الفلك

ما سبب موجات الجاذبية التي اكتشفها ليجو؟

ما سبب موجات الجاذبية التي اكتشفها ليجو؟

أفهم أنه في الاكتشاف الأخير تم اكتشاف موجات الجاذبية. لكن معرفة الزمكان ليس ثابتًا ، فمن المحتمل أن يتغير باستمرار في العديد من الأماكن في الكون بسبب التغيرات في توزيع الأجسام الضخمة. على سبيل المثال ، هل يمكن أن تكون الموجة المكتشفة مجرد تذبذب طفيف في الجاذبية بسبب تحليق المشتري بالقرب من القمر أو القمر أو شيء مشابه؟


لا يمكن أن يكون كوكب المشتري أو القمر بسبب

  1. تردد الموجات المكتشفة سريع للغاية. وجد الكاشف شيئًا يدور عدة مئات من المرات في الثانية ، ثم توقف.

  2. السعة كبيرة جدًا. على الرغم من قرب كوكب المشتري ، إلا أن موجات الجاذبية التي ينتجها في مداره ضعيفة للغاية. أضعف من أن نكتشفها (شيء جيد أيضًا ، لأنه إذا كان ينتج إشعاعات جاذبية قوية ، فسيبدأ في الدوران إلى الشمس)

نحن نعلم شيئًا واحدًا يمكنه إنتاج زقزقة لهذا التردد والسعة ، وهو اندماج ثقب أسود. في اللحظات القليلة الماضية قبل الاندماج ، حوّل هذان الثقبان الأسودان حوالي ثلاث كتل شمسية إلى إشعاع ثقالي: هذه كمية هائلة من الطاقة. حوالي 500.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 $$ جول. لهذا السبب كانت للحظة واحدة "ألمع" نقطة في سماء الجاذبية

(ملاحظة. النموذج القياسي هو للجبناء)


كانت الإشارة التي تم العثور عليها شبه دورية ، مع تردد متزايد بسرعة - سمة من سمات نظام ثنائي مدمج (ما يسمى "زقزقة").

التردد المميز للجيغاواط لنظام "ثنائي" هو ضعف الفترة المدارية. لذا فإن التردد "المنبعث" من نظام جوبيتر-صن سيكون سريعًا إلى منخفض ليتم اكتشافه بواسطة ليجو ، وهو حساس يصل إلى حوالي 10 هرتز (أي فترات مدارية تبلغ 0.2 ثانية أو أقصر).

توجد هذه الأنواع من الفترات فقط في الثنائيات التي تتضمن ثقوبًا سوداء بحجم نجمي ونجوم نيوترونية قبل أن تندمج.

الشيء المثير للاهتمام حول القوة التي ينتجها النظام الثنائي هو أنها تذهب ككتلة إلى قوة 5. نقطة أخرى هي أننا نكتشف سعة الموجة ، والتي تقع فقط كمسافة معكوسة للمصدر.

وبالتالي من المرجح أن يرى LIGO اندماج أنظمة الثقوب السوداء الأكثر ندرة والأكثر ضخامة على مسافات كبيرة جدًا.


ولاية أوريغون تقود جهدًا بقيمة 17 مليون دولار لفهم الكون عبر موجات الجاذبية منخفضة التردد

CORVALLIS، Ore. & # 8211 جامعة ولاية أوريغون هي المؤسسة الرائدة لمركز National Science Foundation الذي تبلغ قيمته 17 مليون دولار والمخصص لدفع حدود المعرفة الفيزيائية من خلال دراسة الكون من خلال موجات الجاذبية منخفضة التردد ، وتموجات في نسيج الزمكان.

بتمويل من NSF كمركز حدود الفيزياء ، مرصد أمريكا الشمالية Nanohertz لموجات الجاذبية ، أو NANOGrav ، مجموعة بحثية في OSU تعمل تحت إشراف Xavier Siemens ، أستاذ الفيزياء في كلية العلوم بجامعة ولاية أوهايو.

سيمنز ، الذي انضم إلى هيئة التدريس في ولاية أوريغون في عام 2019 ، أدار سابقًا مركز NANOGrav Physics Frontier في جامعة ويسكونسن ميلووكي ، حيث تم إطلاقه في عام 2015 مع جائزة بقيمة 14.5 مليون دولار من NSF.

المنحة الجديدة التي مدتها خمس سنوات هي عبارة عن تجديد مشترك في إدارتها سيمنز وماورا ماكلولين ، عالمة الفلك في جامعة ويست فيرجينيا. سيساعد في تمويل تعاون ما يقرب من 200 باحث في الفيزياء الفلكية في 18 جامعة ، بما في ذلك OSU & # 8217s Davide Lazzati وحوالي 20 طالبًا جامعيًا وخريجًا في ولاية أوريغون. وقالت سيمنز إن جامعة ولاية أوهايو ستتلقى حوالي 600 ألف دولار سنويًا.

تم رصد موجات الجاذبية لأول مرة بشكل مباشر ، بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية ، في سبتمبر 2015 ، وهو حدث بارز في الفيزياء وعلم الفلك أكد أحد التنبؤات الرئيسية لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين & # 8217s 1915.

اكتشف الباحثون موجات الجاذبية هذه ، الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين ، باستخدام مقياسي تداخل LIGO التوأمين في ليفينغستون ، لويزيانا ، وهانفورد ، واشنطن. قال سيمنز إن موجات الجاذبية التي اكتشفها ليجو ، التي أنشأتها تلك الأنواع من & # 8220 ثنائيات ثقب أسود ، & # 8221 لها ترددات تبلغ حوالي 100 هرتز ، أو 100 دورة في الثانية. LIGO هو تعاون دولي ممول من NSF.

& # 8220 نحن نبحث عن موجات الجاذبية بترددات 11 مرتبة من الحجم أقل من تلك التي يكتشفها LIGO ، & # 8221 قال. & # 8220 نستخدم ، بدلاً من الليزر والمرايا في نهاية الأنابيب المفرغة ، النجوم النابضة الراديوية والتلسكوبات الراديوية. يمكننا استخدام هذه النجوم النابضة عندما تنتشر الساعات في السماء ، ويمكننا أن نرى كيف تتغير دقات الساعات من موجات الجاذبية التي تمر عبر مجرتنا. & # 8221

تدور النجوم النابضة بسرعة حول بقايا النجوم الضخمة التي انفجرت على شكل مستعرات أعظم ، وترسل نبضات من موجات الراديو بانتظام شديد ، تُعرف مجموعة منها بمصفوفة توقيت النجوم النابضة ، أو PTA.

سيبحث NANOGrav عن إشارات موجات الجاذبية باستخدام تلسكوب Green Bank في ولاية فرجينيا الغربية ، والمصفوفة الكبيرة جدًا في نيو مكسيكو ، وتجربة رسم خرائط كثافة الهيدروجين الكندية في كندا.

يوضح سيمنز أن استخدام PTA لاكتشاف & # 8220chorus & # 8221 من إشارات موجات الجاذبية من عمليات اندماج ثقوب سوداء متعددة ضخمة للغاية & # 8211 الموصوفة كخلفية عشوائية لموجات الجاذبية & # 8211 يحمل وعدًا لفهم الكون أكثر من اكتشاف a موجة واحدة من اصطدام ثنائي من ثقب أسود واحد.

& # 8220 كل إشارة تشبه النغمة ، ونحن & # 8217 ليس فقط بعد إحدى هذه الملاحظات & # 8211 نريد أن نسمع الجوقة بأكملها ، & # 8221 قال. & # 8220 نريد أن نسمع الجوقة الجماعية لجميع الثنائيات فائقة الكتلة للثقب الأسود التي تندمج في الكون. & # 8221

الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي أكبر نوع من الثقوب السوداء ، وتبلغ كتلتها ملايين إلى مليارات المرات من كتلة الشمس ، وهي موجودة في مراكز المجرات.

