked together in a single fabric: space-time. Massive objects, like stars, stretch and curve this fabric, sort of like how a bowling ball distorts a rubber sheet. These dips cause objects such as planets, and even light, to take a curved path around those more massive bodies.

Gravitational waves affect this fabric as well, causing ripplelike distortions. Previous studies have confirmed the existence of gravitational waves — which are generated by the acceleration (or deceleration) of massive objects — through indirect methods, but the LIGO find is the first direct detection of this enigmatic phenomenon.

"The description of this observation is beautifully described in the Einstein theory of general relativity formulated 100 years ago and comprises the first test of the theory in strong gravitation," LIGO team member Rainer Weiss, of the Massachusetts Institute of Technology (MIT), said in a statement. "It would have been wonderful to watch Einstein's face had we been able to tell him."

LIGO can only spot relatively strong gravitational waves, which are created by dramatic events, such as two black holes swirling around each other and then colliding, or a merger of superdense stellar corpses called neutron stars. The detector can also find gravitational waves generated by an exploding star, known as a supernova, LIGO team members have said.

Spotting these space-time ripples is a serious challenge. As a gravitational wave passes through Earth, it squishes space in one direction and stretches it another direction. LIGO looks for that warping of space-time using two "L"-shaped detectors one is in Livingston, Louisiana, and the other is in Hanford, Washington.

Each arm of each detector is 2.48 miles (4 kilometers) long. Near the point where the two arms meet, a pulse of laser light is released down each arm simultaneously. The pulses travel down an arm, bounce off a mirror at the far end and come back near the starting point, at the crux of the "L."

If a gravitational wave passes by, it will compress one arm of the detector and stretch the other. As a result, the light beam traveling down the stretched arm will take slightly longer to get back to the starting point than will the light beam traveling the arm that has been compressed. (If the same signal is spotted by both detectors, researchers can be confident the signal is real, and not the result of environmental conditions at one of the two sites. Recording the signal at two different locations also allows scientists to find the gravitational wave's source in the sky by triangulation.)

That logic seems simple enough, but the change in the length of each arm is far smaller than the width of an atomic nucleus. If the LIGO detector spanned all the way from the sun to the next-nearest star — Proxima Centauri, located 24.94 trillion miles (40.14 trillion km) away — a gravitational wave would shrink the detector by only the width of a human hair, one LIGO scientist said.

This is not the first time gravitational waves have been in the news. In 2014, researchers using the BICEP2 telescope in Antarctica announced they had detected signatures of gravitational waves in the microwave light left over from the Big Bang (known as the cosmic microwave background). But that result fell apart when observations by Europe's Planck space observatory showed the alleged signatures were probably nothing but space dust.

The LIGO team's claim of direct gravitational-wave detection will very likely undergo intense scrutiny before the scientific community fully accepts the result as sound. There are no other experiments that measure the same kind of gravitational waves that LIGO is sensitive to, so there is currently no way to directly compare the results with another experiment.

The research will be published in an upcoming issue of the Physical Review Letters.


Relativity Tutorial

Relativity can be described using space-time diagrams. Contrary to popular opinion, Einstein did not invent relativity. Galileo preceded him. Aristotle had proposed that moving objects (on the Earth) had a natural tendency to slow down and stop. This is shown in the space-time diagram below.

Note the curved worldline above. This shows a variable velocity, or an acceleration . Galileo objected to Aristotle's hypothesis, and asked what happened to an object moving on a moving ship.

Now it is still moving in its final state. Galileo proposed that it is only relative velocities that matter. Thus a space-time diagram can be transformed by painting it on the side of a deck of cards, and then skewing the deck to one side -- but keeping the edges along a straight line:

Straight worldlines (unaccelerated particles) remain straight in this process. Thus Newton's First Law is preserved, and non-accelerated worldlines are special. This Galilean transformation does not affect the time. Thus two observers moving with respect to each other can still agree on the time, and thus the distance between two objects, which is the difference in their positions measured at equal times, can be defined. This allowed Newton to describe an inverse square law for gravity.

But Galilean transformations do not preserve velocity. Thus the statement "The speed limit is 70 mph" does not make sense -- but don't try this in court. According to relativity, this must be re-expressed as "The magnitude of the relative velocity between your car and the pavement must be less than 70 mph". Relative velocities are OK.

