Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Moderator: Astro

Reageer
Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

@TW: Is dat alles wat we/men aan deze ontdekking zullen/zal hebben?
Wat ik het meest belangwekkend vind, is dat we er een nieuw type waarneming, een nieuw 'zintuig' bij hebben.

Hoe groot de impact zal zijn is zeer lastig te voorspellen. Ten tijde van de ontdekking van de telescoop door Hans Lippershey kon men ook onmogelijk bevroeden wat de enorme implicaties van het instrument zouden kunnen zijn, om maar een voorbeeld te noemen.

Het valt voor te stellen dat door extreem nauwkeurige waarnemingen aan fuserende neutronensterren of zwarte gaten er meer zicht komt op eventuele rafelranden van de relativiteitstheorie en of kwantummechanica. In deze extreme omgevingen komen beide principes dicht bijeen, terwijl we weten dat ze juist waar het gaat om grote massa's in kleine ruimten op ramkoers liggen.

Mogelijk zullen gecombineerde waarnemingen van zwaartekrachtgolven en elektromagnetische straling, naar analogie van niet alleen kijken maar ook luisteren, ons meer en diepere inzichten geven in de fenomenen van het heelal (zoals het genoemde 'achter' de kosmische achtergrondstraling 'luisteren'.)

Nu we bewezen in staat zijn de fusie van zware massa's te observeren ontwikkelt zich, als de precisie sterk opgevoerd kan worden, waarschijnlijk een hele nieuwe tak van sport in de astrofysica.

Alleen al deze eerste 'simpele' waarneming levert veel op:
  • We kenden stellaire zwarte gaten die tot ruwweg 10 zonmassa's wegen, en de miljoenen zonmassa's zware black holes in de centra van sterrenstelsels. Er zijn hier twee zwarte gaten van rond 30 zonmassa's ontdekt. Dergelijke zwarte gaten zouden volgens de theorie moeten kunnen bestaan maar zijn nooit waargenomen, tot nu toe.
  • Er werd getheoretiseerd dat zwarte gaten konden samensmelten, maar een dergelijke fusie was nooit waargenomen, tot nu toe.
  • Het geobserveerde frequentieverloop, en de 'ringdown' (zeg maar het 'nagalmen' van het gefuseerde black hole) komen precies overeen met de berekeningen ingevolge de Algemene Relativiteit, waarmee de toch al zeer robuuste basis enorm versterkt wordt. Als er al afwijkingen werden verwacht die aanpassingen van de ART zouden kunnen vereisen, dan was het in deze zeer extreme situaties. Daar blijkt hier geen enkele reden toe.
  • Nu we ook m.b.v. zwaartekrachtgolven afstanden  kunnen berekenen, hebben we er een nieuw instrument bij voor de afstandsbepaling (en daarmee leeftijdsbepaling) in het heelal. Dat is met alleen elektromagnetische straling een ingewikkelde kwestie met de nodige onnauwkeurigheden.
In de bijlage bij bericht 6 tref je nog een aantal consequenties van deze waarneming aan.
@V.P.:
1. is er iets bekend over de snelheid van de gedetecteerde zwaartekrachtgolven? Is dat lichtsnelheid?
3. kan ik hier ruimtetijd als medium beschouwen voor zwaartekrachtgolven?
4. Is dit wat ze bedoelen met een golf in ruimtetijd zoals met de alcubierre aandrijving wordt bedoeld?
 

1: Ja. Gravitatiegolven planten zich in de aard van de zaak met de lichtsnelheid voort.

3: De Engelstaligen spreken wel over 'the fabric of space-time'. Een niet tastbare entiteit die gebogen, vervormd, gerimpeld kan worden door massa. Zo bezien kan je de ruimtetijd wel als 'medium' benoemen, maar een medium in materiële zin is het niet.

