Nobelpriset i fysik Gravitationsvågor

Relevanta dokument
Science Night Rymden nu och framåt Aktuell forskning om rymden som utgångspunkt för intresseskapande fysik.

Upptäckten av gravitationsvågor

101-åringen som klev ut ur teorin Om gravitationsvågor (2016) och Einsteins allmänna relativitetsteori (1915)

Universum. en symfoni i skönhet och elegans

Solen i dag.

Litet quiz om svarta hål och kvantfysik: facit på www2.kau.se/tp/outreach Nedanför quizzet ger jag facit. Men försök själv först!

Kosmologi. Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

Kosmiskt kvitter NOBELPRISET I FYSIK Rumtiden vibrerar

Svarta håls existens är en förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori (Einsteinsk mekanik med gravitation), som generaliserar Newtonsk

Gull! Astrofysikk, kärnfysik, kvantmekanik og relativitetsteori i vardagen? Jonas Persson Institutt for Fysikk, NTNU

Introduktion till Kosmologi

Rörelsemängd och energi

Einstein's Allmänna relativitetsteori. Einstein's komplexa Allmänna relativitetsteori förklaras så att ALLA kan förstå den

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

I once saw Einstein on a train which whistled past our station. - Your clock ticks much too slow, I yelled. - Ach, nein. That's time dilation

Stephen Hawking. f. 1942

1 Den Speciella Relativitetsteorin

Sett i ett lite större perspektiv

Svarta håls existens är en förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori (Einsteinsk mekanik med gravitation), som generaliserar Newtonsk

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Relativistisk energi. Relativistisk energi (forts) Ekin. I bevarad energi ingår summan av kinetisk energi och massenergi. udu.

Vågrörelselära och optik

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

Innehåll. Förord Del 1 Inledning och Bakgrund. Del 2 Teorin om Allt en Ny modell: GET. GrundEnergiTeorin

att båda rör sig ett varv runt masscentrum på samma tid. Planet

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

MATTIAS MARKLUND GRUNDLÄGGANDE FYSIKFORSKNING OCH MILITÄRFORSKNING

Kosmologi efter elektrosvagt symmetribrott

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Tentamen Relativitetsteori , 27/7 2019

Christian Hansen CERN BE-ABP

Theory Swedish (Sweden)

Vågrörelselära och optik

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

3. Mekaniska vågor i 2 (eller 3) dimensioner

WALLENBERGS FYSIKPRIS

1. Elektromagnetisk strålning

FAFA55 HT2016 Laboration 1: Interferens av ljus Nicklas Anttu och August Bjälemark, 2012, Malin Nilsson och David Göransson, 2015, 2016

Vad vi ska prata om idag:

STORSEMINARIET 3. Amplitud. frekvens. frekvens uppgift 9.4 (cylindriskt rör)

Chockvågor. En gång var de astronomins största ouppklarade mysterium. Andreas Johansson berättar om vår nya bild av gammablixtarna.

Optik, F2 FFY091 TENTAKIT

Lösningar till Tentamen i fysik B del 1 vid förutbildningar vid Malmö högskola

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 1 Lösningar

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Kosmologi - läran om det allra största:

Astronomin och sökandet efter liv där ute. Sofia Feltzing Professor vid Lunds universitet

Edwin Hubbles stora upptäckt 1929

Kapitel 35, interferens

E-strängen rör sig fyra gånger så långsamt vid samma transversella kraft, accelerationen. c) Hur stor är A-strängens våglängd?

1 Den Speciella Relativitetsteorin

Mörk materia och det tidiga universum Joakim Edsjö Stockholms Universitet

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Kosmologi. Universums utveckling. MN Institutionen för astronomi. Av rättighetsskäl är de flesta bilder från Wikipedia, om inte annat anges

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

1. Ge en tydlig förklaring av Dopplereffekt. Härled formeln för frekvens som funktion av källans hastighet i stillastående luft.