& # 8220 ربما رأينا بالفعل الإشارات الأولى لإشارة موجة الجاذبية ، & # 8221 قال سيمنز. & # 8220 سيضمن هذا المركز أن الباحثين لديهم الموارد اللازمة لاستكشاف واحدة من أكثر الحدود إثارة في جميع الفيزياء وعلم الفلك. & # 8221

ولاية أوريغون هي واحدة من 11 مؤسسة تستضيف مركز NSF Physics Frontiers Center وواحدة من ثلاث من مؤتمر Pacific 12 ، ومدرستا Pac-12 الأخريان هما جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وجامعة كولورادو. ومن قائمة المواقع الحدودية للفيزياء جامعة روتشستر برينستون ، وجامعة إلينوي رايس ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وولاية ميتشجان ، وجامعة ميريلاند.

تتراوح المراكز الأخرى ومجالات البحث رقم 8217 من الفيزياء البيولوجية النظرية وفيزياء الخلايا الحية إلى المعلومات الكمومية والفيزياء الفلكية النووية.


LIGO و Virgo يعلنان عن اكتشافات جديدة في كتالوج محدث

العدد التراكمي لأحداث الموجات الثقالية المكتشفة بواسطة LIGO / Virgo ، مقسومة من خلال مراقبة المدى. أسفر O1 عن 3 اكتشافات ، وأسفر O2 عن 8 اكتشافات ، وأسفر النصف الأول فقط من O3 عن 39 اكتشافًا! بشكل جماعي ، غطت عمليات المراقبة 2.5 الممثلة هنا ما يقرب من 600 يوم منذ سبتمبر 2015 ، على الرغم من أنه في بعض الأيام خلال التشغيل ، لم تكن هناك أجهزة كشف تعمل بسبب الصيانة أو العوامل البيئية. (انقر للحصول على صورة أكبر).

بعد عدة أشهر من التحليل الشامل ، أصدر LIGO Scientific Collaboration و Virgo Collaboration كتالوجًا محدثًا لاكتشافات موجات الجاذبية ، GWTC-2. يحتوي الكتالوج على 50 اكتشافًا لموجات الجاذبية ، بما في ذلك 39 إشارة جديدة من تصادمات ثقب أسود أو نجم نيوتروني تم اكتشافها في النصف الأول فقط من مسار المراقبة الثالث ليجو / فيرجو ، O3a ، والذي استمر من 1 أبريل إلى 1 أكتوبر 2019. O3a & ساهمت مساهمات # 39s في الكتالوج بأكثر من ثلاثة أضعاف عدد الاكتشافات المؤكدة (أسفرت أول عمليتي مراقبة مجتمعتين عن 11 اكتشافًا ، والتي تم تضمينها في الكتالوج الأول ، GWTC-1). تتضمن المجموعة الجديدة بعضًا من أكثر الأنظمة إثارة للاهتمام التي رأيناها حتى الآن ، وتمكن من إجراء دراسات نوعية جديدة عن مجموعات الفيزياء الفلكية والفيزياء الأساسية.

أصبحت الزيادة الحادة في عدد عمليات الكشف ممكنة من خلال التحسينات الكبيرة للأجهزة فيما يتعلق بفترات المراقبة السابقة. وشمل ذلك زيادة طاقة الليزر ، وتحسين المرايا ، واستخدام تقنية الضغط الكمي بشكل ملحوظ. مجتمعة ، أدت هذه التحسينات إلى أ

تحسن بنسبة 60٪ في النطاق الذي يمكن اكتشاف الإشارات من خلاله عبر النطاق الذي تم تحقيقه في تشغيل المراقبة السابق ، O2.

كانت الكواشف قادرة أيضًا على العمل دون انقطاع لفترات زمنية أطول مما كانت عليه في الماضي ، مما زاد من فرص التقاط إشارات موجات الجاذبية العابرة. نستخدم إحصائية تسمى & quot؛ دورة العمل & quot لوصف هذه الأوقات. كانت دورة عمل Virgo & # 39s 76٪ ، مما يعني أنها كانت تعمل بنسبة 76٪ من الوقت بين 1 أبريل و 1 أكتوبر. حققت أجهزة LIGO Hanford و Livingston دورات عمل بنسبة 71٪ و 76٪ على التوالي. كان الثلاثة يعملون في وقت واحد لمدة 44.5٪ من الوقت ، بينما كان هناك كاشفان يعملان في انسجام تام لما يقرب من 82٪ من الوقت. هذه مآثر رائعة بالنظر إلى تعقيد الأدوات ومدى تعرضها للظروف البيئية والزلزالية.

مع كل هذه الإشارات الجديدة ، يمكننا أن نبدأ في فهم مجموعات الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية الموجودة في الكون الأكبر بشكل أفضل. من خلال تحليل المجموعة الكاملة لعمليات اندماج الثقوب السوداء الثنائية في وقت واحد ، يمكننا تعظيم المعلومات الفيزيائية الفلكية التي نستخرجها. نستنتج أن توزيع كتل الثقب الأسود لا يتبع توزيعًا بسيطًا لقانون القوة. سيمكننا قياس الانحرافات عن قانون القوة هذا من التعرف على تكوين هذه الثقوب السوداء ، سواء كانت ناتجة عن موت نجمي أو اصطدامات سابقة للثقوب السوداء الأصغر. بالنظر إلى جميع السكان معًا ، يمكننا أيضًا دراسة الخصائص التي يصعب قياسها مثل دوران الثقب الأسود. في هذا الكتالوج ، نجد أن بعض الثقوب السوداء المندمجة لها دوران غير متوازي مع زخمها الزاوي المداري ، مما يثير تساؤلات حول كيفية تشكلها. سيسمح لنا هذا الاكتشاف والمزيد من الملاحظات بالتحقيق في الأنظمة التي تشكلت فيها هذه الثنائيات.

يمكننا أيضًا استخدام الإشارات العديدة في الكتالوج المحدث لوضع نظرية أينشتاين ورسكوس للجاذبية (النسبية العامة) قيد الاختبار بطرق أكثر وأفضل من ذي قبل. تم ذلك عن طريق مقارنة البيانات بالتنبؤات من النظرية ، وتقييد الانحرافات المحتملة. تم دمج النتائج من إشارات متعددة باستخدام طرق إحصائية جديدة للحصول على أشد القيود حتى الآن على خصائص الجاذبية في النظام القوي والديناميكي لعمليات اندماج الثقوب السوداء. مع الكتالوج الجديد ، تمكن LIGO و Virgo أيضًا من دراسة خصائص الأشياء المتبقية التي تم إنتاجها أثناء عمليات الدمج مباشرة: من خلال قياس اهتزازات هذه الكائنات ، واستبعاد الصدى المحتمل بعد الإشارات الرئيسية ، أكد LIGO و Virgo أن تصرفت البقايا كما نتوقع من الثقوب السوداء في نظرية أينشتاين ورسكووس.

إن الاكتشافات الـ 39 الجديدة التي تم الإبلاغ عنها في الكتالوج الجديد تتوافق مع الأشهر الستة الأولى فقط من تشغيل المراقبة الثالث لـ LIGO و Virgo & rsquos. يتم حاليًا تحليل نتائج الأشهر الخمسة المتبقية من O3. في غضون ذلك ، تخضع أدوات LIGO و Virgo للترقيات للتحضير لجولة المراقبة الرابعة (المخطط لها أن تبدأ في منتصف عام 2022) ، والتي ستشمل أيضًا كاشف KAGRA في اليابان. المزيد من الاكتشافات المثيرة في الأفق!

