Detekce gravitačních vln od nejtěžší černé díry  
Nová analýza dat získaných při prvním a druhém běhu činnosti gravitačních detektorů LIGO objevila nová splynutí dvou černých děr. Mezi nimi byl i zatím nejhmotnější systém, který umožnil identifikovat zatím nejtěžší známou černou díru hvězdného typu.

V několika článcích jsem psal o prvních detekcích gravitačních vln ze splynutí černých děr publikovaných v roce 2016 (zde a zde). V roce 2017 se podařilo identifikovat i příchod gravitačních vln ze splynutí dvou neutronových hvězd (zde a zde). V té době se podařilo v naměřených datech identifikovat první případy. Postupně pak přibyly další. Na přelomu listopadu a prosince 2018 vyšel katalog zaznamenaných případů detekce gravitačních vln (zde a zde). Kromě šesti již známých případů se tam objevily čtyři další, které se podařilo zjistit pomocí nové analýzy prvních dvou běhů experimentu LIGO. Společně byly analyzovány i data detektoru Virgo. Postupně se daří zlepšovat průběh zpracování a rozboru pozorovaných dat i citlivost v identifikaci signálů ze splynutí kompaktních objektů.

Umístění všech doposud identifikovaných příchodů gravitačních vln ze splynutí kompaktních konečných stádií hvězd. Nejistoty zaznamenané ve formě barevných plošek jsou dány hlavně směrem příchodu gravitačních vln vůči orientaci ramen detektorů. Přípona HLV znamená společná detekce LIGA i Virga, v těchto případech je nejistota v určení polohy nejmenší. (Zdroj LIGO-Virgo).
Umístění všech doposud identifikovaných příchodů gravitačních vln ze splynutí kompaktních konečných stádií hvězd. Nejistoty zaznamenané ve formě barevných plošek jsou dány hlavně směrem příchodu gravitačních vln vůči orientaci ramen detektorů. Přípona HLV znamená společná detekce LIGA i Virga, v těchto případech je nejistota v určení polohy nejmenší. (Zdroj LIGO-Virgo).

První běh experimentu se uskutečnil mezi 12. září 2015 a 19. lednem 2016. Ze získaných dat se podařilo vylovit tři splynutí černých děr, konkrétně GW150914 dne 14. září 2015, GW151012 dne 12. října 2015 a GW151226 dne 26. prosince 2015, o kterých se píše už ve zmíněných článcích z předchozích let. Připomeňme, že číslo vytvořené pro označení konkrétního případu detekce gravitačních vln je postupně rok, měsíc a den zaznamenání. Druhý běh experimentu probíhal v období mezi 30. listopadem 2016 a 25. srpnem 2017. Zde se ke třem již známým případům (GW170104, GW170608 a GW170814) přidaly další čtyři (GW170729, GW170809, GW170818 a GW170823). Katalog všech dosud zaznamenaných případů je na stránkách Gravitational Wave Open Science Center.

 

Celkově tak během dvou běhů experimentování probíhalo měření třináct měsíců a pozorovalo se deset spolehlivě identifikovaných případů, které lze detailně analyzovat a získat informace o daném binárním systému a průběhu splynutí. Hmotnost jednotlivých pozorovaných binárních černých děr byla od 18,6 do 86 hmotností Slunce. Vzdálenosti, ve kterých se nacházely, byly zhruba od 1 do 9 miliard světelných let. Kromě deseti jasných případů bylo nalezeno i několik dalších kandidátů, kde není jisté, zda šlo o přístrojové pozadí nebo reálnou detekci. Lze je však využít k odhadu počtu reálných a pozaďových případů.

Mezi novými objevenými případy je i systém s největší hmotností, který dal po splynutí vzniknout černé díře o hmotnosti okolo 80 hmotnosti Slunce. Jednalo se o událost GW170729. Hmotnosti jednotlivých složek byly 50,6 a 34,3 hmotnosti Slunce. Jde také o nejvzdálenější událost, ze které k nám letěl signál v podobě gravitačních vln okolo 9 miliard let. Zároveň černé díry v systému dosáhly před splynutím nejvyšší oběžné rychlosti.

Hmotnosti jedné (osa X) a druhé (osa Y) složky binárního objektu, systém z nejmenšími hmotnostmi jsou neutronové hvězdy (zdroj GWOSC).
Hmotnosti jedné (osa X) a druhé (osa Y) složky binárního objektu, systém z nejmenšími hmotnostmi jsou neutronové hvězdy (zdroj GWOSC).

