En teori om hur gravitationsvågor kan se ut i ett svart hål.

 

Svarta hål är ännu inte förstådda inom vetenskapen. Delvis beroende på att ekvationerna för allmän relativitet som används för att förstå dem inte stämmer när man studerar svarta håls ultratäta centrum. Astronomer har nu beskrivit hur detta kanske kan förklaras om man använder gravitationsvågors rörelse för att "se" in i sammanslagna svarta hål och lära sig vad som sker där.

I Einsteins allmänna relativitetsteori är svarta hål objekt så starkt sammanpressade att inte ens ljus kan reflekteras eller ses utifrån då det kommit in i dessa beroende på den starka gravitation som råder där. Ett svart hål har i sin omkrets den så kallade händelsehorisonten - om du passerar över den tröskeln kommer du aldrig att komma därifrån. Relativitetsteorin förutspår också att centrum i svarta hål har oändligt hög densitet, så kallade singulariteter.

Närvaron av singulariteter innebär att ekvationerna som används i den allmänna relativitetsteorin  bryts ner till  oändligheter (kan jämföras med talet pi som inte heller har någon lösning. Något som visar att den allmänna relativitetsteorin är ofullständig. Det bör finnas en mer grundläggande teori troligen kopplad till kvantfysiken i subatomära skalor som korrekt (enligt teorin) kan beskriva vad som händer i centrum av ett svart hål. Vi har ännu ingen fullständig kvantteori om gravitation, men flera förslag på  teorier.

Till exempel finns strängteorin som förutsäger att alla partiklar i universum består av extremt små vibrerande strängar. Det finns också loopkvantgravitation, som säger att rymdtiden i sig är gjord av små, odelbara bitar som kan liknas vid pixlar på en datorskärm.

Båda dessa tillvägagångssätt kan ersätta den traditionella singulariteten i centrum av ett svart hål med något annat. Men när du ersätter singulariteten eliminerar du vanligtvis också händelsehorisonten. Det beror på att händelsehorisonten orsakas av singularitetens oändliga gravitationskraft. Utan singulariteten är gravitationskraften enbart otroligt stark men inte oändlig och då kan du alltid fly från närområdet av ett svart hål så länge du flyr med tillräcklig hastighet. Kanske inte så dum teori.

I vissa varianter av strängteori ersätts singularitets- och händelsehorisonterna av sammanflätade nätverk av trassliga knutar av rummet och tiden. I loopkvantgravitation blir singulariteten en extremt liten, extremt tät klump av exotisk materia. I andra modeller ses det svarta hålet istället som ett tunt skal av materia, eller av klumpar av  typer av spekulativa partiklar.

De närmaste kända svarta hålen från oss finns tusentals ljusår bort vilket gör det svårt att testa skilda teorier. Men ibland skickar svarta hål oss viktig information att arbeta vidare med för förståelse speciellt när två svarta hål sammanslås. När så sker släpps det ut mängder av gravitationsvågor som krusningar i rumtiden som kan detekteras med känsliga instrument på jorden exempelvis av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)  och VIRGO.

Nyckeln till förståelse är  däremot inte gravitationsvågorna som avges under själva sammanslagningen utan de som släpps ut direkt efter denna enligt en artikel i www.livescience.com. När sammanslagningen är klar och två svarta hål blivit ett enda vibrerar den nya sammanslagna massan av en intensiv mängd energi. Denna fas har en distinkt gravitationsvågsignatur.

Genom att studera dessa signaturer kanske forskare en dag kan förstå vilken teori om svarta hål som håller och vilka som inte gör det. Varje modell för svarta hål förutsäger skillnader i gravitationsvågor som avges under denna fas som härrör från skillnader i det svarta hålets inre struktur. Med olika svarta hålstrukturer kommer olika typer av gravitationsvågor att släppas ut och då förfalska eller eller bevisa en teori.

Astronomer hoppas att nästa generation av gravitationsvågsdetektorer blir tillräckligt känsliga för att upptäcka dessa förutspådda små förändringar av signatur vid sammanslagningar av svarta hål. Om de blir så kommer det att radikalt förändra vår uppfattning om svarta hål och ta oss framåt när det gäller att reda ut det vi idag inte förstår om svarta hål.