Special Relativity

But 200 years after Newton the theory of electromagnetism was developed into Maxwell's equations. These equations describe waves with a speed of 1/sqrt(epsilon o *mu o ), where epsilon o is the constant describing the strength of the electrostatic force in a vacuum, and mu o is the constant describing the strength of the magnetic interaction in a vacuum. This is an absolute velocity -- it is not relative to anything. The value of the velocity was very close to the measured speed of light, and when Hertz generated electromagnetic waves (microwaves) in his laboratory and showed that they could be reflected and refracted just like light, it became clear that light was just an example of electromagnetic radiation. Einstein tried to fit the idea of an absolute speed of light into Newtonian mechanics. He found that the transformation from one reference frame to another had to affect the time -- the idea of sliding a deck of cards had to be abandoned. This led to the theory of special relativity . In special relativity, the velocity of light is special. Anything moving at the speed of light in one reference frame will move at the speed of light in all unaccelerated reference frames. Other velocities are not preserved, so you can still try to get lucky on speeding tickets.

Because the speed of light is special, space-time diagrams are often drawn in units of seconds and light-seconds, or years and light-years, so a unit slope [45 degree angle] corresponds to the speed of light. The set of all light speed world lines going through an event defines the light cones of that event: the past light cone and the future light cone. An example of light cones is shown above. The fancy light picture on the left shows both the past and future light cones of the event where the two worldlines cross, while the schematic version on the right is easy to use in more complicated diagrams.

Thus in the situation shown in 3 space-time diagrams below, the central section shows the worldline of one stationary observer, one observer moving to the right, and two events on the future light cone on the event where the two observers' worldlines cross.

The left-hand section of the figure shows the Galilean transformation into the frame of reference of the moving observer. The events on the future light cone have shifted to the left, but they are still at the same time. Since the coordinates x and t just provide a way of describing space-time, and are not the space-time themselves, the two events are still on the future light cone. But now slopes of the light rays have changed, so the speed of light has changed. The Lorentz transformation appropriate for special relativity is shown on the right hand of the figure. The events on the future light cone have shifted to the left as before, but now their times have changed, so the slopes of the light rays do not change. The speed of light is invariant in Einstein's special relativity.

What is the evidence for the invariance of the speed of light? The hypothesis that the speed of light is c relative to its source can easily be disproved by the one-way transmission of light from distant supernovae. When a star explodes as a supernova, we see light coming from material with a large range of velocities dv, at least 10,000 km/sec. Because of this range of velocities, the spectral lines of a supernova are very broad due to the Doppler shift. After traveling a distance D in time D/c, the arrival time of the light would be spread out by dt = (dv/c)(D/c).

However, this DOES NOT happen. For the Crab supernova, with D/c = 6000 years, dv = 10,000 km/sec would give a range of arrival times of 200 years. But the Crab was only bright for 1 year. For very distant supernovae with D/c = 5 billion years, modern observations with spectrographs show that the redshifted and blueshifted light arrives at the same time: within 10 days. This limit on the spread is 5 billion times smaller than the prediction of the "bullet" model of light.

However, light could travel at speed c relative to a medium -- the ether. If it did, then the rate of a "bouncing photon clock" moving with respect to the ether

would depend on the angle between its photon bouncing axis and its velocity. A stationary bouncing photon clock has a period of P = 2L/c. If it is moving parallel to its axis at velocity v, and light moves at speed c with respect to the ether, then the speed relative to the clock when the photon is moving "upstream" is c-v and the one-way time is L/(c-v). When the photon is moving "downstream" the speed relative to the clock is c+v so the one-way time is L/(c+v). The period is the sum of these times: If the clock is moving perpendicular to its axis, the light has to move a distance L sideways and a distance vt "upstream" to keep up with the clock, where t is the one-way time. The total distance traveled is ct, which is the hypotenuse of a right triangle with sides L and vt. Thus the period is given by: Thus the ether model predicts that Brillet and Hall (1979, PRL, 42, 549) actually built a bouncing photon clock (a laser stabilized to a Fabry-Perot etalon) on a rotating table and compared its rate to an atomic clock (a laser stabilized to a methane line).