 

Je tam také druhý případ, kdy se podařilo současné pozorování pomocí dvou detektorů LIGO a jednoho Virgo. Jde o detekci GW170818, která doplnila již známý případ GW170814. Pomocí všech tří detektorů gravitačních vln se ještě podařilo sledovat událost GW170817, což bylo známé splynutí dvou neutronových hvězd zaznamenané i v širokém rozsahu elektromagnetického spektra od krátkého záblesku gama, přes rentgenovskou, ultrafialovou, viditelnou i radiovou oblast (více zde). U něho se stále ještě nepodařilo s naprostou jistotou rozhodnout, zda při tomto splynutí neutronových hvězd vznikla supermasivní neutronová hvězda nebo černá díra. Tato otázka zůstává otevřená. Alespoň jeden případ splynutí dvou neutronových hvězd tak byl pozorován. Zatím však nebyla zaznamenána ani jedna událost splynutí neutronové hvězdy s černou dírou.

Katalog událostí splynutí kompaktních koncových stádií masivních hvězd se tak pomalu začíná rozšiřovat a detailní studium opírající se o stoupající statistiku určitě přinese řadu významných objevů. Pokud se podíváme na hmotnosti černých děr pozorovaných pomocí gravitačních vln, vidíme, že jsou většinou mnohem hmotnější než ty, které pozorujeme pomocí rentgenovského záření v těsných dvojhvězdách (viz obrázek s přehledem hmotností známých černých děr). Jde o důsledek výběrového efektu.

Přehled a srovnání hmotností černých děr pozorovaných pomocí gravitačních vln a v elektromagnetické oblasti spektra (v těsných binárních soustavách) a neutronových hvězd pozorovaných pomocí gravitačních vln (zatím jeden) a pomocí elektromagnetického záření (většinou ve formě pulsarů). (Zdroj LIGO-Virgo).
Přehled a srovnání hmotností černých děr pozorovaných pomocí gravitačních vln a v elektromagnetické oblasti spektra (v těsných binárních soustavách) a neutronových hvězd pozorovaných pomocí gravitačních vln (zatím jeden) a pomocí elektromagnetického záření (většinou ve formě pulsarů). (Zdroj LIGO-Virgo).

 

Černé díry můžeme identifikovat v těsných dvojhvězdách, kde dochází k přetokům hmoty z normální složky na černou díru. Při tom se vytváří akreční disk a hmota urychlená na vysoké rychlosti a dopadající na horizont černé díry produkuje rentgenovské záření. Takové zdroje však identifikujeme jen do určité omezené vzdálenosti. Zároveň je daleko větší počet i prostorová hustota černých děr s menší hmotností., Čím je tak jejich hmotnost větší, tím je menší pravděpodobnost, že budou blízko nás. To je důvod, že před úspěšnou detekcí gravitačních vln jsme dominantně nacházeli černé díry s nižší hmotností.

Splynutí černých děr pozorujeme i na extrémně velké vzdálenosti a intenzita vyzářených gravitačních vln je velmi silně závislá na hmotnosti černých děr, které splynou do jedné.

 

Dokončení instalace poslední části kryogenní sestavy detektoru gravitačních vln KAGRA (zdroj KAGRA).
Dokončení instalace poslední části kryogenní sestavy detektoru gravitačních vln KAGRA (zdroj KAGRA).

Zároveň byla v minulosti vyšší pravděpodobnost vzniku velmi hmotných hvězd. Bylo to dáno i tím, že vesmír byl složen téměř čistě jen z vodíku a helia. Těžší prvky teprve musely vzniknout pomocí první generace hvězd. Proto nemohl probíhat ve hvězdách CNO cyklus a evoluce hvězd byla odlišná. I galaxie byly mnohem aktivnější a hustota velmi hmotných hvězd v nich byla vyšší než v těch současných. A právě pomocí detektorů gravitačních vln můžeme kromě černých děr s podobnou hmotností, jako jsme znali doposud (příkladem může být případ GW170608), pozorovat konečná stádia i velmi hmotných hvězd.

 

Po dvou pozorovacích bězích probíhalo vylepšování experimentální sestavy LIGO a nyní se připravuje ke třetímu experimentálnímu běhu, který by měl začít na počátku příštího roku. Tentokrát by měly detektory LIGO a Virgo společně běžet celý rok. Zařízení by měla mít vyšší citlivost a dá se tak čekat, že by ročně detekovaly i několik desítek splynutí černých děr. Situace se ještě zlepší, pokud se podaří spustit v roce 2019 i kryogenní detektor gravitačních vln KAGRA v Japonsku. Začátkem dvacátých let by se měl přidat i indický detektor LIGO.