Inlägget ovan utgår från Paul M. Sutters som är forskningsprofessor i astrofysik vid SUNY Stony Brook vars artikel publicerad i https://www.livescience.com/  och i https://www.space.com 

Bild från space.com på en illustration av två sammanslagna svarta hål. (Bildkredit: Mark Myers, ARC Center of Excellence för gravitationsvågupptäckt (OzGrav))

Tio nya gravitationsvågor hittade i en datainsamling från LIGO-Virgo

 

Under de senaste sju åren har forskare vid LIGO-Virgo Collaboration (LVC) upptäckt 90 gravitationsvågor. Större gravitationsvågor är rörelser i rymdtidens väv som släpps ut i alla riktningar efter katastrofala händelser som sammanslagning av svarta hål (BBH). I observationer från första halvan av den senaste experimentella undersökningen efter sådana i en undersökning som pågick under sex månader under 2019, rapporterades 44 större gravitationsvågor

 Men avvikande okända värden gömde sig  i datan. En internationell grupp astrofysiker utvidgade då sökningen  och undersökte datainsamlingen på nytt och fann då ytterligare 10 (med all säkerhet) sammanslagningar av svarta hål alla tio utanför detektionströskeln i LVC:s ursprungliga analys. Dessa sammanslagningar antyder existensen  av exotiska astrofysiska scenarier som för närvarande bara är möjliga att studera med hjälp av gravitationsvågastronomi.

"Med dessa hittade gravitationsvågor börjar vi nu observera det stora utbudet av svarta hål som slagits samman under de senaste miljarder åren", säger fysikern Seth Olsen, doktorand vid Princeton University vilket var den som ledde den nya analysen. Varje observation av fynd bidrar till vår förståelse av hur svarta hål bildas och utvecklas, säger han och öppnar möjligheten till att känna igen dem och effektiva sätt att urskilja signalerna från dessa från bruset därute i universum

Olsen har beskrivet hur det gick till då hans grupp hittade sammanslagningarna den 11 april under ett möte på APS April Meeting 2022. Kärnfysikmodeller tyder på att stjärnor med mindre än dubbelt så stor massa som vår sol blir neutronstjärnor snarare än svarta hål då deras bränsle tagit slut. Nästan alla observerade svarta hål har nämligen varit mer än fem gånger solens massa. Observationer av fusioner med låg massa kan bidra till att överbrygga klyftan mellan neutronstjärnor och de svarta hål med minst massa. För både de övre och nedre luckorna i vår kunskap om massa och sluet av stjärnor beroende av storlek hade ett litet antal svarta hål redan upptäckts men de nya rönen visar att den här typen av missad kunskap är vanligare än vi trodde, säger Olsen. 

Den felande länken i storleksförhållande mellan neutronstjärna och svart hål vid slutet av en stjärnas liv är nu på väg att bättre förstås (min anm.).

Bild vikipedia Skylokaliseringar av gravitationsvågssignaler som detekteras av LIGO-Virgo-nätverket.

Tsunamier av gravitationsvågor upptäckta.

 

På mindre än fem månader från november 2019 till mars 2020 registrerade LIGO-Virgo interferometrarna (stora interferometrar utformade för att upptäcka gravitationsvågor som förutspåtts existera av den allmänna relativitetsteorin.)  35 gravitationsvåghändelser. I genomsnitt är det nästan 1,7 gravitationsvåghändelser under varje vecka vid körningen.

"Dessa upptäckter representerar en tiofaldig ökning av antalet gravitationsvågor som upptäckts av LIGO och Virgo sedan de började söka efter dem  i universum", säger astrofysikern Susan Scott vid Australian National University i Australien.

 

– Vi har upptäckt 35 händelser. Detta till skillnad då vi under fyra månader 2015-16 upptäckte enbart tre stycken. Detta är en ny era för gravitationsvågdetektion och den växande populationen av upptäckter avslöjar mycket information om stjärnornas liv och död i hela universum."