4: Zo'n hypothetische Alcubierre drive werkt (als dat al kan, het is zeer speculatief) toch anders. Zo'n drive 'surft' niet op deze zwaartekrachtsgolven in de ruimtetijd, maar genereert zelf een krimpende ruimtetijd aan de voorzijde en een expanderende- aan de achterzijde.  Hoewel de numerieke oplossingen van Algemene Relativiteit een dergelijke drive niet tegenspreken, wil dat nog niet zeggen dat zo'n aandrijving ook werkelijk gemaakt kan worden. De negatieve (exotische) massa die daarvoor nodig is bestaat mogelijk niet, en het is niet waarschijnlijk dat de er voor benodigde hoeveelheid energie in het heelal aanwezig is. Zie ook: Wikipedia.

@317070:

Wat betreft die 'chirp mass' en de daarvoor geldende vergelijkingen, die heb ik inmiddels gevonden:
chirp mass.jpg
chirp mass.jpg (108.1 KiB) 529 keer bekeken
Bron: Astrophysic Lectures

Een paar jaar geleden heb ik (helaas weet ik de bron niet meer) de volgende twee vereenvoudigde formules voor het berekenen van de frequentie en de amplitude van zwaartekrachtgolven genoteerd. De formules zouden bruikbaar zijn voor de juiste ordegrootte, en zijn gebruikt voor de gegevens in bericht 3. Hier kunnen we even controleren of deze formules ook bij de gedetecteerde fusie ongeveer correcte resultaten opleveren:

f = c.Rs1/2 / ((√32π2) R3/2)
h = Rs2 / (2 dR)

f = frequentie zwaartekrachtgolf (Hz)
h = amplitude (strain), dimensieloos
Rs= Schwarzschildstraal, m
R = straal omloopbaan, m
d = afstand tot binary, m
c = lichtsnelheid, m/s

Toegepast op deze fusie, waarbij ik de berekening doe bij het raken van beide event horizons, zouden de waarden niet al te zeer mogen afwijken: Massa ongeveer 2 x 30 zonmassa's, Rs is dan (2GM/c2) ~ 90.000 m

√ 32π2 = 17,77
f = 9.1010 / (17,77 * 7,637.107) = 66 Hz
h = 8,1.109  / 5,1.1030 = 1,58.10-21

De gemeten waarden zijn f = 35-250 Hz en h = 1.10-21 en deze vereenvoudigde formules lijken daarmee dus bruikbaar voor een grove indicatie.

Gebruikersavatar
Berichten: 10.002

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Wat ik me nu afvraag: zijn er parallel ook waarnemingen in het elektromagnetische spectrum? Die 2 zwarte gaten bewegen op een gegeven moment met gigantische snelheden, en hun beider accretieschijven ook. Zou de gravitatiegolf niet ook gepaard moeten gaan met een flits in het elektromagnetische spectrum?
Cetero censeo Senseo non esse bibendum

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Zou de gravitatiegolf niet ook gepaard moeten gaan met een flits in het elektromagnetische spectrum?
 
Er wordt verondersteld dat de extreem energetische kortstondige gamma flitsen veroorzaakt worden door de fusie van twee neutronensterren, of van een ster met een bestaand black hole. Het resultaat van deze fusies is hetzelfde: een (nieuw of zwaarder) zwart gat. Ook quasars ontstaan tijdens het consumeren van grote hoeveelheden materie door een superzwaar black hole en zijn in het elektromagnetische spectrum enorm helder. In beide gevallen worden er mogelijk meetbare gravitatiegolven én copieuze hoeveelheden e.m. straling uitgezonden.
 
Maar twee black holes die fuseren kennen natuurlijk geen accretieschijf, geen hoog energetisch gebied buiten de event horizon, en er kan naar de huidige inzichten geen elektromagnetische straling aan ontsnappen.
 
Dus is het antwoord tweeledig:
  • Bij fusie van twee sterren en van een ster en een black hole tot een nieuw of zwaarder black hole kan er sterke elektromagnetische straling worden verwacht. Hier kan de gecombineerde informatie nieuwe inzichten opleveren.
  • Bij fusie van twee zwarte gaten zou het volledig donker blijven in het elektromagnetisch spectrum, die fusie is alleen via gravitatiegolven waarneembaar.

Gebruikersavatar
Berichten: 10.002

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Michel Uphoff schreef:  
Maar twee black holes die fuseren kennen natuurlijk geen accretieschijf, geen hoog energetisch gebied buiten de event horizon, er kan naar de huidige inzichten geen elektromagnetische straling aan ontsnappen.
 