The observed dP/P was (1.5 +/- 2.5)*10 -15 . For the minimum possible velocity of 30 km/sec, due to the orbit of the Earth around the Sun, this is at least a million times smaller than the ether model prediction. The 370 km/sec velocity of the Solar System with respect to the cosmic background radiation gives an ether model prediction 100 million times larger than the Brillet-Hall limit. For this velocity even fourth order effects (v 4 /c 4 ) can be strongly ruled out. This experiment has been improved by Eisele et al. (2009, PRL, 103, 090401) achieving 10 -17 precision which 76 billion times smaller than the ether model prediction.

Michelson and Morley used two bouncing photon clocks at right angles to each other, but without the lasers and counters which didn't exist. This left an L-shaped interferometer. But they were able to show that dP/P was essentially zero instead of the ether model prediction.

Radar

The constancy of the speed of light allows the use of radar (RAdio Detection And Ranging) to measure the position and time of events not on an observer's worldline. All that we need are a clock and the ability to emit and detect radar pulses.

If we send out a radar pulse at time ts, which is reflected at the event E, and the echo arrives back at time tr, then we know that the light was traveling at c for the entire round-trip journey out to E and back, so the distance of E is D(E) = c*(tr-ts)/2. In our frame of reference we are stationary, and light travels at the same speed coming back from E as it did going out, so the time of the event E is obtained by averaging the send and receive times, t(E) = (tr+ts)/2.

Time Dilation

Armed with radar, we can determine the time of two events on the worldline of an observer moving with respect to us. We can then compare the time interval we measure to the time interval measured by the moving observer. Consider the two observers A and B below.

They both set their clocks to zero at the event Z where their worldlines cross. A sends out a radar pulse at the event S at time tA(S) = 1. This is received by observer B at event R with time tB(R) = k. The factor k depends on the relative velocity of A and B, but since the light takes some time to travel between A and B, we know that k will be larger than 1. The notation tA means times determined by A, while tB are times determined by B. If A sends out a pulse at some other time, tA = x, it will be received by B at time tB = x*k by the principle of similar triangles. In particular, if A sends out a pulse at time tA = k it will be received by B at time tB = k*k. Now consider the radar pulse reflected by B at event R. It starts at time tB = k. When will A receive it? Since the speed of A with respect to B is the same as the speed of B with respect to A, this time has to be tA(T) = k*k. We can now compute the distance of event R from A's worldline and time of event R according to A, tA(R). These are DA(R) = c(k*k-1)/2 and tA(R) = (k*k+1)/2. Thus the speed of B according to A is We can solve for k giving which is the relativistic Doppler shift formula. But we also find that tA(R) > tB(R), so A says that B's clock is running slow. The amount of this time dilation is Thus moving clocks run slow. Note that B will also find that A's clock is running more slowly than his. There is a symmetric disagreement about clock rates. I have prepared an animation that toggles back and forth from the point-of-view of observer A to the point-of-view of observer B and illustrates the symmetry.

This slow down factor is exactly the slow down calculated above in the ether model for a bouncing photon clock moving perpendicular to its bounce axis. The clock moving parallel to the axis slows down by the same amount under special relativity because of the Lorentz-Fitzgerald contraction of moving objects in the direction of motion.

The space-time diagrams above both show a rod moving past an observer. On the left the rod is moving, while on the right the same situation is shown in the rod's frame of reference. The observer moving with respect to the rod makes a radar determination of its length, as does an observer moving along with the rod. The observer on the rod sees a length of 5 light-ticks because it takes 10 ticks for light to make the round trip to the end of the rod and back. The observer moving with respect to the rod at v = 0.6*c measures only 8 ticks for the round trip and thus gives the length of the rod as 4 light-ticks. Thus the length of a moving rod appears to be reduced by a factor of sqrt(1-v 2 /c 2 ). Thus length contraction changes P(par) for the bouncing photon clock to so the rate of a bouncing photon clock does not depend on the angle between its velocity and its bouncing axis.