 

Av dessa 35 nya upptäckter är 32 troligast resultatet av sammanslagningar mellan svarta hål. Händelser då ett par svarta hål på en nära omloppsbana av varandra dras in av ömsesidig gravitation och till slut kolliderar och då bildar ett enda massivt svart hål.

 

Den kollisionen skickar då krusningar genom rumtiden likt de krusningar som genereras när du kastar en sten i en damm; astronomer kan numera analysera dessa krusningar och  då bestämma egenskaperna hos de svarta hålen vid kollisionsögonblicket.

För ytterligare intresse och något mer fördjupning i detta ämne följ denna länk.  

 

Bild flickr.com tankar över vårt svårförståeliga universum.

Universum minns varje rörelse som skett i tid och rum.

Universum har ”minne” och  kan ”komma ihåg” gravitationsvågor lång tid efter att de har passerat. 


Det är kontentan i en artikel publicerad den 25 april i The journal Physical Review D.

Dessa ”minnen”  forskarna utgår från kallas ”ihållande gravitationella observerbara vågor” och ska vara ännu svagare än de gravitationsvågor som vi först nyligen lyckats mäta upp.


Observera att artikeln grundas på en teori inte på att dessa svaga vågor detekterats. Teoretiskt verkar det stämma men att finna spår i mätbar form är något som troligen aldrig kan göras och absolut inte med dagens mätmöjligheter.


 Dessa vågor anses komma från massiva händelser för exempel som när svarta hål och neutronstjärnor kolliderar långt där ute i rymden. När de då når jorden är vågorna knappt märkbara och deras långsiktiga effekter är än mindre uppenbara.


Men de bör finnas och ses som vågor som är minnen av särskilt stora händelser långt därute som kanske skett miljarder ljusår bort.


Skulle vi mot all förmodan kunna mäta dessa och se var de kom ifrån kunde vi lära oss än mer om universums förflutna och dess början och nuvarande stadium. Vi vet ju inte mycket om nuvarande universum då allt vi ser är vad som skett många ljusår bort ibland miljarder år bort i förfluten tid.

NY metod finns för att upptäcka och lyssna på gravitationsvågor

2015 krockade två svarta hål ca en miljard ljusår bort. Då var det svårt att mäta gravitationsvågen som blev följden av denna händelse.


Vi kan förstå mer om universum om vi skulle kunna noggrannare mäta dessa vågor.

Fysikers kunskaper av precisionen i mätningar av detta fenomen har nu förbättrats avsevärt.  En forskare med namnet Corbitt har lett en grupp andra  forskare vilka tillsammans  har utvecklat fysiska enheter som nu gör det möjligt att observera och höra kvanthändelsers effekter vid rumstemperatur. Något som inte tidigare varit möjligt.


Det har tidigare varit  enbart möjligt att mäta kvantmekaniska effekter vid mycket låga temperaturer medan detta nya tillvägagångssätt i rumstemperatur ger en enklare möjlighet.


 Inrymt i miniatyrmodeller av detektorer som LIGO Laser Interferometer gravitations-Wave observatoriet i Livingston, La och en andra anläggning i Hanford, Washington har  tekniken avsevärt förenklats.

Läs hur genom denna mycket utförliga rapport.



Bilden visar en nebulosa i riktning mot Orion.

Gravitationsvågor kan användas till framtidens kommunikation.

RUDN matematiker (RUDN är ett universitet i Ryssland) har upptäckt möjligheten att överföra information rumsligt med hjälp av nonmetricity vågor  utan snedvridning. Detta resultat konstaterades efter att  matematikerna analyserade egenskaperna matematiskt av gravitationsvågor.


De för inte så länge sedan upptäckta gravitationsvågorna (vilket  gav nobelpriset i fysik 2017) är vågor av krökning av rumtiden vilket enligt Einsteins allmänna relativitetsteori bestäms helt av rumtiden själv. 