قراءة إضافية

  1. يمكن العثور على ملخص علمي لورقة كتالوج GWTC-2 بالكامل هنا: https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/index.php
  2. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول أول كتالوج LIGO / Virgo لموجة الجاذبية العابرة (GWTC-1) في هاتين الورقتين: GWTC-1: كتالوج عابر لموجة الجاذبية لعمليات الاندماج الثنائية المدمجة التي رصدها LIGO و Virgo أثناء الملاحظة الأولى والثانية عمليات التشغيل وخصائص مجموعة الثقب الأسود الثنائي المستنبطة من تشغيلات المراقبة الأولى والثانية لـ LIGO المتقدم والعذراء المتقدم (الرسوم المتحركة بواسطة SXS Collaboration)

ماكس إيسي هو زميل ناسا أينشتاين لما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. إنه مهتم باستخدام إشارات الموجات الثقالية لفحص النسبية العامة لأينشتاين ورسكووس والتعرف على الفيزياء الأساسية بشكل عام.

كولم تالبوت هو زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يدرس علم فلك الموجات الثقالية والاستدلال الفيزيائي الفلكي والإحصاءات الفلكية الحسابية.


علماء ليجو فيرجو يكتشفون موجات الجاذبية الأولى من النجوم النيوترونية

باتون روج - لأول مرة ، اكتشف العلماء مباشرة موجات الجاذبية - تموجات في المكان والزمان - بالإضافة إلى الضوء من الاصطدام المذهل لنجمين نيوترونيين. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها مشاهدة حدث كوني في كل من موجات الجاذبية والضوء.

تم الاكتشاف باستخدام مرصد موجات الجاذبية بالليزر ومقره الولايات المتحدة ، أو LIGO كاشف العذراء في أوروبا وحوالي 70 مرصدًا أرضيًا وفضائيًا.

النجوم النيوترونية هي أصغر النجوم الموجودة وأكثرها كثافة وتتشكل عندما تنفجر النجوم الضخمة في السوبرنوفا. عندما تصاعدت هذه النجوم النيوترونية معًا ، أصدرت موجات جاذبية يمكن اكتشافها لمدة 100 ثانية تقريبًا عندما اصطدمت ، انبعث وميض من الضوء على شكل أشعة جاما وشوهد على الأرض بعد حوالي ثانيتين من موجات الجاذبية. في الأيام والأسابيع التي أعقبت الانهيار ، تم اكتشاف أشكال أخرى من الضوء ، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي - بما في ذلك الأشعة السينية ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة تحت الحمراء ، وموجات الراديو.

"هذه الملاحظة الأولى لموجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام اثنين من النيوترونات ليست فقط اختراقًا لتعاون LIGO-Virgo العلمي الذي اكتشف ذلك ، ولكن أيضًا لزملائنا الذين يدرسون النجوم النيوترونية ومضات أشعة غاما والظواهر الفلكية الأخرى" غابرييلا غونزاليس ، أستاذة قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة LSU والمتحدثة السابقة باسم التعاون العلمي في LIGO.

منذ ما يقرب من 130 مليون سنة ، كان النجمان النيوترونيان في لحظاتهما الأخيرة من الدوران حول بعضهما البعض ، مفصولة فقط بحوالي 300 كيلومتر ، أو 200 ميل ، وتجمع السرعة مع إغلاق المسافة بينهما. عندما تصاعدت النجوم بشكل لولبي بشكل أسرع وأقرب من بعضها البعض ، قاموا بتمديد وتشويه الزمكان المحيط ، مما يعطي طاقة على شكل موجات جاذبية قوية ، قبل أن يصطدموا ببعضهم البعض.

في لحظة الاصطدام ، اندمج الجزء الأكبر من النجمين النيوترونيين في جسم واحد فائق الكثافة ، مُصدرًا "كرة نارية" من أشعة جاما. توفر القياسات الأولية لأشعة غاما ، جنبًا إلى جنب مع اكتشاف موجات الجاذبية ، تأكيدًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، والتي تتنبأ بأن موجات الجاذبية يجب أن تنتقل بسرعة الضوء.

أشعة جاما هي النظائر الكهرومغناطيسية عالية الطاقة لاكتشافات ليجو. المتعاونون في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك باحثو LSU الذين يستخدمون تلسكوبًا في محطة الفضاء الدولية ، كانوا يبحثون بشغف عن هذه الأحداث. قال مايكل شيري ، أستاذ ومتعاون بقسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة LSU ، الآن ، إن الملاحظات النظيرة لحدث اندماج النجوم النيوترونية مع العديد من التلسكوبات من الراديو إلى نظام أشعة جاما تقدم لنا معلومات قيمة حول طبيعة هذه المصادر الفيزيائية الفلكية الغريبة. في تجربة CALET في محطة الفضاء الدولية.

تنبأ العلماء النظريون بأن ما يلي كرة النار الأولية هو "كيلونوفا" - وهي ظاهرة يتم من خلالها تحطيم المادة المتبقية من اصطدام النجم النيوتروني ، والتي تتوهج بالضوء ، خارج المنطقة المجاورة وبعيدًا في الفضاء. تظهر الملاحظات الجديدة المستندة إلى الضوء أن العناصر الثقيلة ، مثل الرصاص والذهب ، يتم إنشاؤها في هذه الاصطدامات ثم يتم توزيعها لاحقًا في جميع أنحاء الكون ، مما يحل لغزًا دام عقودًا حول مكان إنتاج حوالي نصف جميع العناصر الأثقل من الحديد.

تم نشر نتائج LIGO-Virgo في مجلة Physical Review Letters. تم تقديم أوراق إضافية من تعاونات LIGO و Virgo والمجتمع الفلكي أو تم قبولها للنشر في مجلات مختلفة.

قالت فرانس إيه كوردوفا ، مديرة مؤسسة العلوم الوطنية ، التي تمول LIGO ، "إنه لمن المثير للغاية أن نشهد حدثًا نادرًا يغير فهمنا لآليات عمل الكون". "يحقق هذا الاكتشاف هدفًا طويل الأمد كان لدى العديد منا ، وهو مراقبة الأحداث الكونية النادرة في وقت واحد باستخدام كل من المراصد التقليدية ومراصد الموجات الثقالية. فقط من خلال استثمار NSF لمدة أربعة عقود في مراصد الموجات الثقالية ، إلى جانب التلسكوبات التي تراقب من الراديو إلى أطوال موجات أشعة غاما ، يمكننا توسيع فرصنا لاكتشاف الظواهر الكونية الجديدة وتجميع سرد جديد لفيزياء النجوم في مخاض موتهم ".

علامة نجمية

تم اكتشاف إشارة الجاذبية ، المسماة GW170817 ، لأول مرة في 17 أغسطس في الساعة 7:47 صباحًا بالتوقيت الصيفي المركزي ، وقد تم الاكتشاف بواسطة كاشفين متطابقين من LIGO ، يقعان في هانفورد ، واشنطن ، وليفينجستون ، لوس أنجلوس. مرصد LIGO Livingston هو تقع في ممتلكات LSU ، وأعضاء هيئة التدريس في LSU والطلاب وموظفو الأبحاث هم من المساهمين الرئيسيين في التعاون العلمي الدولي.

المعلومات التي قدمها الكاشف الثالث ، برج العذراء ، الواقع بالقرب من بيزا بإيطاليا ، مكنت من تحسين توطين الحدث الكوني. في ذلك الوقت ، كان LIGO يقترب من نهاية جولة المراقبة الثانية له منذ أن تمت ترقيته في برنامج يسمى Advanced LIGO ، بينما بدأ Virgo تشغيله الأول بعد الانتهاء مؤخرًا من الترقية المعروفة باسم Advanced Virgo.

يتكون كل مرصد من نفقين طويلين مرتبة على شكل "L" ، عند مفصلهما شعاع الليزر ينقسم إلى قسمين. يتم إرسال الضوء على طول كل نفق ، ثم ينعكس مرة أخرى في الاتجاه الذي جاء منه بواسطة مرآة معلقة. في حالة عدم وجود موجات الجاذبية ، يجب أن يعود ضوء الليزر في كل نفق إلى الموقع ، حيث تم تقسيم الحزم في نفس الوقت بالضبط. إذا مرت موجة الجاذبية عبر المرصد ، فإنها ستغير وقت وصول كل حزمة ليزر ، مما يخلق تغييرًا غير محسوس تقريبًا في إشارة خرج المرصد.