Postupně by se měl na rostoucí statistice zjistit reálný výskyt černých děr i neutronových hvězd různých hmotností v různých vzdálenostech. To by mohlo přispět k poznání změn evoluce hvězd v průběhu vývoje našeho vesmíru. Detailní průzkum průběhu signálu gravitačních vln a změn jejich frekvence je skvělým nástrojem pro testování platnosti Obecné teorie relativity ve velmi intenzivních gravitačních polích a je velká naděje, že v nich bude možné objevit i signály nové fyziky – kvantové teorie gravitace (více zde a zde). V následujících letech se tak máme opravdu na co těšit.

 

Video s přehledem dosud pozorovaných případů splynutí černých děr

Datum: 09.12.2018
Tisk článku

Vesmírné blues - Levinová Janna
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 251 Kč
Vesmírné blues
Levinová Janna
Související články:

Další kolize černých děr zaznamenaná pomocí gravitačních vln     Autor: Vladimír Wagner (28.09.2017)
První detekce gravitačních vln ze splynutí neutronových hvězd     Autor: Vladimír Wagner (16.10.2017)
Rychlost šíření gravitačních vln     Autor: Vladimír Wagner (11.11.2017)



Diskuze:

Hmm

Richard Malaschitz,2018-12-11 22:13:56

Vôbec nechápem ako tie vlny vznikajú podľa Einsteina. Aj podľa Newtona je rozdiel v gravitácii ak sú dve hviezdy v zákryte alebo vedľa seba. Ten rozdiel je ale vzhľadom na vzdialenosti úplne nepatrný a nemal by byť vôbec detekovateľný.

Odpovědět


Re: Hmm

Richard Pálkováč,2018-12-12 08:24:02

Nesnazime sa detekovat gravitaciu-silu, akou na nas tie dva objekty posobia, ale vlnenie prostredia, ktorym sa gravitacia siri a aj s tym mame velke problemy, ked sa snazime odlisit to "vlnenie" od sumu pristroja. U nas sa to uz vlni velmi slabo, lebo sme daleko. V tomto pripade si staci pozriet vlny na vode a toto by bolo v 2D to iste. Toto je ale vlnenie v 3D(mozno 4D vratane casu) a tam sme uz s predstavami v koncoch. Kedze ale objekty splyvaju rotáciou v rovine, tak aj ta predstava vlnenia vody nie je uplne zla.

Odpovědět


Re: Re: Hmm

Milan Krnic,2018-12-12 22:20:18

Jak už jsem zmiňoval, žádné objekty, ale hmotné body, a v rovině jen podle modelu, jak je to reálně, pokud to vůbec nějak je, nemáme ani ponětí. Přirovnání k vlnám na vodě je fajn, jenže ty vlny jsou na otevřené ploše, zatímco Vesmír je poněkud plný, a pokud se v něm šíří vlnění, tak krom objektů nějakým všudepřítomným éterem. Představa, že by se k nám něco šířilo miliardy roků volným prostorem, mi přijde, řekněme, zajímavá.

Odpovědět


Re: Re: Re: Hmm

Richard Pálkováč,2018-12-15 07:44:27

Ono aj v tej vode, keď máte veľké vlny, tak nejaké volne plávajúce objekty v nich (teda také, čo nie sú ukotvené ku dnu a môže to byť kľudne aj obrovská loď) neurobia skoro nič. Tie vlny sa šíria ďalej, pretože pohnú tým objektom, nadvihnú ho a potom spustia späť do pôvodnej výšky a vlna pokračuje ďalej. Problém s vodou je ten, že tam je väčšie trenie(a všeobecne odpor prostredia plus gravitácia ) a napríklad 30 metrová vlna, keď vznikne zhodou náhod, tak trvá len chvíľku a potom zanikne. (Ak jej ale stojí v ceste tá obrovská loď, tak je po lodi, buď ju prevráti, ale zaplaví vodou)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Hmm

Richard Pálkováč,2018-12-15 07:50:37

Aby som to upresnil, tak tá 30 metrová vlna tú loď zničí a nie len nadvihne vtedy, keď sa už voda prevalí cez jej vrchol vlny a práve vtedy je tam tá loď v nesprávny čas na nesprávnom mieste.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Hmm

Milan Krnic,2018-12-15 09:18:45

Už se vám ale nestane, že by procházely bez ovlivnění sebe sama.