För att beskriva gravitationsvågors möjlighet till användning använde RUDN forskarna matematisk abstraktion - ett affine utrymme, dvs ett vanligt vektorrum men utan en beskärning av koordinater. Dess slutsats blev att det  finns funktioner som förblir oföränderliga i distribution av en våg i en sådan matematisk representation av gravitationsvågor. 


Det är då möjligt att ställa in en godtycklig funktion så att kodade uppgifter framförs på ungefär samma vis som vid överföring av elektromagnetiska vågor likt radiosignaler. 

Det innebär att om du hittar ett sätt att ställa in dessa vågor kommer de att kunna sändas till någon punkt i universum eller  här på Jorden  utan att signalen förändras på vägen.


 Gravitationsvågor kan då användas till dataöverföring ”Vi upptäckte att vågor av denna typ (nonmetricity vågor) ska kunna överföra data genom gravitationsvågornas krökning av rumtiden  eftersom de innehåller godtyckliga funktioner som fördröjd tid vilket kan kodas till vågor (i en perfekt analogi till elektromagnetiska vågor).


Vad man här ska ta till sig är att forskare arbetar med att en gång i framtiden kunna använda gravitationsvågor för dataöverföring. I övrigt behöver man inte försöka förstå alla fackuttryck i detta sökande.


Bild från Wikipedia.  Tvådimensionell framställning av gravitationsvågor som alstras av två neutronstjärnor som kretsar runt varandra.

Här dansar två neutronstjärnor vars slut kommer att bli en mätbar krusning i rumtiden.

I en galax 920 miljoner ljusår från oss har astronomer upptäckt hur en stjärna exploderade som en supernova (för förståelse av vad en supernova är följ länken). Den kollapsade till en extremt kompakt stjärna som kallas för neutronstjärna.  En händelse som denna borde resultera i en smäll så kraftig att hela universum skulle skaka. OBS det innebär inte att vi människor skulle känna det utan enbart en mätbar effekt skulle uppstå och synas. 


Kollapsen resulterade till en extremt kompakt stjärna en så kallad neutronstjärna.


Men det var någonting som inte stämde i beräkningen och väntan blev förgäves. Explosionen blev inte så intensiv som supernovor brukar vara. En knappt mätbar effekt blev resultatet och den starka ljuseffekt som väntats falnande snart.


– Det är ett bevis för att stjärnan hade blivit av med stor del av sitt gasfyllda hölje före explosionen, säger Jesper Sollerman astronom vid Stockholms universitet. Han har varit med och studerat den här märkliga supernovaexplosionen.


Astronomer drar nu slutsatsen att stjärnan en längre tid har varit fångad i en nära dans med en neutronstjärna (för förståelse av vad en neutronstjärna är följ länken) som under lång tid har ryckt bort stora delar av stjärnans enorma gashölje. Av den forna lysande stjärnan återstod endast den inre kärnan vid explosionen. Därför blev den supernovaexplosion som inträffade inte lika ljusstark som supernovor brukar bli. 


Det unika nu är att astronomer nu istället fått se födelsen av ett dubbelstjärnsystem bestående av två neutronstjärnor. Den stjärna som exploderade blev en kompakt neutronstjärna och dess följeslagare som dragit bort dess gashölje är redan en neutronstjärna.  Dessa två neutronstjärnors framtid innebär däremot en kollision mellan dem.


En kollision då de här neutronstjärnorna till slut smälter samman med resultatet att det blir ett skalv så stort att det skapar krusningar i själva rumtiden. Dessa krusningar kan numera astronomer fånga upp i form av gravitationsvågor något som bara för några år sedan var omöjligt.


Rumtid  kan förklaras som en matematisk modell vilken kombinerar rummet (bredd, höjd och djup) och tid till ett enda sammanvävt kontinuum. I sin enklaste form utgår rumtiden från ett euklidiskt rum där det finns tre rumsdimensioner och till detta läggs tiden till som en fjärde dimension. Tillsammans bildar detta en mångfald som är känd som Minkowskirummet. En punkt i denna fyrdimensionella rumtid kallas för en händelse.  (för än mer förståelse av vad rumtidbegreppet innebär följ länken).


Bilden visar resterna efter en annan supernova än ovan. Keplers supernova.

Att förklara bildandet av svarta hål utanför vintergatan har blivit svårare. Kanske gravitationsvågorna är en hallucination av något helt annat

14 september 2015 upptäcktes för första gången att det gick att mäta gravitationsvågor. En upptäckt vilken gav eko över hela världen.

Nu måste man ta hänsyn till dessa och dess effekter när vi gör mätningar av andra slag och teorier.

En sak vilken blivit svårare är att teorisera om hur svarta hål uppstått.

Inte om det gäller i vår egen vintergata här är ingen förändring. Stjärnor kollapsar in i sig själv och det svarta hålet agerar enligt den vanliga teorin även fast vi tar hänsyn till gravitationsvågornas effekter.

Men utanför vår vintergata har vi även galaxer där svarta hål bildats. Men ska vi  ta hänsyn till gravitationsvågorna och göra mätningar efter den kunskapen vi har idag blir effekterna konstiga.

Antingen roterar det svarta hålet för långsamt och då är teorin av hur en stjärnas kollaps bildat detta inte korrekt där vilket den blir här.

Alternativ två är att det svarta hålet snurrar snabbt och tumlande (obalanserade) i en då förmodad miljö av ett stjärnkluster av täthet i förklaringssyfte för obalansen.

Båda alternativen lika otroliga. Av den anledningen måste en annan förklaring gälla för gravitationsvågornas förmodade påverkan eller en ren felräkning från vår sida på fenomenet vilket med all säkerhet enbart existerar i någon form av felkonstaterande.

Inget skulle kunna ge en anledning till att svarta hål i vår vintergata uppför sig annorlunda än i andra galaxer. Forskningen får fortsätta vi förstår troligen inte gravitationsvågorna fullt ut ännu. 

Vi har upptäckt effekter som verkar att inte finnas här men utanför vår galax kan de överraskande upptäckas. Hemska tanke det är kanske inga gravitationsvågor vi upptäckt där utan allt inom den upptäckten är en hallucination av något helt annat.

Alternativt är det här i vår Vintergata vi missuppfattat allt.

Bevis för gravitationsvågor har för tredje gången detekterats

Sökandet i många år efter bevis på att det finns gravitationsvågor vilket skulle bekräfta teorin om hur gravitation arbetar har gett resultat för tredje gången nu. Resultat som troligen kan ge ett nobelpris.

Denna gång är det vågor från en kollision av två svarta hål för tre miljarder år sedan. Dessa vågor färdas fram med ljusets hastighet. Säkert kan det vara en viktig upptäckt och något att fundera över. Har dessa vågor likhet med eller släktskap med ljuset?

Idén om gravitationsvågor uppstod för 102 år sedan men först nu bevisas de existera efter långt och troget letande för att bekräfta Einsteins teoriarbete där dessa ingår.

Det var den 4 januari 2017  detta avlägsna "åskmuller" nådde oss och upptäckten gjordes. Läs mer här om det spännande mötet och än mer om detta fenomen här.

Bilden är en simulering av hur  gravitationsvågor kan se ut.

Gravitationsvågor upptäckta de hörs som en kvittrande fågel. Ett mänskligt öga kan nu se dessa vågor.

Newton förstod att de fanns. Allt är berörda av dessa vågor som finns men som ingen förrän nu upptäckt. Nu kan mätningar av dessa vågor göras vilket vi inte kunnat tidigare  fullt ut då vi inte haft instrument vilka visat på dess existens mer än matematiskt.

Gravitationsvågor är även viktiga för att bevisa Einsteins relativitetsteori.

En ny forskningsmöjlighet har nu sett dagens ljus möjligheten att undersöka rymden utefter gravitationsvågors effekter och då synliga vågor.

Nu väntar vi på nästa upptäckt mörk materia och energi. När dessa kan ses och forskas inom blir det ett otroligt nytt forskningsfält att förstå universum, tid och rum och verkligheten eller kanske bättre uttryckt den verklighet vi kan uppleva som människa med våra instrument.

Se och hör.