قال Joe Giaime ، "لقد عمل موظفو مرصد LIGO Livingston ، جنبًا إلى جنب مع الطلاب والعلماء المقيمين ، بما في ذلك العديد من LSU ، بجد لسنوات عديدة لتشغيل الكاشف وتحسينه ، مما يجعله قادرًا على المشاركة في هذا الاكتشاف" ، رئيس LIGO Livingston وأستاذ الفيزياء وعلم الفلك LSU. "تشير الموجات الثقالية وغيرها من الملاحظات الفلكية التي تم الإبلاغ عنها اليوم إلى مشاركة LIGO الكاملة في علم الفلك متعدد الرسائل. لقد زرع الزملاء في جميع أنحاء العالم وعملهم على مدى عقود من الحصاد العلمي اليوم ".

في 17 أغسطس ، التقط برنامج تحليل البيانات في الوقت الفعلي من LIGO إشارة قوية لموجات الجاذبية من الفضاء في أحد جهازي LIGO للكشف. في نفس الوقت تقريبًا ، اكتشف جهاز مراقبة انفجار أشعة جاما الموجود على تلسكوب فيرمي الفضائي التابع لناسا انفجارًا لأشعة جاما. قام برنامج تحليل LIGO-Virgo بتجميع الإشارتين معًا ورأى أنه من غير المرجح أن تكون مصادفة ، وأشار تحليل LIGO آلي آخر إلى وجود إشارة موجة جاذبية متزامنة في كاشف LIGO الآخر. مكّن الكشف السريع لموجات الجاذبية من قبل فريق LIGO-Virgo ، إلى جانب اكتشاف أشعة جاما من Fermi ، من إطلاق المتابعة بواسطة التلسكوبات في جميع أنحاء العالم.

أشارت بيانات LIGO إلى أن جسمين فيزيائيين فلكيين يقعان على مسافة قريبة نسبيًا تبلغ 130 مليون سنة ضوئية من الأرض كانا يتصاعدان باتجاه بعضهما البعض. تم تقدير الجسمين في نطاق يتراوح بين حوالي 1.1 و 1.6 مرة من كتلة الشمس ، في النطاق الكتلي للنجوم النيوترونية. يبلغ قطر النجم النيوتروني حوالي 20 كيلومترًا ، أو 12 ميلًا ، وهو كثيف جدًا بحيث تبلغ كتلة ملعقة صغيرة من مادة النجم النيوتروني حوالي مليار طن.

بينما تنتج الثقوب السوداء الثنائية "غردات" تدوم لجزء من الثانية في النطاق الحساس لكاشف LIGO ، فقد استمر صوت 17 أغسطس لما يقرب من 100 ثانية وشوهد من خلال النطاق الترددي الكامل لـ LIGO - تقريبًا نفس نطاق الآلات الموسيقية الشائعة. يمكن للعلماء تحديد مصدر الزقزقة على أنها أجسام أقل كتلة بكثير من الثقوب السوداء التي شوهدت حتى الآن.

حول التعاون العلمي LIGO-Virgo

يتم تمويل LIGO من قبل NSF ، ويتم تشغيله من قبل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، اللذان ابتكرتا LIGO وقادا مشاريع LIGO الأولية والمتقدمة. قاد الدعم المالي لمشروع LIGO المتقدم من قبل NSF مع ألمانيا (جمعية ماكس بلانك) ، والمملكة المتحدة (مجلس منشآت العلوم والتكنولوجيا) وأستراليا (مجلس البحوث الأسترالي) وقدموا التزامات ومساهمات كبيرة للمشروع.

يشارك أكثر من 1200 عالم وحوالي 100 مؤسسة من جميع أنحاء العالم في هذا الجهد من خلال LIGO Scientific Collaboration ، والذي يتضمن GEO Collaboration والتعاون الأسترالي OzGrav. يتم سرد الشركاء الإضافيين في http://ligo.org/partners.php

يتكون تعاون برج العذراء من أكثر من 280 من الفيزيائيين والمهندسين الذين ينتمون إلى 20 مجموعة بحث أوروبية مختلفة: ستة من المركز الوطني للبحث العلمي (CNRS) في فرنسا ، وثمانية من المعهد الوطني للأبحاث العلمية (INFN) في إيطاليا ، اثنان في هولندا مع Nikhef MTA Wigner RCP في المجر مجموعة POLGRAW في بولندا إسبانيا مع جامعة فالنسيا ومرصد الجاذبية الأوروبي ، EGO ، المختبر الذي يستضيف كاشف برج العذراء بالقرب من بيزا في إيطاليا ، بتمويل من CNRS و INFN و Nikhef.

رابط إضافي:

GW170817: مراقبة موجات الجاذبية من اندماج ثنائي بين النجوم النيوترونية ، رسائل المراجعة الفيزيائية: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101

تمتلك LSU استوديوًا للوصلة الصاعدة للفيديو مع إمكانات البث المباشر. اتصل بنا لإجراء مقابلة.


انطلقت موجة غامضة من موجات الجاذبية من منطقة قريبة من منكب الجوزاء. ولكن ربما لا يوجد اتصال

تحدث موجات الجاذبية بسبب أحداث مأساوية في الكون. النجوم النيوترونية التي تندمج أخيرًا بعد أن تدور حول بعضها البعض لفترة طويلة يمكن أن تخلقها ، وكذلك يمكن أن يتصادم ثقبان أسودان مع بعضهما البعض. لكن في بعض الأحيان يكون هناك اندفاعة من موجات الجاذبية ليس لها سبب واضح.

تم اكتشاف إحدى هذه الدفقات بواسطة LIGO / VIRGO في 14 يناير ، وجاءت من نفس المنطقة في السماء التي تستضيف النجم Betelgeuse. نعم ، منكب الجوزاء ، المعروف أيضًا باسم Alpha Orionis. النجم الذي أظهر بعض السلوك الخافت مؤخرًا ، ومن المتوقع أن يتحول إلى مستعر أعظم في وقت ما في المستقبل. هل يمكن أن يكون الاثنان متصلين؟

منكب الجوزاء هو نجم أحمر عملاق في كوكبة الجبار. لقد ترك التسلسل الرئيسي منذ حوالي مليون عام وكان عملاقًا أحمرًا عملاقًا لنحو 40 ألف عام. في النهاية ، سيكون منكب الجوزاء قد أحرق ما يكفي من الهيدروجين بحيث ينهار قلبه ، وسوف ينفجر على شكل مستعر أعظم.

كوكبة أوريون المألوفة. يمكن رؤية حزام Orion & # 8217s بوضوح ، بالإضافة إلى Betelgeuse (نجمة حمراء في الزاوية اليسرى العليا) و Rigel (نجمة زرقاء لامعة في الزاوية اليمنى السفلية) Credit: NASA Astronomy Picture of the Day Collection NASA

في الآونة الأخيرة ، خافت منكب الجوزاء. أثار ذلك جميع أنواع التكهنات بأنه قد يكون مستعدًا للذهاب إلى مستعر أعظم. سكب علماء الفيزياء الفلكية الماء بسرعة على هذه الفكرة. & # 8217s لا يوجد رقم دقيق ، ولكن يقدر أن Betelgeuse فاز & # 8217t ذهب مستعر أعظم لمدة 100000 عام أخرى. ولكن عندما يخفت نجم ما ، فمن الواضح أن شيئًا ما يحدث.