Because the clocks of different observers run at different rates, depending on their velocities, the time for a given observer is a property of that observer and his worldline. This time is called the proper time because it is "owned" by a given particle, not because it is the "correct" time. Proper time is invariant when changing reference frames because it is the property of a particle, not of the reference frame or coordinate system. In general, given any two events A and B with B inside the future light cone of A, there is one unaccelerated worldline connecting A and B, just as there is one straight line connecting two points in space. In the frame of reference of the observer following this unaccelerated worldline, his clock is always stationary, while clocks following any other worldline from A to B will be moving at least some of the time. Because moving clocks run slow, these observers will measure a smaller proper time between events A and B than the unaccelerated observer. Thus the straight worldline between two events has the largest proper time, and all other curved worldlines connecting the two events have smaller proper times. This is exactly analogous to the fact that the straight line between two points has the smallest length of all possible curves between the points. Thus the "twin paradox" is no more paradoxical than the statement that a man who drives straight from LA to Las Vegas will cover fewer miles than a man who drives from LA to Las Vegas via Reno.

The pair of space-time diagrams above show quintuplets separated at birth. The middle worldline shows the quint who stays home. The space-time diagram on the left is done from the point of view of the middle quint. Each dot on a worldline is a birthday party, so the middle quint is 10 years old when they all rejoin each other, while the other quints are 6 and 8 years old. The space-time diagram on the right shows the same events from the point of view of an observer initially moving with one of the moving quints. When the quints come together their ages are still 6, 8, 10, 8, and 6 years. Thus the straight worldline between two events can be found by maximizing the proper time, just as the straight line between two points can be found by minimizing the length.

General Relativity

Now we come to a matter of gravity: how can gravity be an inverse square law force, when the distance between two objects can not even be defined in Einstein's special relativity? Special relativity was constructed to satisfy Maxwell's equations, which replaced the inverse square law electrostatic force by a set of equations describing the electromagnetic field. So gravity was the only remaining action-at-a-distance inverse square law force. And gravity has a unique property the acceleration due to gravity at a given place and time is independent of the nature of the body.

The space-time diagram above shows a proton and an antiproton moving under the influence of an electric field on the left and a gravitational field on the right. Gravity accelerates all objects equally. This fact was known to Newton, and tested to an accuracy of 1 part in 100 million by Eotvos. Later work by Dicke and by Braginsky has improved the accuracy of the test to 1 part in a trillion. A space mission called STEP has been proposed which will test the equality of acceleration to 1 part per quintillion. In 2000 STEP was selected for further study in NASA's SMEX program. STEP did not proceed, but a different satellite was launched in 2016, and hopes to achieve 1 part per quadrillion accuracy.

Thus through any event in space-time, in any given direction, there is only one worldline corresponding to motion solely influenced by gravity. Compare this to the geometric fact that through any point, in any given direction, there is only one straight line. We are led to propose that worldlines influenced only by gravity are really straight worldlines. But how can an accelerating body have a straight worldline? It all depends on how you measure it. Suppose we plot a straight line on polar graph paper, and then make a plot of radius vs angle as shown below?

In the radius vs theta plot the straight line is curved. I have shown adjacent two lines dashed and labeled just like the proton and antiproton shown earlier to emphasize that while there are an infinite number of curved lines in the radius vs theta plot, there is only one straight line through the initial point with the initial direction.

Principle of Equivalence

Einstein proposed that the effects of gravity (in a small region of spacetime) are equivalent to the effect of using an accelerated frame of reference without gravity. As as example, consider the famous "Einstein elevator" thought experiment. If an elevator far out in space accelerates upward at 10 meters/second 2 , it will feel like a downward acceleration of gravity at 1 g = 10 m/s 2 . If a clock on the ceiling of the elevator emits flashes of light f times per second, an observer on the floor will see them arriving faster than f times per second because of the Doppler shift due to the acceleration of the elevator during the light transit time.

The space-time diagram on the left above shows the clock on the elevator ceiling emitting flashes of light. The light transit time is h/c where h is the height of the ceiling, and the velocity change is a*h/c so the Doppler shift increases the rate of flash arrival by a factor of (1+a*h/c 2 ), so the flash arrival rate is f' = (1+a*h/c 2 )*f. On the right is the same situation with stationary clocks in a gravitational field. In order to have the flash arrival rate faster by a factor of (1+g*h/c 2 ), the clock on the ceiling must run faster by this factor. In other words, clocks run faster when they are high up in a gravitational field. This effect has been seen in the laboratory by Pound and Rebka (1960, PRL, 4, 337) who used the Mossbauer effect to measure a frequency shift (f'/f -1) = (2.57+/-0.20)*10 -15 after dropping photons a distance of 22.6 meters. The expected shift was 2.46*10 -15 .

The effect of gravity on clocks was tested to greater precision by Vessot etal (1980, PRL, 45, 2081) who launched a hydrogen maser straight up at 8.5 km/sec, and watched its frequency change as it coasted up to 10,000 km altitude and then fell back to Earth. The frequency shift due to gravity was (f'/f -1) = 4*10 -10 at 10,000 km altitude, and the experimental result agreed to within 70 parts per million of this shift.

Because of the gravitational speedup for uphill clocks, an observer moving between two events can achieve a larger proper time by shifting his worldline upward in the middle. Going too far upward requires moving so fast that time dilation due to motion reduces the proper time more than the gravitational speedup, so there is an optimum curvature to the worldline that maximizes the proper time.

The space-time diagram on the left above shows 9 observers moving between two events with different accelerations. The third from the right has the correct balance between going uphill to get a faster clock rate and avoiding motion to avoid time dilation. As a result, this observer has the largest proper time between the two events. Note that the accelerations are negative for paths that have a maximum height, so the third worldline from the right is plotted as the third dot from the left on the chart. The optimum worldline curvature is the acceleration of gravity, and it is negative because things fall down, not up.

Curved Spacetime

Curved coordinates alone, such as the polar graph, do not provide a satisfactory model for gravity. Two straight lines through the same point but with different directions will never cross again, while two worldlines influenced only by gravity which pass through the same event with different velocities can cross again. Consider the Galileo spacecraft, which made two Earth flybys. In between the flybys, Galileo was on an elliptical orbit with a 2 year period. In order to allow "straight" lines to cross multiple times, a curved space-time is needed. As a familiar example of a curved space, consider the surface of the Earth and the great circle arc connecting two cities. The great circle is the shortest distance between two points on the surface of the Earth, and it is the path followed by airliners.

The great circle path from Los Angeles (34 N, 118 W) to Tel Aviv (32 N, 35 E) goes all the way to 70 N latitude.

Plotting latitude vs longitude, as if longitude were time and latitude position, gives the pseudo-spacetime diagram below.

The two great circles through Los Angeles, one to Tel Aviv and one to Singapore, are both "straight" lines, but they intersect in two places. This is impossible in plane geometry but it does occur in non-Euclidean geometry. The pseudo-spacetime diagram above is almost identical to a real spacetime diagram for objects moving in a tunnel drilled through the center of a massive sphere. Gravity produces oscillatory motions so worldlines for different objects, each influenced only by gravity, can cross at many events.

Einstein was able to compute the perihelion advance of Mercury using general relativity, and his calculation matched an observed discrepancy with Newtonian predictions. Einstein also computed that light passing by the Sun would be deflected by twice as much as a prediction using Newtonian gravity and Newton's particle model for light would suggest. The same effect causes a delay of light passing by the limb of the Sun, known as the Shapiro delay, which has now been measured to great accuracy and agrees with the prediction of general relativity.

Light cones in curved space-time

Unlike the restricted set of Lorentz transformations allowed in special relativity, the more general coordinate transformations of general relativity will change the slope of the walls of the lightcones. In other words, the speed of light (dx/dt) will change in the transformed coordinates: dx'/dt' will not equal dx/dt in general. The light cones can tilt or stretch. The figure below shows "lightcones" added to the radius vs angle example given above:

The proper generalization of the special relativistic rule that velocities of objects should be less than c is that the worldlines of objects should be inside the lightcones, but the lightcones can tilt over or stretch vertically or horizontally. It is quite possible for a stationary object to have a worldline that is outside the lightcone. This happens inside the stationary limit of a black hole, for example, or for distances greater than the Hubble radius in cosmological models, as shown below in a space-time diagram from my Cosmology Tutorial.

  • The speed of light is a constant independent of the velocity of the source or the observer.
  • Events that are simultaneous as seen by one observer are generally not simultaneous as seen by other observers, so there can be no absolute time.
  • Each observer can define his own proper time -- the time measured by a good clock moving along his worldline.
  • Observers can assign times and positions to events not on their worldlines using radar observations.
  • Every observer will see his clock running faster than other clocks which are moving with respect to him, and this is a mathematically consistent pattern required by the properties of radar observations.
  • As a result, the unaccelerated worldline between two events will have the longest proper time of all worldlines connecting these events.
  • In the presence of gravity, the worldlines of objects accelerated only by gravity have the longest proper times.
  • Gravity requires that spacetime have a non-Euclidean geometry, and this curvature of spacetime must be created by matter.

Relativity also leads to interesting objects such as black holes, but these are not very relevant to cosmology.


Astronomers Get New Tools for Gravitational-Wave Detection

Teamwork between gamma-ray and radio astronomers has produced a breakthrough in finding natural cosmic tools needed to make the first direct detections of the long-elusive gravitational waves predicted by Albert Einstein nearly a century ago. An orbiting gamma-ray telescope has pointed radio astronomers to specific locations in the sky where they can discover new millisecond pulsars.


Robert C. Byrd Green Bank Telescope
CREDIT: NRAO/AUI/NSF

Millisecond pulsars, rapidly-spinning superdense neutron stars, can serve as extremely precise and stable natural clocks. Astronomers hope to detect gravitational waves by measuring tiny changes in the pulsars' rotation caused by the passage of the gravitational waves. To do this, they need a multitude of millisecond pulsars dispersed widely throughout the sky.

However, nearly three decades after the discovery of the first millisecond pulsar, only about 150 of them had been found, some 90 of those clumped tightly in globular star clusters and thus unusable for detecting gravitational waves. The problem was that millisecond pulsars could only be discovered through arduous, computing-intensive searches of small portions of sky.

"We've probably found far less than one percent of the millisecond pulsars in the Milky Way Galaxy," said Scott Ransom of the National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

The breakthrough came when an instrument aboard NASA's Fermi Gamma-Ray Space Telescope began surveying the sky in 2008. This instrument located hundreds of gamma-ray-emitting objects throughout our Galaxy, and astronomers suspected many of these could be millisecond pulsars. Paul Ray of the Naval Research Laboratory initiated an international collaboration to use radio telescopes to confirm the identity of these objects as millisecond pulsars.

"The data from Fermi were like a buried-treasure map," Ransom said. "Using our radio telescopes to study the objects located by Fermi, we found 17 millisecond pulsars in three months. Large-scale searches had taken 10-15 years to find that many," Ransom exclaimed. "Fermi showed us where to look."

"This is a huge help in our effort to use millisecond pulsars to detect gravitational waves," Ransom said. The more such pulsars scientists can find and observe over time, the more likely they are to detect gravitational waves, he explained. He said that astronomers now have barely enough millisecond pulsars to make a convincing gravitational-wave detection.

"With Fermi guiding the way, though, we can change that picture quickly," Ray said. "We've just started to follow up on the objects located by Fermi, and have many more to go, with a great success rate so far," he added.

Ransom, along with his colleague Mallory Roberts of Eureka Scientific, used the National Science Foundation's Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) to find eight of the 17 new pulsars. The scientists announced their discoveries at the American Astronomical Society's meeting in Washington, DC.

Pulsars are neutron stars -- the dense cores left after a massive star has exploded as a supernova. About as large as a medium-sized city, these neutron stars have strong magnetic fields that channel lighthouse-like beams of radio waves that sweep through space as the star rotates. When such a beam strikes the Earth, radio telescopes can detect the strong radio waves.

As they age, pulsars slow their rotation rates. However, if the pulsar is part of a binary-star system and can draw in material from its companion, its rotation can be sped up. When the neutron star has been sped up to rotate hundreds of times a second, it is called a millisecond pulsar.

In addition to helping scientists detect gravitational waves, study of millisecond pulars also can yield important new information about other effects of General Relativity and about fundamental particle physics.

"This new ability to find many more millisecond pulsars really is a treasure chest that can yield many valuable gems of scientific discovery," Ransom said.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.
Copyright © 2009 Associated Universities, Inc.


شاهد الفيديو: فلكي أردني يؤكد مفاجأة في كشف فلكي عالمي.. (ديسمبر 2022).