1 Hur förklarar du att det blev ett interferensmönster i interferensexperimentet med elektroner?

Preonstjä. av Johan Hansson och Fredrik Sandin

Från Big Bang till universums acceleration

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Tentamen Fysikaliska principer

FINALTÄVLING SVENSKA FYSIKERSAMFUNDET

för M Skrivtid i hela (1,0 p) 3 cm man bryningsindex i glaset på ett 2. två spalter (3,0 p)

Att förena gravitation och elektromagnetism i en (klassisk) teori. Kaluza [1919], Klein [1922]: Allmän

Mekanik FK2002m. Kraft och rörelse II

1.5 Våg partikeldualism

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Kosmologi. Programkurs 6 hp Cosmology TFYA71 Gäller från: Fastställd av. Fastställandedatum. Programnämnden för elektroteknik, fysik och matematik, EF

Tentamen i Mekanik för D, TFYY68

Solen och andra stjärnor 24 juli Stefan Larsson. Mer kap 3 Stjärnors egenskaper

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

Alla svar till de extra uppgifterna

Svarta hålens tio i topp

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Ett expanderande universum Ulf Torkelsson

Strängar och extra dimensioner

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Vågrörelselära och optik

Guld. fabriker. Kosmos nya

Vanlig materia (atomer, molekyler etc.) c:a 4%

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Kosmologin söker svar bl.a. på: Hur uppkom universum? Hur gammalt är universum? Hur är materian och energin fördelad?

Mekanik FK2002m. Kraft och rörelse I

Gravitationens gåta Ett nytt förslag till lösning Av Josef Kemény, 2008

Tentamen Relativitetsteori , 29/7 2017

Information om ämnet Militärteknik med diagnostiskt självtest av förkunskaper till blivande studerande på Stabsutbildningen (SU)

Projekt 5 Michelsoninterferometer Fredrik Olsen Roger Persson

Den Speciella Relativitetsteorin DEL I

Tentamen Relativitetsteori , 22/8 2015

Boken : Kap. 10 sid 232 Kap. 11 sid 259 och framåt

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Vågor. En våg är en störning som utbreder sig En våg överför energi från en plats till en annan. Det sker ingen masstransport

Kapitel: 32 Elektromagnetiska vågor Maxwells ekvationer Hur accelererande laddningar kan ge EM-vågor

Introduktion till Biomekanik, Dynamik - kinetik VT 2006

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

Böjning. Tillämpad vågrörelselära. Föreläsningar. Vad är optik? Huygens princip. Böjning vs. interferens FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

3. Om ett objekt accelereras mot en punkt kommer det alltid närmare den punkten.

Transkript:

Nobelpriset i fysik 2017 - Gravitationsvågor Magnus Johansson Professor i Teoretisk Fysik, Linköpings Universitet Vetenskapsdagen, Linköping, 4 oktober 2018 Huvudreferenser: Kungliga Vetenskapsakademiens web-sida: https://www.kva.se/sv/pressroom/pressmeddelanden/nobelpriset-i-fysik-2017 1) Populärvetenskaplig information: Kosmiskt kvitter 2) Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2017: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory and the first direct observation of gravitational waves Fysikaktuellt: - Ulf Danielsson: Gravitationsvågor en ljusning för svarta hål, sept 2016 - Ariel Goobar, Stefan Rosswog, Jesper Sollerman: Nobelpris med guldkant!, dec 2017. Physics.aps.org: Emanuele Berti: The First Sounds of Merging Black Holes, 11 Feb 2016 Physics 9,17 1

Till vem - och varför?: Ena hälften till: Rainer Weiss (f.1932, Berlin, Tyskland) MIT, Cambridge, USA Andra hälften till: Barry C. Barish (f.1936, Omaha, USA) Caltech, Pasadena, USA och Kip S. Thorne (f.1940, Logan, USA) Caltech, Pasadena, USA för avgörande bidrag till LIGO-detektorn och observationen av gravitationsvågor Weiss: Pionjären som skissade detektorkonceptet baserat på laserinterferometri 1972. Thorne: Teoretikern som beräknade förväntade signaler från olika astronomiska källor. Barish: Projektledaren 1994-2005, som byggde upp den stora internationella kollaborationen. LIGO idag: drygt 1000 forskare från över 20 länder, 2 https://www.ligo.caltech.edu/ https://www.ligo.org/