Odpovědět


Re: Hmm

Josef Hrncirik,2018-12-12 22:34:07

Naivně se domnívám, že pro klasiky v zásadě detekujeme ?+-3db formálně Newtonovský efekt přímého gravitačního působení na tyto neuvěřitelné vzdálenosti.
Je to umožněno tím že porovnáváme doby letů (pádů) fotonů ovlivněné změnou této gravitace nejen při měnících se zákrytech gravitačního dipólu na mnohonásobně opakované dráze v interferometru (ta je zanedbatelná), ale hlavně vyzařováním gravitační energie dochází k podstatnému zmenšování gravitační masy dvojčete v krátkém čase.
Mám pocit, že v interferometru nějak zázračně jsou schopni měřit rozdíly fáze IČ laseru cca prapodivných ?mnohem méně než ?10**-6 vlny.
Vrtá mi hlavou jak to měří, ev. o jaký zlomek vlny jde.

Odpovědět


Re: Re: vojín Kotas má dotaz

Josef Hrncirik,2018-12-13 21:57:52

Ve videích se ukazuje cca harmonický signál s rychle rostoucí frekvencí a dosti rostoucí amplitudou těsně před koncem srážky.
V této fázi však klesá velikost gravitačního dipólu nejen kvůli vzdálenosti, ale i kvůli ev. klesajícím hmotám.
Množství vyzářené energie by asi mělo ?silně záviset na blízkosti hmot náchylných k perturbaci z rotace dipólu, spíše než na vlnění ?prostoročasu.

Kotas se tedy ptá, zda signály ve videích jsou zachycené rozdíly formálních gravitačních účinků rotujících dvojčat na LIGO, nebo je to spíše jejich první derivace či jen čiré vrtění prostoročasem, derivace prosté.

Odpovědět


Re: Re: Re: vojín Kotas má dotaz

Richard Pálkováč,2018-12-15 07:31:31

Nejako zvlášť sa o toto nezaujímam, lebo gravitačné vlny považujem za úplnú samozrejmosť a záhadné by to bolo až vtedy, ak by neboli, ale myslím, že na Vaše konkrétne otázky dostanete skôr odpoveď na https://www.ligo.caltech.edu/ ako tu.

Odpovědět


Re: Re: Re: vojín Kotas má dotaz

Milan Krnic,2018-12-16 16:45:14

Veritasium -The Absurdity of Detecting Gravitational Waves v čase 3:39:
https://youtu.be/iphcyNWFD10?t=218
Jinak doporučuji:
KISSCaltech - Introduction to Data Analysis of Gravitational-Wave Signals
https://www.youtube.com/watch?v=rG-hbkD0E8g
Matched filtering :)
Pro závity lepší, než Richardova víra ...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: vojín Kotas má dotaz

Josef Hrncirik,2018-12-18 07:36:11

Velmi inspirativní až závitotvorný je též velmi často uváděný záporný inspiral spin.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: vojín Kotas má dotaz

Milan Krnic,2018-12-18 10:39:32

Maj to kluci popletený, bod přeci nerotuje.

Odpovědět

Prostupnost horizontu událostí

Čestmír Hradečný,2018-12-10 21:13:18

Díky za velmi dobrý a přehledný souhrnný článek. Zaujalo mě, že nejvyšší frekvenci gravitačních vln byla detekována při splynutí nejhmotnějších černých děr, které mají největší poloměr horizontu událostí. Já jako laik si vysvětluji tento fakt tím, že horizont událostí netvoří v případě procesu splynutí černých děr neprostupnou bariéru pro generované gravitační vlny. Navíc by to mohlo svědčit, že čím hmotnější těleso se nachází uvnitř horizontu událostí, tím menší má průměr. Jaký je na to názor odborníků specialistů?

Odpovědět


Re: Prostupnost horizontu událostí

Milan Krnic,2018-12-11 21:19:30

Odborníky speciality na neuchopitelné naleznete těžko. Fyzikálně tam nejsou tělesa, ale hmotné body, a umělec to maluje nějak takhle, tedy žádná bariéra:
http://www.ekontech.cz/sites/default/files/clanky/twin-black-holes-gravitational-wave.png

Odpovědět

Ohromné štěstí

Milan Krnic,2018-12-10 21:13:17

Že máme ve Vesmíru éter bez hmotných objektů, kterým se může po miliardy let a nesčetné množství metrů vlnit vlna od takové srážky.
Pokud hledám něco prostředky teorie, lze to považovat za ověřování teorie?
A jak je možné testovat něco (OTR), čehož rovnice neumíme řešit?
Díky za článek!