هل هذا الاندفاع الجديد من موجات الجاذبية مرتبط بتعتيم Betelgeuse & # 8217s الأخير؟ لانفجار المستعر الأعظم في المستقبل؟

بيانات LIGO من انفجار موجة الجاذبية في 14 يناير 2020. حقوق الصورة: LIGO / VIRGO

يفهم علماء الفلك أن منكب الجوزاء هو نجم متغير ، ويمكن أن يتقلب سطوعه. النجوم مثل Betelgeuse ليست مجرد كيانات ثابتة. إنه نجم متغير شبه منتظم يظهر تغيرات دورية وغير دورية في سطوعه.

يُطلق على نوع الموجات الثقالية التي اكتشفها ليجو موجات الانفجار. من المحتمل أن ينتج مستعر أعظم ، لكن Betelgeuse لم يكن & # 8217t ذهب مستعر أعظم وفاز & # 8217t لفترة طويلة.

يعتقد البعض أن اكتشاف موجات الجاذبية في اتجاه Betelgeuse & # 8217s لا علاقة له بالنجم نفسه. في الواقع ، قد لا يكون اكتشاف موجات الاندفاع حقيقيًا.

كريستوفر بيري عالم فيزياء فلكية يدرس موجات الجاذبية في جامعة نورث وسترن ومركز # 8217s للاستكشاف والبحث متعدد التخصصات في الفيزياء الفلكية. تحدث على تويتر عن موجات انفجار الجاذبية.

مرشح جديد لموجة الجاذبية؟ https: //t.co/AOqqdpeiWi#S20014 تم العثور عليه من خلال بحث انفجاري غير مُصمم ، وأنا دائمًا متشكك في هذه ، حيث يتم الخلط بينها بسهولة مع مواطن الخلل
معدل الإنذار الكاذب: 1 لكل 25 سنة
تقييم: . pic.twitter.com/JuopetwKjq

& mdash كريستوفر بيري (cplberry) 14 يناير 2020

يدرس آندي هاول من مرصد لاس كومبريس المستعر الأعظم والطاقة المظلمة. كان لديه ما يقوله على Twitter أيضًا ، ويبدو أنه يستمتع بكل شيء. حتى أنه ذهب إلى الخارج لفحص منكب الجوزاء بعد اكتشاف موجات الجاذبية المتفجرة.

للتسجيل ، أعلم أن الأمر قد يستغرق ساعات حتى تصل الصدمة إلى السطح. لم & # 39t أشر إلى ذلك في البداية لأنني لم & # 39t أريد أن يظل الناس مستيقظين طوال الليل لمشاهدة Betelgeuse. كنت أمزح في الغالب (لكنني مشيت بالخارج لأنني لم أستطع المقاومة).

& mdash آندي هاول (d_a_howell) ١٤ يناير ٢٠٢٠

ليس منكب الجوزاء ينفجر للأسباب التالية:
& # 8211 يقع خارج منطقة التعريب GW.
& # 8211 قد لا يكون الانفجار حقيقيًا.
& # 8211 ربما كان الاندفاع قصيرًا جدًا.
& # 8211 لم يتم الكشف عن نيوترينوات
& # 8211 منكب الجوزاء & # 39 s التعتيم موضح جيدًا.
أسير في الخارج للتحقق = شراء تذكرة يانصيب

& mdash آندي هاول (d_a_howell) ١٤ يناير ٢٠٢٠

لذلك هناك لديك. لا يوجد مستعر أعظم الآن ، على أي حال. قد تكون موجات الجاذبية المتفجرة مجرد خلل ، كما أن تعتيم Betelgeuse & # 8217s مفهوم جيدًا ولا يمثل تهديدًا.

في يوم من الأيام سينفجر منكب الجوزاء ، وسوف تتغير سماء الليل لدينا إلى الأبد. لكن بالنسبة لنا هنا على الأرض ، لا يمثل هذا المستعر الأعظم أي مشكلة.

انطباع الفنان عن انفجار مستعر أعظم من النوع الثاني يتضمن تدمير نجم عملاق هائل. في يوم من الأيام سينفجر منكب الجوزاء ، لكننا بعيدين جدًا عن الشعور بأي تأثير. الائتمان: ESO

النجم المتفجر هو حدث رائع. وينتج عنها كارثة من الإشعاع القاتل. يتم إخراج الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية وحتى المواد النجمية بقوة كبيرة. الإشعاع الأكثر فتكًا هو أشعة جاما ، ومن المحتمل أن يكون منكب الجوزاء قد فاز & # 8217t حتى في إنتاج أي من تلك الأشعة عندما ينفجر.

ولكن على أي حال ، نحن على بعد 700 سنة ضوئية من منكب الجوزاء ، وهذه المسافة بعيدة جدًا عن القلق.

أكبر تداعيات هي أن كوكبة الجبار ستتغير إلى الأبد. وسيكون هناك & # 8217 شيء جديد للدراسة في السماء: بقايا المستعر الأعظم.

عادةً ، يُحاط المستعر الأعظم بسحابة كثيفة من المقذوفات. هذه صورة فسيفساء لكاسيوبيا أ ، بقايا مستعر أعظم ، التقطتها تلسكوبات هابل وسبيتزر الفضائية. الائتمان: NASA / JPL-Caltech / STScI / CXC / SAO

بعد موجات الجاذبية ، ماذا بعد؟

استكشاف الفضاء لا يتوقف ، وكما أوضح الدكتور تشارلتون ، لا يزال هناك الكثير ليتم اكتشافه من خلال البحث.

على المدى الطويل ، يتمثل أحد الأهداف في اختبار الجاذبية الكمية باستخدام موجات الجاذبية. ما تم تحقيقه في LIGO هو مجرد خطوة أولى نحو ذلك. سيتم استكشاف الجاذبية الكمومية على مدى أجيال عديدة.

سوف تساعد الملاحظات المستقبلية في وضع حدود أو ربما حتى قياس كتلة الجرافيتون ، وهو جسيم افتراضي يتوسط الجاذبية الكمية. أثناء اندماج النجوم الثنائية النيوترونية ، لاحظنا موجات الجاذبية وكذلك الضوء ، انفجر أشعة جاما في نفس الوقت تقريبًا. لذلك لدينا ثقة كبيرة في أنهما جاءا من نفس الحدث. ومع ذلك ، فإن الفوتونات من الضوء وصلت قليلاً جدًا خلف موجات الجاذبية. من المتوقع حدوث بعض التأخير بسبب مرور الضوء عبر الوسط البينجمي. ولكن بمزيد من الدقة ، قد نتمكن من اكتشاف فرق حقيقي بين سرعة الضوء وسرعة موجات الجاذبية ، والذي يمكن أن يخبرنا ما إذا كان للجرافيتون كتلة ".


هل اكتشف LIGO للتو إشارة "Trifecta" التي كان يأمل فيها جميع الفلكيين؟

عندما تمر موجة الجاذبية عبر موقع في الفضاء ، فإنها تسبب تمددًا و a. [+] الضغط في أوقات متناوبة في اتجاهات بديلة ، مما يتسبب في تغيير أطوال ذراع الليزر في الاتجاهات المتعامدة بشكل متبادل. إن استغلال هذا التغيير المادي هو الطريقة التي طورنا بها كاشفات موجات الجاذبية الناجحة مثل LIGO و Virgo. من خلال الجمع بين اكتشافات موجات الجاذبية وكاشفات الجسيمات والكهرومغناطيسية ، يمكننا تحقيق الفوز بالجائزة الكبرى: ثلاثية لعلم الفلك متعدد الرسائل.

عندما يتعلق الأمر بالأحداث الكارثية في الكون - حيثما تتسبب التفاعلات الفيزيائية الفلكية الضخمة في إطلاق هائل للطاقة - يخبرنا فهمنا لقوانين الفيزياء أن هناك ثلاث طرق ممكنة لاكتشافها وقياسها. الأول هو الأكثر شيوعًا: من خلال الضوء ، أو الموجات الكهرومغناطيسية. والثاني من خلال وصول الجسيمات: مثل الأشعة الكونية أو النيوترينوات النشطة. والثالث ، الذي ظهر لأول مرة منذ أقل من أربع سنوات ، من اكتشاف موجات الجاذبية.

منذ اكتشاف الموجات الثقالية لأول مرة ، كان علماء الفلك يأملون في الحدث النهائي: إشارة يمكن تحديدها واكتشافها من خلال الطرق الثلاث. لم تتم ملاحظته من قبل ، ولكن منذ أن بدأ LIGO آخر تشغيل لجمع البيانات في أبريل ، كان الأمل غير السري لعلماء الفلك من جميع الأنواع. مع ملاحظة حدث جديد للمرشح يوم الأحد ، 28 يوليو 2019 ، ربما نكون قد فزنا للتو بالجائزة الكبرى.

اكتشف LIGO و Virgo مجموعة جديدة من الثقوب السوداء بكتل أكبر من الكتلة. [+] تمت رؤيته من قبل بدراسات الأشعة السينية وحدها (بنفسجي). تُظهر هذه المؤامرة كتل جميع عمليات اندماج الثقوب السوداء الثنائية العشر الواثقة التي اكتشفها LIGO / Virgo (باللون الأزرق) ، جنبًا إلى جنب مع اندماج نجم نيوتروني ونجم نيوتروني واحد (برتقالي). كان من المتوقع أن يكتشف LIGO / Virgo ، مع الترقية في الحساسية ، ما يزيد عن اندماج واحد كل أسبوع بدءًا من شهر أبريل.

ليجو / فيرجو / جامعة نورث وسترن / فرانك إيلافسكي

كان LIGO يعمل ويأخذ البيانات على فترتين مختلفتين من عام 2015 حتى عام 2017 ، بمدة تتراوح بين 4 و 9 أشهر ، على التوالي. تضمن الأخير تداخلًا ، خلال صيف عام 2017 ، مع تشغيل كاشف VIRGO. خلال تلك الفترة الزمنية ، شهدت كاشفات الموجات الثقالية إجمالي 11 حدثًا تم تصنيفها الآن على أنها اكتشافات قوية لموجات الجاذبية.

10 of them were from black hole-black hole mergers, where the masses of those merging black holes ranged from a low of 8 solar masses to a high of 50 solar masses, albeit with large uncertainties. When black holes merge, they aren't expected to have an electromagnetic counterpart. Only one of those events — the very first one — had any light-based signal detected that was possibly associated with it, and even that was only by one detector (NASA's Fermi) and at a modest (2.9-sigma) significance.

Artist’s illustration of two merging neutron stars. The rippling spacetime grid represents . [+] gravitational waves emitted from the collision, while the narrow beams are the jets of gamma rays that shoot out just seconds after the gravitational waves (detected as a gamma-ray burst by astronomers). The aftermath of the neutron star merger observed in 2017 points towards the creation of a black hole.

NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

But one signal was fundamentally different. Instead of a black hole-black hole merger, it had the right frequency and amplitude properties to indicate a different type of event: a neutron star-neutron star merger. Whereas black holes have event horizons around the overwhelming majority of their masses, shielding the outside Universe from any particles or electromagnetic radiation that would be created from the cataclysmic event, neutron stars do not.

As a result, a gamma-ray signal arrived nearly at the same exact time as the gravitational waves, with less than a 2-second difference in arrival time. Across a journey of more than 100 million light-years, that one measurement both confirmed that gravitational waves and electromagnetic waves travel at the same speed to within 15 significant digits, and also heralded the first multi-messenger signal that involved gravitational waves.

The galaxy NGC 4993, located 130 million light years away, had been imaged many times before. لكن . [+] just after the August 17, 2017 detection of gravitational waves, a new transient source of light was seen: the optical counterpart of a neutron star-neutron star merger.

P.K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam

Over the coming weeks, dozens of other professional observatories got in on the action. X-rays, optical signals, infrared and radio observations allowed astronomers to better study this kilonova event, and helped astronomers across fields understand how their data and information would be complementary to one another in the case of such an event.

While we can learn a tremendous amount of astrophysical information about these objects and events from each electromagnetic wavelength, the information we learn from gravitational waves is different. Even with just this one multi-messenger event, gravitational waves alone taught us:

  • the rough location of this event,
  • the masses of the neutron stars prior to the merger,
  • the final mass of the final-state object,
  • and that the post-merger object was a rapidly-rotating neutron star for a substantial fraction of a second before finally collapsing into a black hole.

The remnant of supernova 1987a, located in the Large Magellanic Cloud some 165,000 light years away. . [+] The fact that neutrinos arrived hours before the first light signal taught us more about the duration it takes light to propagate through the star's layers of a supernova than it did about the speed neutrinos travel at, which was indistinguishable from the speed of light. Neutrinos, light, and gravity appear to all travel at the same speed now.

Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

This marked the first time that gravitational waves were used as a component of multi-messenger astronomy, but it wasn't the only multi-messenger event ever observed. Back in 1987, a supernova went off in the Large Magellanic Cloud, which is cosmically in our own backyard at just 165,000 light-years distant. It marked the closest supernova to occur, in proximity to Earth, in the modern era of physics and astronomy.

While the light arrived at our telescopes and detectors, it was a remarkable boon for astronomy, as this enabled us to study a supernova up close in a way that hadn't been possible since the invention of the telescope. But supernovae are accompanied by runaway nuclear fusion reactions, and those generate tremendous numbers of neutrinos. With large, fluid-filled tanks lined with photomultiplier tubes, we were able to detect a slew of neutrinos at the same time.

A neutrino event, identifiable by the rings of Cerenkov radiation that show up along the . [+] photomultiplier tubes lining the detector walls, showcase the successful methodology of neutrino astronomy and leveraging the use of Cherenkov radiation. This image shows multiple events, and is part of the suite of experiments paving our way to a greater understanding of neutrinos. The neutrinos detected in 1987 marked the dawn of both neutrino astronomy as well as multi-messenger astronomy.

Super Kamiokande collaboration

This marked the true dawn of multi-messenger astronomy, and with it, we learned a tremendous amount of information about the phenomenon we were observing. The neutrinos all carried specific amounts of energy and arrived over a timespan of multiple seconds. This allowed us to understand the internal mechanisms of nuclear reactions occurring in a core-collapse supernova: information we never could have received from electromagnetic signals alone.

Many scientists are hopeful that were a similar supernova to go off today, our scientific instruments would enable us to detect tens of thousands of neutrinos — and, if nature is kind, gravitational waves as well — in addition to the light signals. That would realize the ultimate dream of the relatively new field of multi-messenger astronomy: to measure three fundamentally different types of signals associated with the same event.

Even though black holes should have accretion disks, the electromagnetic signal expected to be . [+] generated by a black hole-black hole merger ought to be undetectable. If there's an electromagnetic counterpart generated along with gravitational waves from binary black hole mergers, it would be a surprise. But, then again, detecting particles from merging black holes would be a surprise, too, and scientists of all types live for exactly these types of unexpected surprise.

NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)

Well, it's still extremely early, but this dream may be realized with an event that occurred on July 28, 2019. You might be surprised to learn that LIGO turned on again, after a substantial upgrade that increased its sensitivity and detection range, back in April of 2019. It's been operating for nearly four full months, taking data for practically all of it.

And even though you haven't heard anything from the collaboration in that time, they have a publicly available database of everything that they consider to be candidate events. At the time that this piece is being written, 24 have been recorded: more than twice the total number of events seen during the prior two runs combined. The latest, presently labeled S190728q, may turn out to be the first triple multi-messenger astronomy event ever.

The likelihood estimate, generated approximately an hour after the first signal was observed, of . [+] where the candidate gravitational event S190728q may have occurred on the sky. Initial reports were less restrictive and subsequent reports (with improved analysis) are more restrictive, but this is one of two dozen potential compelling gravitational wave events seen since LIGO restarted back in April.

From the gravitational waves alone, scientists were able to perform a fast analysis and restrict the location where the originating event may have occurred to just 55 square degrees (out of

40,000 on the entire sky) as the best place to look for other types of messenger signals.

Completely independently, the IceCube neutrino detector at the South Pole detected a track-like neutrino event that corresponds to almost the exact same time of origin. Because of how rare neutrinos are, every event at IceCube is of potential interest as a signal from the distant Universe. This one, in particular, has astronomers across the globe holding their breath.

We can reconstruct its location on the sky, and find that, remarkably, the neutrino overlaps in both space and time with the preliminary gravitational wave signal seen by LIGO and Virgo!

The 'tiles' on the sky that are presently being scanned by NASA's Swift satellite to look for any . [+] electromagnetic counterparts to the signals seen by both LIGO/Virgo (contours) and IceCube (neutrinos/particles). Even without an electromagnetic signal, this might mark the first multi-messenger astronomy event to involve both gravitational waves and particles.

LIGO/Virgo collaboration / IceCube data / NASA Swift / A. Tohuvavohu (Twitter)

Right now, LIGO is stating, with 95% confidence, that this was most probably a binary black hole merger occurring an estimated 2.87 billion light-years away. If there does turn out to be an electromagnetic counterpart, it would be revolutionary. All at once, we would:

  • have our first three-messenger astronomy event,
  • learn that either this object wasn't a binary black hole or that binary black holes could produce electromagnetic counterparts, and
  • have a clue as to what types of events could produce detectable gravitational waves, light signals, and neutrinos from such a large distance away.

Even if no electromagnetic signal is seen, but the IceCube and LIGO/Virgo signals do turn out to be real, robust, and aligned, it would be a tremendous achievement. This would mark the first multi-messenger event to involve both gravitational waves and particles.

An example of a high-energy neutrino event detected by IceCube: a 4.45 PeV neutrino striking the . [+] detector back in 2014. The neutrino observed on July 28, 2019 may not possess this extreme energy, but it offers a chance at an even bigger prize: a multi-messenger signal between particles and gravitational waves.

IceCube South Pole Neutrino Observatory / NSF / University of Wisconsin-Madison

Of course, all of this is just preliminary at this point. The LIGO collaboration has yet to announce a definitive detection of any type, and the IceCube event may turn out to be either a foreground, unrelated neutrino or a spurious event entirely. No electromagnetic signal has been announced, and there might not be one at all. Science moves slowly and carefully, as it should, and all of what's been written here is a best-case scenario for the optimistic hopefuls out there, not a slam-dunk by any means.

But if we keep watching the sky in these three fundamentally different ways, and keep increasing and improving the precision at which we do so, it's only a matter of time before the right natural event gives us the signal every astronomer has been waiting for. Just a generation ago, multi-messenger astronomy was nothing but a dream. Today, it's not just the future of astronomy, but the present as well. There's no moment in science quite as exciting as being on the cusp of an unprecedented breakthrough.


Reanalyzing LIGO-Virgo gravitational wave events under the new lens of… lensing!

The gravitational attraction of clumps of matter like galaxies and clusters has the power to act as a lens, bending and curving light coming from a luminous source behind it. This phenomenon, known as ‘ Gravitational Lensing ’, can completely distort images of the light source, either by magnifying and extending it into rings (known as Einstein rings ), or by generating multiple copies of it distributed around the lens like a cross (Figure 1, bottom). Studies of gravitational lensing have helped inform us about a wide array of astrophysical phenomena, including dark matter , the Hubble constant , galaxy evolution , to name a few.

Figure 1: (Top) A cartoon depicting the bending of gravitational waves as they pass through a region of dense matter acting as a gravitational lens, before hitting a ground-based detector. (Bottom) Optical images depicting various forms of gravitational lensing, including the Einstein ring, Einstein cross, and extended structures. (Image credit: www.ligo.org)

When Gravity Lenses Gravity

Since 2015, LIGO and Virgo have opened a new window to study the universe through gravitational waves , ripples in spacetime caused by pairs of compact objects such as black holes and neutron stars spiraling into one another. These observatories record a characteristic chirping strain signal, lasting from a few seconds to a few hundred seconds that rises in frequency as the two objects get closer and finally merge. This peculiar waveform pattern holds the key to unlocking several parameters of the binary, such as the masses and spins of the objects. In addition, its amplitude and relative phase in two detectors can tell us the sky location of the merger, as well as its distance away from us. Mergers closer to the Earth appear louder in the gravitational wave detectors. To date, LIGO-Virgo have announced the detection of over 50 binary black holes and 2 binary neutron star mergers in its latest catalog of events, dubbed the ‘ O3a’ catalog .

Gravitational Waves behave in the same way as Electromagnetic waves in many ways. The 2017 detection of gravitational waves accompanied by an electromagnetic counterpart of GW170817, a binary neutron star merger verified that gravitational waves also travel at the speed of light . As such, gravitational waves themselves can undergo lensing due to the large, massive structures, such as galaxies and clusters of galaxies that make up a gravitational lens! The curvature of the fabric of spacetime due to a gravitational lens can bend the ripples in spacetime passing through (Figure 1, top).

What effects does a lensed Gravitational wave event show?

Unlike optical light which appears distorted in a lensed image, gravitational waves are recorded as a time-series and show different effects under lensing. An incoming gravitational wave chirp that gets lensed can get affected in the following ways: (i) The signal can get amplified, which leads us to believe that it is coming from a merger that is closer to us and has heavier masses, or (ii) We may detect multiple copies of the same event signal. The former may provide an explanation for some exceptionally heavy binaries observed, such as GW190521 . In case of the latter, the duplicate signal can arrive anywhere from a few minutes, to several days or even years apart, depending on the nature of the lens. Gravitational microlensing can even make copies of a signal appear slightly shifted but overlapping with the original signal.

An important advantage of gravitational wave lensing is that it lets us probe deeper into the universe: events that would normally be too faint to detect being at large distances can get amplified and show up in LIGO-Virgo data due to lensing. Figure 2 shows how the presence of lensed events can contribute to our understanding of the rate of compact binary mergers at different redshifts .

Figure 2: The merger rate (number of events per year in a volume of 1 cubic Gigaparsec) of compact binary sources as a function of redshift. The vast expanse of the blue region indicates our lack of knowledge of the merger rate at large redshifts in the absence of amplified, lensed events. With lensing, we can better constrain the merger rate just by observing more events from larger redshifts (red region). The different lines indicate different types of lenses (G: Galaxy, C: Galaxy cluster, S: single, amplified lensing, D: duplicated signal due to lensing) – Figure 1 from the paper.

Does the new catalog contain lensed events?

With a population of gravitational wave events being recorded over the past few years, LIGO-Virgo researchers have done a thorough analysis of all available data to check whether any detected signals show signs of being amplified due to lensing, or are duplicates of a previously detected event. In order to find duplicates, they ranked all possible pairs of events in terms of their similarity and the likelihood of the time delay between them being due to lensing (Figure 3).

Figure 3: Pairs of events that can possibly be lensed duplicates of each other, scattered according to the similarity between their waveforms (y-axis) and the likelihood that the time delay between them is due to lensing (x-axis). A real, lensed event pair will lie far on the top-right corner, beyond the boundaries of this plot. Figure 3 from the paper.

Even the most likely-lensed pairs from the O3a catalog are not statistically significant candidates for being actual lensed duplicates of each other. Tests for other forms of lensing, including signal amplification and microlensing also do not yield adequate evidence of lensing from the O3a catalog events. As illustrated in Figure 2, even the non-detection of lensing helps us fill in important gaps in our knowledge regarding the distribution of compact objects in our universe. Hovering the magnifying glass over even more gravitational wave detections in the future may one day fill in these gaps through a direct observation of gravitational wave lensing.


Gravitational Waves Detected

For the first time, scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves, arriving at Earth from a cataclysmic event in the distant universe. This confirms a major prediction of Albert Einstein's 1915 general theory of relativity and opens an unprecedented new window to the cosmos.

Gravitational waves carry information about their dramatic origins and about the nature of gravity that cannot be obtained from elsewhere. Physicists have concluded that the detected gravitational waves were produced during the final fraction of a second of the merger of two black holes to produce a single, more massive spinning black hole. This collision of two black holes had been predicted but never observed.

The gravitational waves were detected on Sept. 14, 2015 at 5:51 a.m. EDT (09:51 UTC) by both of the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington. The LIGO observatories are funded by the National Science Foundation (NSF), and were conceived, built and are operated by the California Institute of Technology (Caltech) and the Massachusetts Institute of Technology (MIT). The discovery, accepted for publication in the journal رسائل المراجعة البدنية, was made by the LIGO Scientific Collaboration (which includes the GEO Collaboration and the Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) and the Virgo Collaboration using data from the two LIGO detectors.

Based on the observed signals, LIGO scientists estimate that the black holes for this event were about 29 and 36 times the mass of the sun, and the event took place 1.3 billion years ago. About three times the mass of the sun was converted into gravitational waves in a fraction of a second -- with a peak power output about 50 times that of the whole visible universe. By looking at the time of arrival of the signals -- the detector in Livingston recorded the event 7 milliseconds before the detector in Hanford -- scientists can say that the source was located in the Southern Hemisphere.

According to general relativity, a pair of black holes orbiting around each other lose energy through the emission of gravitational waves, causing them to gradually approach each other over billions of years, and then much more quickly in the final minutes. During the final fraction of a second, the two black holes collide at nearly half the speed of light and form a single more massive black hole, converting a portion of the combined black holes' mass to energy, according to Einstein's formula E=mc 2 . This energy is emitted as a final strong burst of gravitational waves. These are the gravitational waves that LIGO observed.

The existence of gravitational waves was first demonstrated in the 1970s and 1980s by Joseph Taylor, Jr., and colleagues. In 1974, Taylor and Russell Hulse discovered a binary system composed of a pulsar in orbit around a neutron star. Taylor and Joel M. Weisberg in 1982 found that the orbit of the pulsar was slowly shrinking over time because of the release of energy in the form of gravitational waves. For discovering the pulsar and showing that it would make possible this particular gravitational wave measurement, Hulse and Taylor were awarded the 1993 Nobel Prize in Physics.

The new LIGO discovery is the first observation of gravitational waves themselves, made by measuring the tiny disturbances the waves make to space and time as they pass through the earth.

"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, fulfills Einstein's legacy on the 100th anniversary of his general theory of relativity," says Caltech's David H. Reitze, executive director of the LIGO Laboratory.

The discovery was made possible by the enhanced capabilities of Advanced LIGO, a major upgrade that increases the sensitivity of the instruments compared to the first generation LIGO detectors, enabling a large increase in the volume of the universe probed -- and the discovery of gravitational waves during its first observation run. NSF is the lead financial supporter of Advanced LIGO. Funding organizations in Germany (Max Planck Society), the U.K. (Science and Technology Facilities Council, STFC) and Australia (Australian Research Council) also have made significant commitments to the project.

Several of the key technologies that made Advanced LIGO so much more sensitive were developed and tested by the German UK GEO collaboration. Significant computer resources were contributed by the AEI Hannover Atlas Cluster, the LIGO Laboratory, Syracuse University and the University of Wisconsin-Milwaukee. Several universities designed, built and tested key components for Advanced LIGO: The Australian National University, the University of Adelaide, the University of Florida, Stanford University, Columbia University of the City of New York and Louisiana State University.

"In 1992, when LIGO's initial funding was approved, it represented the biggest investment NSF had ever made," says France Córdova, NSF director. "It was a big risk. But NSF is the agency that takes these kinds of risks. We support fundamental science and engineering at a point in the road to discovery where that path is anything but clear. We fund trailblazers. It's why the U.S. continues to be a global leader in advancing knowledge."

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of more than 1,000 scientists from universities around the United States and in 14 other countries. More than 90 universities and research institutes in the LSC develop detector technology and analyze data approximately 250 students are strong contributing members of the collaboration. The LSC detector network includes the LIGO interferometers and theGEO600 detector. The GEO team includes scientists at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, along with partners at the University of Glasgow, Cardiff University, the University of Birmingham, other universities in the United Kingdom and the University of the Balearic Islands in Spain.

"This detection is the beginning of a new era: The field of gravitational wave astronomy is now a reality," says Gabriela González, LSC spokesperson and professor of physics and astronomy at Louisiana State University.

LIGO was originally proposed as a means of detecting gravitational waves in the 1980s by Rainer Weiss, professor of physics, emeritus, from MIT Kip Thorne, Caltech's Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics, emeritus and Ronald Drever, professor of physics, emeritus, also from Caltech.

"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. It would have been wonderful to watch Einstein's face had we been able to tell him," says Weiss.

"With this discovery, we humans are embarking on a marvelous new quest: the quest to explore the warped side of the universe -- objects and phenomena that are made from warped spacetime. Colliding black holes and gravitational waves are our first beautiful examples," says Thorne.

Virgo research is carried out by the Virgo Collaboration, consisting of more than 250 physicists and engineers belonging to 19 different European research groups: six from Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France eight from the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy two in the Netherlands with Nikhef the Wigner RCP in Hungary the POLGRAW group in Poland and the European Gravitational Observatory (EGO), the laboratory hosting the Virgo detector near Pisa in Italy.

Fulvio Ricci, Virgo spokesperson, notes that: "This is a significant milestone for physics, but more importantly merely the start of many new and exciting astrophysical discoveries to come with LIGO and Virgo."

Bruce Allen, managing director of the Max Planck Institute for Gravitational Physics adds: "Einstein thought gravitational waves were too weak to detect, and didn't believe in black holes. But I don't think he'd have minded being wrong!"

"The Advanced LIGO detectors are a tour de force of science and technology, made possible by a truly exceptional international team of technicians, engineers, and scientists," says David Shoemaker of MIT, the project leader for Advanced LIGO. "We are very proud that we finished this NSF-funded project on time and on budget."

At each observatory, the 2 1/2-mile (4-km) long, L-shaped LIGO interferometer uses laser light split into two beams that travel back and forth down the arms (four-foot diameter tubes kept under a near-perfect vacuum). The beams are used to monitor the distance between mirrors precisely positioned at the ends of the arms. According to Einstein's theory, the distance between the mirrors will change by an infinitesimal amount when a gravitational wave passes by the detector. A change in the lengths of the arms smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton (10 -19 meters) can be detected.

"To make this fantastic milestone possible took a global collaboration of scientists -- laser and suspension technology developed for our GEO600 detector was used to help make Advanced LIGO the most sophisticated gravitational wave detector ever created," says Sheila Rowan, professor of physics and astronomy at the University of Glasgow.

Independent and widely separated observatories are necessary to determine the direction of the event causing the gravitational waves, and also to verify that the signals come from space and are not from some other local phenomenon.

Toward this end, the LIGO Laboratory is working closely with scientists in India at the Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, the Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, and the Institute for Plasma to establish a third Advanced LIGO detector on the Indian subcontinent. Awaiting approval by the government of India, it could be operational early in the next decade. The additional detector will greatly improve the ability of the global detector network to localize gravitational-wave sources.

"Hopefully this first observation will accelerate the construction of a global network of detectors to enable accurate source location in the era of multi-messenger astronomy," says David McClelland, professor of physics and director of the Centre for Gravitational Physics at the Australian National University.


شاهد الفيديو: موجات الجاذبية. آخر نبؤات آينشتاين العظيمة! 8. يوسف البناي (شهر اكتوبر 2021).