Elementär beskrivning av Einsteins allmänna relativitetsteori Geometrisk beskrivning av gravitationskrafter: Massor dras till varandra p.g.a. att den 4-dimensionella rumtiden är krökt! Matematiskt beskrivs detta av Einsteins fältekvationer, som relaterar rumtidens krökning till mass/energitätheten i rumtiden, via två tensorer: Two-dimensional illustration of how mass in the Universe distorts space-time. Credit: NASA (Krökningstensor) = 8πG/c4 X (Mass-energitäthetstensor) Maskineri : Närvaro av materia/energi ger krökning av rumtiden, och partiklar/ljusstrålar rör sig i den krökta rumtiden så att de tar den kortast möjliga vägen. Geometry tells matter how to move, and matter tells geometry how to curve. 3

Vad är gravitationsvågor? Förutsägelse av Einstein 1916: I vacuum (Mass/energitäthet = 0) har fältekvationerna vågliknande lösningar för små störningar av rumtiden! Dessa skapas när massor accelereras, och utbreder sig som transversella vågor med ljusets hastighet. Krusningar av rum-tiden propagerar likt ringar på vattenytan efter en störning Jfr. elektromagnetism: Accelererande elektriska laddningar skapar EM-vågor! Artist's impression of gravitational waves from two orbiting black holes. [Image: T. Carnahan (NASA GSFC)] Gravitationsvågor skapas vid varje acceleration av massor som inte är sfäriskt eller cylindriskt symmetrisk! 4

Hur ser gravitationsvågorna ut? Likt vattenvågor, ljudvågor, EM-vågor etc så bestäms vågformen av källans rörelse. Vilken är den enklast möjliga? - Monopol? ( sten i vatten ) Omöjligt både för EM och gravitation, p.g.a. att varken laddning eller massa/ energi kan skapas eller förstöras, och inte heller pulsera! - Dipol? ( dra handen fram och tillbaka i vattnet ) Ja för EM (antenn!), men nej för gravitation, p.g.a. bevarande av rörelsemängd! (Finns negativ ladding för EM men ingen negativ massa..) - Kvadrupol? ( dra båda händerna fram och tillbaka åt motsatta håll ) Ja! Jfr 2 massor i omloppsbana. 5 Arnajafi at English Wikibooks

Hur starka är gravitationsvågorna? EM: En kvadrupol med laddning Q svängande med frekvens ω och amplitud R ger upphov till en våg med storlek QR2ω2/r för en observatör på avståndet r från källan. (Obs avståndsberoendet 1/r, jfr 1/r2 för statiska Coulomb-kraften!) Gravitation: En uppskattning av vågornas storlek (med dimensionslösa konstanter försummade) fås genom att (i) ersätta elektrisk laddning med massa (jfr analogi mellan Coulombs och Newtons lagar!) (ii) inkludera konstanterna G och c så att uttrycket blir dimensionslöst. Störningen i rumtiden blir Hemuppgift: Kolla att uttrycket verkligen är dimensionslöst! 6

Två kolliderande svarta hål: hur stor blir gravitationsvågen? Antag cirkulär bana med radie R och Newtons lagar: Gm/R2 = Rω2 ω2 = Gm/R3 Maximala amplituden på vågen fås då banan har krympt så mycket att de svarta hålen vidrör varandra R = 2Gm/c2 = RS, Schwarzschildradien! C. Henze/NASA Ames Research Center Typiska värden: RS 100 km, r 109 ljusår 1022 km h 10-20 Dvs, en detektor med längd L kommer att omväxlande sträckas och komprimeras enligt L = h L, där en mer exakt beräkning ger att max h 10-21. LIGO's armar är 4 km L 10-18 m en tusendel av en protons storlek...!! 7

LIGO-detektorn-en gigantisk interferometer! Obs: Speglarna är konstruerade så att laserstrålarna studsar ca 280 ggr innan de återförenas! Effektivt L 10-15 m Jfr. laserns våglängd (IR) λ 10-6 m Two of LIGO's pure fused silica mirrors. Each one weighs 40 kg (88 lbs). (Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab) 8

LIGO-detektorn-en gigantisk interferometer! A schematic depiction of LIGO's interferometric gravitational-wave detector. Light from a laser is split in two by a beam splitter; one half travels down the vertical arm of the interferometer, the other half travels down the horizontal arm. The detector is designed so that in the absence of gravitational waves (top left) the light takes the same time to travel back and forth along the two arms and interferes destructively at the photodetector, producing no signal. As the wave passes (moving clockwise from top right) the travel times for the lasers change, and a signal appears in the photodetector. (The actual distortions are extremely small, but are exaggerated here for easier viewing.) Inset: The elongations in a ring of particles show the effects of a gravitational wave on spacetime. (APS/Alan Stonebraker) 9

LIGO i USA: två identiska interferometrar Samtidig detektion av båda detektorerna krävs för att utesluta falska positiva signaler Uppgraderades under 2011-2015 till flerdubbel känslighet, och startades upp på nytt i september 2015. 10

Första direkta observationen av en gravitationsvåg 14 september 2015 Observationer Numeriska simuleringar för kollision av två svarta hål med 36 resp. 29 solmassor, på 1.3 miljarder ljusårs avstånd Signalen ökar i frekvens och amplitud över 200 ms, med max vid ca 150 Hz. Det slutliga svarta hålet beräknas ha ca 62 solmassor, dvs en enegi motsvarande 3 solmassor strålades ut i form av gravitationsvågor! 11

Och vad hände därefter...? Ytterligare 4 (möjligen 5..) gravitationsvågor från kolliderande svarta hål registrerades, innan LIGO stängdes ner för uppgradering 25 augusti 2017 (nystart inom kort!): 1 augusti 2017 startades en systeranläggning Virgo i Italien, och GW170814 registrerades av alla tre detektorerna! Trianguleringen av positionen på himlen för källan avsevärt bättre med detektorer på olika kontinenter! 12

Och vad hände därefter...? 17 augusti 2017: LIGO och Virgo observerade (en betydligt längre) gravitationsvåg från kollision av två neutronstjärnor, med totalmassa 2.8 solmassor! Samtidigt (inom 2 sekunder..) observerade satelliten FERMI en blixt av gammastrålning, och inom 12 timmar observerades även en ny, falnande blå ljuskälla av optiska teleskop i Chile....the most broadly and intensely studied astronomical event in human history. Första direkta beviset för att gammablixtar skapas i kollisioner av neutronstjärnor. Analys av EM-strålningen bekräftade teorier att tunga element som guld och platina skapas i stora mängder vid dessa kollisioner, via neutroninfångning! Tack vare gravitationsvågen vet vi massorna på objekten som kolliderade! 13

Vad mer kan vi förvänta oss...? LIGO-liknande detektorer är på gång i Japan och Indien (fler detektorer ger bättre lokalisering av vågkällan). Känsligheten hos en detektor är störst då L λ/2 för gravitationsvågen (dvs LIGO är optimerad för ca 100 Hz!). Men många intressanta astrofysikaliska objekt (supermassiva svarta hål i aktiva galaxer, dubbelstjärnepar,...) svänger betydligt långsammare (< 0.01 Hz), och dessutom ger universums expansion en rödförskjutning till lägre frekvenser för objekt från universums första tid. Därför planeras ett betydligt större gravitationsvågsobservatorium i rymden: Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Tre sonder, inbördes avstånd 5 miljoner km, drivs av ESA, planerad start 2030, beräknad kostnad 1 miljard Euro... Ett antal ytterligare projekt planeras för att detektera gravitationsvågor i olika frekvensområden under de närmaste decennierna. Med gravitationsvågor kan vi studera våldsamma processer även i delar av universum som tidigare varit oåtkomliga p.g.a. absorption av fotoner. Direkta observationer av gravitationsvågor från svarta hål o.d. ger tester av allmänna 14 rel.teorins extremfall, och kanske ledtråd till hur den kan förenas med kvantmekaniken?