Ik begrijp het woord "natuurlijk" niet. Zwarte gaten kunnen toch prima een accretieschijf hebben, dus 2 zwarte gaten ook? Maar het is natuurlijk niet zo dat ze zo'n schijf moeten hebben, bedenk ik me nu.
 
Of zit ik hier mis? 
Cetero censeo Senseo non esse bibendum

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Nee niet mis.
 
Als een of beide black holes een accretieschijf zou hebben, dan kan er wel degelijk e.m.r. geproduceerd worden. Mijn uitspraak betrof twee black holes zonder (noemenswaardige) accretieschijf.
 
Of er zich nog wel een accretieschijf kan vormen/kan blijven bestaan in een omgeving waarin twee black holes elkaar bijna opvreten, is dan de vraag. Intuïtief zou ik denken dat die materie in zo'n hectische omgeving al ruim voor de fusie weggeslingerd of opgevreten is.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 770

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Michel Uphoff schreef:[sharedmedia=core:attachments:21088]

 
Bron: Astrophysic Lectures
 

Uit je interessante verhandeling begrijp ik dat uit de maximale frequentie van de sweep, via een aantal stappen de afstand kan worden bepaald. In dit geval dus 1,3 miljard lichtjaar.

Op deze afstand treedt een aanzienlijke roodverschuiving op die ook de gemeten maximale frequentie van de sweep beinvloed; en daarmee weer de afstand. Ik heb in de formule gezocht naar compensatie hiervoor maar ik kan die niet vinden. Zit die er wel in? 

Vooral wanneer we willen gaan meten aan de tijd van voor de ontkoppeling, die zelf al meer dan een factor 1000 roodverschuiving geeft, is dit van groot belang lijkt mij.
dat wel natuurlijk

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Ik heb in de formule gezocht naar compensatie hiervoor maar ik kan die niet vinden. Zit die er wel in?
 
Nee. Op zeer grote afstanden moet er inderdaad nog voor de roodverschuiving gecorrigeerd worden.
Op de afstand van de fusie (1,3 Gly) verwijderen de objecten zich met ruwweg (400 Mpc * 71 km/s) 28.000 km/s, oftewel ~ 0,1c.
Dan is de roodverschuiving z ongeveer 0,09, zodat er ruwweg 10% gecorrigeerd moet worden op de waargenomen frequentie.
Ongetwijfeld is dat ook gebeurd bij deze waarneming.
 
Over hoe deze correctie in de formules kan worden toegepast een paper:

Berichten: 16

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Is het nu een zwaartekrachtgolf of een trilling/golf in de "fabric of spacetime"?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Die twee termen betekenen hetzelfde.
Zoals een geluidsgolf een trilling van de lucht is (gebieden met meer of minder samengeperste lucht die zich met de snelheid van het geluid voortplanten) , is een zwaartekrachtsgolf een trilling van de ruimtetijd (gebieden met meer of minder samengeperste ruimte die zich met de snelheid van het licht voortplanten) .
 
Hier legt Brian Green in het kort uit wat zwaartekrachtgolven zijn en hoe ze gedetecteerd kunnen worden. Hij gebruikt een plat vlak (het bekende rubberen vel) om een indruk te geven van die golven:

 
Maar de ruimte is geen plat vlak. Dit filmpje van C. Henze (Nasa) geeft een wat betere indruk in 3d van twee zwarte gaten die samensmelten en hun zwaartekrachtgolven de ruimte in sturen:

Gebruikersavatar
Berichten: 134

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Ik probeer alles een beetje te volgen maar ben bang dat ik het niet ga begrijpen. Om toch een poging te doen vraag ik me af:
Zwaartekrachtgolven zijn ontzettend lastig te detecteren en worden gestoord door allerhande lokale invloeden, zoals een plotselinge windvlaag, langsrijdend verkeer, een trilling in de bodem, de golfslag van de oceaan et cetera. Een mogelijke waarneming door alleen een Ligo (er zijn er twee) zou hierdoor altijd aan twijfel onderhevig zijn.
Als Virgo en Ligo eenzelfde waarneming hebben gedaan, vallen lokale bronnen als oorzaak weg.
Waarom is dit zo? En dan bedoel ik op 2 manieren:
1) Waarom kunnen locale invloeden niet wijzen op het bestaan van zwaartekrachtgolven, maar kunnen ze de detectie daarvan wel beinvloeden en/of bemoeilijken?
2) Waarom kan er niet op de 2 plaatsen een gelijke locale beïnvloeding zijn geweest die de metingen 'toevallig' overeen deed komen?
3) Wat ik me ook afvraag is hoe we weten dat de golven uit het helal komen en niet uit de aardbodem. Is de richting van de golf gemeten per punt of is de richting afgeleid uit het verschil tussen de 2 meetpunten (Ligo en Virgo)?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Waarom kunnen lokale invloeden niet wijzen op het bestaan van zwaartekrachtgolven, maar kunnen ze de detectie daarvan wel beïnvloeden en/of bemoeilijken?
 
Lokale gebeurtenissen kunnen wel degelijk zwaartekrachtgolven veroorzaken. Versnellende massa's kunnen dat nu eenmaal. Zo zendt het Aarde-Maan systeem ook gravitatiegolven uit. Er zou zelfs genoeg amplitude aanwezig zijn om door Ligo gemeten te kunnen worden. Maar er is een probleem; de frequentie ervan is slechts een golf per 28 dagen dus 0,0000004 Hz. Een instrument als Ligo detecteert niets onder 1 Hz. De uitgezonden gravitatiegolven uit onze directe omgeving zijn of veel te zwak voor Ligo, en/of hun frequentie is veel te laag.
 
Maar er zijn wel andere storende invloeden. Trillingen in de grond door bijvoorbeeld een passerende vrachtwagen of een aardbeving kunnen de spiegels van Ligo wat laten slingeren en zo de waarneming beïnvloeden. Ook de aantrekkingskracht van een massa kan de spiegels wat doen verplaatsen, bijvoorbeeld eb en vloed zijn in de Ligo instrumenten terug te vinden, evenals de stand van de Maan. De spiegel die het dichtst bij de vloed of de Maan hangt wordt daar wat meer naar toe getrokken dan de verder gelegen spiegel.
 
Het is dus zaak om al deze storende invloeden te kennen, en hun effecten dmv. compenserende instrumentatie te elimineren en eventuele resten uit de enorme hoeveelheid meetgegevens (per jaar ongeveer een Petabyte) weg te filteren. Dat heeft dan ook maanden rekenwerk met Atlas, de grootse supercomputer die er is, gekost.
 
Waarom kan er niet op de 2 plaatsen een gelijke lokale beïnvloeding zijn geweest die de metingen 'toevallig' overeen deed komen?
 
Dat is mogelijk, maar die kans is extreem klein in dit specifieke geval. De kans dat beide detectoren na filtering van de data een zo precies met een black hole merger overeenkomend 'chirp' signaal detecteren met een onderling tijdverschil van 7 ms als gevolg van een toevalligheid is zeer klein. Ze wordt berekend op een event in de 203.000 jaar. Het event had een betrouwbaarheid van 5.1σ (ruwweg 99,99996% zekerheid) en dat wordt in de wereld van de 'big data' voldoende geacht.  
 
Wat ik me ook afvraag is hoe we weten dat de golven uit het heelal komen en niet uit de aardbodem. Is de richting van de golf gemeten per punt of is de richting afgeleid uit het verschil tussen de 2 meetpunten (Ligo en Virgo)?
 
Inderdaad is de richting mede berekend aan de hand van het tijdverschil tussen beide signalen van de twee Ligo instrumenten in het oosten en westen van de USA. Virgo in Europa was niet operationeel in september 2015. Er is daarnaast geen proces bekend of zelfs maar te bedenken dat in de Aarde optreedt waarbij grote massa's met een oplopende frequentie van 35 tot 250 Hz versnellen en zo die specifieke 'chirp' veroorzaken.

Gebruikersavatar
Berichten: 134

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Heel verhelderend, bedankt!

Berichten: 16

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Dank je voor je uitleg Michel.


Nu is het bewezen dat de zwaartekracht golven bestaan.

Maar het zou toch mogelijk zijn, dat we constant door verschillende zwaartekrachtgolven geraak worden?


En wanneer bepaalde golven elkaar kruisen kan je gigantische draaikolken krijgen en wormholes.

Kunnen bijvoorbeeld gigantische zwaartekracht draaikolken geen effect hebben op sterrenstelsels ect.?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.792

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Maar het zou toch mogelijk zijn, dat we constant door verschillende zwaartekrachtgolven geraak worden?
 

Jazeker, dat gebeurt continue. Als wij 'zwaartekrachtogen' zouden hebben dan zouden wij overal om ons heen golven zien.

 
En wanneer bepaalde golven elkaar kruisen kan je gigantische draaikolken krijgen en wormholes.
 

Die golven zijn zoals toegelicht extreem zwak, dus op grotere afstand is er vrijwel niets te merken. Maar als je je vlak bij de fusie van die twee zwarte gaten zou bevinden (en dat miraculeus zou overleven..) dan moet daar de omgeving er spookachtig uitzien met overal om je heen krimpende, expanderende en golvende ruimtetijd, de sterren aan de hemel dansen als dollen in het rond. Mogelijk zijn er ook draaikolken en wellicht ontstaat er tussen beide zwarte gaten een wormgat. Maar hoe dat er nu precies aan toe gaat, is een van de met toekomstige veel gevoeliger 'Ligo's' te onderzoeken fenomenen. En hoe je je daarvan vervolgens een begrijpelijk beeld moet vormen is nog een heel ander verhaal.

 
Kunnen bijvoorbeeld gigantische zwaartekracht draaikolken geen effect hebben op sterrenstelsels ect.?
 

Laten we eens aannemen dat de Andromedanevel en de Melkweg samensmelten, waarbij hun superzware zwarte gaten fuseren. Dan kan je heel ruwweg berekenen dat op onze afstand (27.000 lichtjaar) van dat fuserende zwarte gat er bijzonder weinig te merken valt. Er zouden in onze buurt gravitatiegolven langskomen met een golflengte van ruwweg 300 miljoen kilometer waarbinnen de lengte van Ligo (4 km) iedere 1000 seconden met minder dan 0,0001 mm toe- of afneemt.

Daarmee is niet gezegd dat zo'n megafusie van zwarte gaten helemaal geen effect heeft op de verdere ontwikkeling van het nieuwe sterrenstelsel 'Milkomeda', maar dat waarschijnlijk de botsing van de gassen in beide stelsels een veel spectaculairder verschijnsel oplevert; de vrij plotselinge geboorte van vele miljoenen zware sterren.

 

Hier een animatie van deze fusie:

 



 

Als de afstand niet 'slechts' 27.000 lichtjaar is, maar zoals bij deze ontdekking 1.300.000.000 lichtjaar, dan is het effect daarvan op onze Melkweg vrijwel te verwaarlozen. De diameter van de hele Melkweg (ruwweg 100.000 lichtjaar) zou door de geobserveerde fusie met pakweg 1 meter variëren.

Gebruikersavatar
Berichten: 5.609

Re: Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

Marko schreef: Zwarte gaten kunnen toch prima een accretieschijf hebben
Dat is ook niet zo vanzelfsprekend. In de omgeving rond een zwart gat is de ruimte zo sterk gekromd dat er geen stabiele orbitalen mogelijk zijn. En daar net buiten heb je relativistische snelheden nodig voor een stabiele orbitaal. Verder weg kan er natuurlijk wel een accretieschijf zijn, maar die zal ook maar weinig last hebben van de fusie van de twee gaten.
 
http://space.stackexchange.com/questions/1911/is-there-any-stable-orbit-around-a-black-hole
https://en.wikipedia.org/wiki/Photon_sphere
What it all comes down to, is that I haven't got it all figured out just yet

And I've got one hand in my pocket and the other one is giving the peace sign

-Alanis Morisette-

Reageer