Odpovědět


Re: Ohromné štěstí

Jan Novák9,2018-12-10 23:28:04

Podle rovnic OTR se vypočítávají opravy GPS, jinak by mělo přesnost na kilometry.

Odpovědět


Re: Re: Ohromné štěstí

Milan Krnic,2018-12-11 10:12:32

To samozřejmě, avšak na velmi krátké časové škále (vs. miliarda let) a přibližně.

Odpovědět


Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Jan Novák9,2018-12-11 22:20:06

Zkuste napřed vypočítat přesně něco jednoduššího, například pí.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Milan Krnic,2018-12-12 10:56:06

Vypočítat? Na časové škále jedné korekce GPS jedině to, co utkvělo v paměti od pí čitelky, a časová škála miliard let je bohužel pro člověka za horizontem.

Odpovědět


Re: Re: Ohromné štěstí

Richard Pálkováč,2018-12-11 19:58:19

Nemyslím, že by sa opravy GPS vypočítavali podľa OTR. Na nových GPS satelitoch sa už síce na Zemi nastaví frekvencia ich "hodín" tak, aby tieto vo svojej výške obehu "tikali" rovnako (podľa výpočtov z OTR) ako hodiny na Zemi, ale opravy, sa robia a zapisujú, do tabuľky každého satelitu, podľa presného radarového merania z pozemskej stanice neustále. Viac tu : http://riki1.eu/Preco_GPS_funguje.htm

Odpovědět


Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Milan Krnic,2018-12-11 20:25:13

Např. http://www.osel.cz/3225-presnost-atomovych-hodin-gps-a-teorie-relativity.html

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Richard Pálkováč,2018-12-11 20:45:07

Presne takéto články som mal na mysli aj vo svojom uvedenom článku, ktoré vysvetľujú princíp GPS len "filozoficky" a autor sám, sa nad týmto princípom poriadne nezamyslel (hovorím o princípe GPS a nie o princípe atómových hodín). Môj článok nevyvracia teóriu relativity, len upozorňuje na to, že sa treba snažiť veci najprv pochopiť a až potom niečomu slepo veriť.

Odpovědět


Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Milan Krnic,2018-12-11 20:38:31

Nebo zde: https://technet.idnes.cz/gps-relativisticka-korekce-einstein-stratocaching-fxi-/tec_vesmir.aspx?c=A140915_130940_tec_vesmir_pka
Tedy se opravy s využitím OTR započítávají, jen je tomu tak, jak jsem psal výše.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Richard Pálkováč,2018-12-11 20:54:48

Relativistickú korekciu pre GPS sme si spočítali na fóre Aldebaran (keď ešte fungovalo) už veeeeeľmi dávno. Preto ju vo svojom článku aj uvádzam. Neuvádzal by som tú hodnotu, ak by som si ju nebol spočítal sám, ja nikomu v takýchto veciach neverím :)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Ohromné štěstí

Milan Krnic,2018-12-16 17:08:18

Nepředpokládám, že by ty korekce započítávali jen tak z rozmaru. Tohle je naštěstí od GW uchopitelná věc a tedy je vám vlastní počítání houby platné, když to pravděpodobně nemáte jak prakticky ověřit.

Odpovědět

Jan Balaban,2018-12-10 15:31:54

Existujú reliktné gravitačné vlny?

Odpovědět


Re:

Jan Balaban,2018-12-10 15:43:29

https://www.aldebaran.cz/bulletin/2014_13_rgw.php niečo som našiel

Odpovědět


Re:

Milan Krnic,2018-12-10 20:57:24

Jediná racionální odpověď je: nevíme
Jakožto pro většinu kosmologie.

Odpovědět

eLISA

Mintaka Earthian,2018-12-10 08:48:44

Dobrý den

Děkuji za článek.
Zmíněno je několik projektů detekce gravitačních vln.
Není zmíněn projekt eLISA. Znamená to, že tento projekt je zastaven?

Odpovědět


Re: eLISA

Vladimír Wagner,2018-12-10 09:18:26

V článku jsou zmíněny projekty, které mají možnost začít měřit v následujících několika letech. Projekt eLISA ovšem v takovém stádiu není, tam je třeba ještě poměrně dost dlouhý technologický vývoj a řadu let, než se začne pomocí tohoto zařízení měřit. Takže to, že jsem eLISA nezmínil, neznamená, že by se na jeho realizaci intenzivně nepracovalo.

Odpovědět


Re: Re: eLISA

Mintaka Earthian,2018-12-10 17:56:27

Děkuji za vysvětlení.

Na stránce https://www.elisascience.org/ mají několik časových informací, ale převážně se týkají konferencí.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace