Gravit´ aci´ os hull´ amok Dr. Berta Mikl´ os Sz´echenyi Istv´an Egyetem Fizika ´es K´emia Tansz´ek
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
1 / 12
Mik is azok a gravit´aci´os hull´amok?
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
2 / 12
Mik is azok a gravit´aci´os hull´amok? ´ anos relativit´as elm´elete - a gravit´aci´o 1915 - Albert Einstein - Altal´ u ´j elm´elete - h´att´erf¨ uggetlen elm´elet
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
2 / 12
Mik is azok a gravit´aci´os hull´amok? ´ anos relativit´as elm´elete - a gravit´aci´o 1915 - Albert Einstein - Altal´ u ´j elm´elete - h´att´erf¨ uggetlen elm´elet Einstein-egyenletek: T´erg¨ orb¨ ulet ∼ Energias˝ ur˝ us´eg 1 8πG Rµν − g µν Rµν gµν + gµν Λ = 4 Tµν 2 c
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
2 / 12
Mik is azok a gravit´aci´os hull´amok? ´ anos relativit´as elm´elete - a gravit´aci´o 1915 - Albert Einstein - Altal´ u ´j elm´elete - h´att´erf¨ uggetlen elm´elet Einstein-egyenletek: T´erg¨ orb¨ ulet ∼ Energias˝ ur˝ us´eg 1 8πG Rµν − g µν Rµν gµν + gµν Λ = 4 Tµν 2 c
Forr´as: CalTech - LIGO Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
2 / 12
1916 - Albert Einstein kimutatja, hogy a gravit´aci´ ou ´j elm´elet´eb˝ol k¨ ovetkezik a gravit´aci´ os hull´amok l´etez´ese - sz´am´ıt´asai szerint ezek speci´alis gravit´aci´ os zavarok ´altal okozott, a t´erid˝ o g¨orb¨ ulet´eben bek¨ ovetkez˝ o nagyon kism´ert´ek˝ u fodroz´ od´asok, amelyek f´enysebess´eggel terjednek
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
3 / 12
1916 - Albert Einstein kimutatja, hogy a gravit´aci´ ou ´j elm´elet´eb˝ol k¨ ovetkezik a gravit´aci´ os hull´amok l´etez´ese - sz´am´ıt´asai szerint ezek speci´alis gravit´aci´ os zavarok ´altal okozott, a t´erid˝ o g¨orb¨ ulet´eben bek¨ ovetkez˝ o nagyon kism´ert´ek˝ u fodroz´ od´asok, amelyek f´enysebess´eggel terjednek Minden aszimmetrikus t¨ omegeloszl´as´ u, gyorsul´ o mozg´ast v´egz˝o fizikai rendszer gravit´aci´ os hull´amok forr´asa!
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
3 / 12
1916 - Albert Einstein kimutatja, hogy a gravit´aci´ ou ´j elm´elet´eb˝ol k¨ ovetkezik a gravit´aci´ os hull´amok l´etez´ese - sz´am´ıt´asai szerint ezek speci´alis gravit´aci´ os zavarok ´altal okozott, a t´erid˝ o g¨orb¨ ulet´eben bek¨ ovetkez˝ o nagyon kism´ert´ek˝ u fodroz´ od´asok, amelyek f´enysebess´eggel terjednek Minden aszimmetrikus t¨ omegeloszl´as´ u, gyorsul´ o mozg´ast v´egz˝o fizikai rendszer gravit´aci´ os hull´amok forr´asa! A F¨ old¨ on is es´ ellyel m´ erhet˝ o gravit´ aci´ os hull´ amok forr´ asai csak nagyon nagy gyorsul´ assal mozg´ o, nagyon nagy s˝ ur˝ us´ eg˝ u ˝ t¨ omegek lehetnek! (fekete lyukak, neutroncsillagok, Osrobban´ as)
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
3 / 12
1916 - Albert Einstein kimutatja, hogy a gravit´aci´ ou ´j elm´elet´eb˝ol k¨ ovetkezik a gravit´aci´ os hull´amok l´etez´ese - sz´am´ıt´asai szerint ezek speci´alis gravit´aci´ os zavarok ´altal okozott, a t´erid˝ o g¨orb¨ ulet´eben bek¨ ovetkez˝ o nagyon kism´ert´ek˝ u fodroz´ od´asok, amelyek f´enysebess´eggel terjednek Minden aszimmetrikus t¨ omegeloszl´as´ u, gyorsul´ o mozg´ast v´egz˝o fizikai rendszer gravit´aci´ os hull´amok forr´asa! A F¨ old¨ on is es´ ellyel m´ erhet˝ o gravit´ aci´ os hull´ amok forr´ asai csak nagyon nagy gyorsul´ assal mozg´ o, nagyon nagy s˝ ur˝ us´ eg˝ u ˝ t¨ omegek lehetnek! (fekete lyukak, neutroncsillagok, Osrobban´ as) Az egyes forr´asok spektr´alisan j´ ol elk¨ ul¨ on¨ ulnek!
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
3 / 12
Els˝o ´eszlel´esi pr´ob´alkoz´as - Weber - 1966 • – k´et henger egym´ast´ ol 1000 km t´avols´agban (koincidencia)
Forr´as: MIT Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
4 / 12
Els˝o ´eszlel´esi pr´ob´alkoz´as - Weber - 1966 • – k´et henger egym´ast´ ol 1000 km t´avols´agban (koincidencia) • – a hengerek m´eretei: d = 66 cm, l = 153 cm, m = 1400 kg, rezonancia frekvencia f0 = 1660 Hz
Forr´as: MIT Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
4 / 12
Els˝o ´eszlel´esi pr´ob´alkoz´as - Weber - 1966 • – k´et henger egym´ast´ ol 1000 km t´avols´agban (koincidencia) • – a hengerek m´eretei: d = 66 cm, l = 153 cm, m = 1400 kg, rezonancia frekvencia f0 = 1660 Hz • – a galaxisunk kett˝ os neutroncsillagai az f0 frekvencia k¨ orny´ek´en bocs´atanak ki gravit´aci´ os hull´amokat Einstein elm´elete szerint
Forr´as: MIT Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
4 / 12
Els˝o ´eszlel´esi pr´ob´alkoz´as - Weber - 1966 • – k´et henger egym´ast´ ol 1000 km t´avols´agban (koincidencia) • – a hengerek m´eretei: d = 66 cm, l = 153 cm, m = 1400 kg, rezonancia frekvencia f0 = 1660 Hz • – a galaxisunk kett˝ os neutroncsillagai az f0 frekvencia k¨ orny´ek´en bocs´atanak ki gravit´aci´ os hull´amokat Einstein elm´elete szerint • – a henger ker¨ ulet´en ´erz´ekeny piezo´erz´ekel˝ ok voltak elhelyezve
Forr´as: MIT Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
4 / 12
Els˝o ´eszlel´esi pr´ob´alkoz´as - Weber - 1966 • – k´et henger egym´ast´ ol 1000 km t´avols´agban (koincidencia) • – a hengerek m´eretei: d = 66 cm, l = 153 cm, m = 1400 kg, rezonancia frekvencia f0 = 1660 Hz • – a galaxisunk kett˝ os neutroncsillagai az f0 frekvencia k¨ orny´ek´en bocs´atanak ki gravit´aci´ os hull´amokat Einstein elm´elete szerint • – a henger ker¨ ulet´en ´erz´ekeny piezo´erz´ekel˝ ok voltak elhelyezve • – a k´ıs´erletsorozat nem mutatott ki gravit´aci´ os hull´amokat, nem volt el´eg ´erz´ekeny Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
Forr´as: MIT 4 / 12
K¨ozvetett bizony´ıt´ek - Hulse, Taylor - 1994-ben fizikai Nobel-d´ıj • – PSR 1913-16 pulz´ar egy neutroncsillag kett˝ os, amely egyik tagja periodikus r´adiojelet sug´aroz egy keskeny cs´ ov´aban
Forr´as: Wikipedia ´es www.astroblogs.nl Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
5 / 12
K¨ozvetett bizony´ıt´ek - Hulse, Taylor - 1994-ben fizikai Nobel-d´ıj • – PSR 1913-16 pulz´ar egy neutroncsillag kett˝ os, amely egyik tagja periodikus r´adiojelet sug´aroz egy keskeny cs´ ov´aban • – a rendszer gravit´aci´ os hull´amok kisug´arz´asa miatt energi´at vesz´ıt, ez´ert egyre k¨ ozelebb ker¨ ulnek egym´ashoz a tagok
Forr´as: Wikipedia ´es www.astroblogs.nl Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
5 / 12
K¨ozvetett bizony´ıt´ek - Hulse, Taylor - 1994-ben fizikai Nobel-d´ıj • – PSR 1913-16 pulz´ar egy neutroncsillag kett˝ os, amely egyik tagja periodikus r´adiojelet sug´aroz egy keskeny cs´ ov´aban • – a rendszer gravit´aci´ os hull´amok kisug´arz´asa miatt energi´at vesz´ıt, ez´ert egyre k¨ ozelebb ker¨ ulnek egym´ashoz a tagok • – a detekt´alt cs´ ovajelek k¨ oz¨ ott eltelt id˝ onek n˝ onie kell Einstein elm´elete szerint
Forr´as: Wikipedia ´es www.astroblogs.nl Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
5 / 12
K¨ozvetett bizony´ıt´ek - Hulse, Taylor - 1994-ben fizikai Nobel-d´ıj • – PSR 1913-16 pulz´ar egy neutroncsillag kett˝ os, amely egyik tagja periodikus r´adiojelet sug´aroz egy keskeny cs´ ov´aban • – a rendszer gravit´aci´ os hull´amok kisug´arz´asa miatt energi´at vesz´ıt, ez´ert egyre k¨ ozelebb ker¨ ulnek egym´ashoz a tagok • – a detekt´alt cs´ ovajelek k¨ oz¨ ott eltelt id˝ onek n˝ onie kell Einstein elm´elete szerint • – a m´er´est 20 ´even kereszt¨ ul v´egezt´ek, ¨osszhang az elm´elettel Forr´as: Wikipedia ´es www.astroblogs.nl Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
5 / 12
K¨ozvetett bizony´ıt´ek - Hulse, Taylor - 1994-ben fizikai Nobel-d´ıj • – PSR 1913-16 pulz´ar egy neutroncsillag kett˝ os, amely egyik tagja periodikus r´adiojelet sug´aroz egy keskeny cs´ ov´aban • – a rendszer gravit´aci´ os hull´amok kisug´arz´asa miatt energi´at vesz´ıt, ez´ert egyre k¨ ozelebb ker¨ ulnek egym´ashoz a tagok • – a detekt´alt cs´ ovajelek k¨ oz¨ ott eltelt id˝ onek n˝ onie kell Einstein elm´elete szerint • – a m´er´est 20 ´even kereszt¨ ul v´egezt´ek, ¨osszhang az elm´elettel • – 1994-ben fizikai Nobel-d´ıj a gravit´aci´ os hull´amok k¨ ozvetett kimutat´as´a´ert Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
Forr´as: Wikipedia ´es www.astroblogs.nl 5 / 12
Hogyan deform´al´odik a t´erid˝o, ha gravit´aci´os hull´am halad rajta kereszt¨ul? • – egym´asra mer˝ oleges ir´anyokban a gravit´aci´ os hull´am okozta deform´aci´ ok el˝ ojele ellent´etes
• – a h = ∆l L mennyis´eg az Einstein-egyenletek alapj´an kisz´amolhat´ o, ´es ∼ 10−20 - nak ad´ odik
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
6 / 12
Nagyon kis t´avols´agok m´er´ese – Michelson-Morley interferom´eter Michelson–Morley, Forr´as: CalTech - LIGO
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
7 / 12
Nagyon kis t´avols´agok m´er´ese – Michelson-Morley interferom´eter Michelson–Morley, Forr´as: CalTech - LIGO Lehet-e abszol´ ut s¨ ot´et a fotodetektoron, ha a k´et hull´am ellenf´azisban van, avagy mennyire nulla a nulla? – Detekt´ al´ asi zaj!!
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
7 / 12
Nagyon kis t´avols´agok m´er´ese – Michelson-Morley interferom´eter Michelson–Morley, Forr´as: CalTech - LIGO Lehet-e abszol´ ut s¨ ot´et a fotodetektoron, ha a k´et hull´am ellenf´azisban van, avagy mennyire nulla a nulla? – Detekt´ al´ asi zaj!! • – az N0 id˝ oegys´eg alatt detekt´ a lt fotonok sz´ a ma - Poisson-eloszl´as´ u √ v´eletlen mennyis´eg - ∆N = N0 , ∆N - ki nem k¨ usz¨ ob¨ olhet˝ o statisztikus zaj a m´ ert jelen!! ∆N 1 =√ N0 N0
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
7 / 12
Nagyon kis t´avols´agok m´er´ese – Michelson-Morley interferom´eter Michelson–Morley, Forr´as: CalTech - LIGO Lehet-e abszol´ ut s¨ ot´et a fotodetektoron, ha a k´et hull´am ellenf´azisban van, avagy mennyire nulla a nulla? – Detekt´ al´ asi zaj!! • – az N0 id˝ oegys´eg alatt detekt´ a lt fotonok sz´ a ma - Poisson-eloszl´as´ u √ v´eletlen mennyis´eg - ∆N = N0 , ∆N - ki nem k¨ usz¨ ob¨ olhet˝ o statisztikus zaj a m´ ert jelen!! ∆N 1 =√ N0 N0 • – a detekt´al´asi zaj limit´alja leger˝ osebben az interferom´eter ´erz´ekenys´eg´et (legkisebb, m´eg a zaj felett kimutathat´ o ∆l L )
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
7 / 12
Nagyon kis t´avols´agok m´er´ese – Michelson-Morley interferom´eter Michelson–Morley, Forr´as: CalTech - LIGO Lehet-e abszol´ ut s¨ ot´et a fotodetektoron, ha a k´et hull´am ellenf´azisban van, avagy mennyire nulla a nulla? – Detekt´ al´ asi zaj!! • – az N0 id˝ oegys´eg alatt detekt´ a lt fotonok sz´ a ma - Poisson-eloszl´as´ u √ v´eletlen mennyis´eg - ∆N = N0 , ∆N - ki nem k¨ usz¨ ob¨ olhet˝ o statisztikus zaj a m´ ert jelen!! ∆N 1 =√ N0 N0 • – a detekt´al´asi zaj limit´alja leger˝ osebben az interferom´eter ´erz´ekenys´eg´et (legkisebb, m´eg a zaj felett kimutathat´ o ∆l L ) • – mW-os, µm-es l´ezer eset´eben egy m-es kar´ u Michelson interferom´eter ´erz´ekenys´ege 10−6 , ez messze elmarad a gravit´aci´ os hull´amok detekt´al´as´ahoz sz¨ uks´eges 10−20 − 10−23 ´erz´ekenys´egt˝ ol Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
7 / 12
aLIGO - Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
Forr´as: CalTech - LIGO
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
8 / 12
aLIGO - Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
Forr´as: CalTech - LIGO • – l´ezerteljes´ıtm´eny n¨ ovel´ese, Leff n¨ ovel´ese, kisziv´arg´ o f´enyintenzit´as visszanyer´ese stb. ∆l → ∼ 10−20 − 10−23 L Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
8 / 12
aLIGO - Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
Forr´as: CalTech - LIGO • – l´ezerteljes´ıtm´eny n¨ ovel´ese, Leff n¨ ovel´ese, kisziv´arg´ o f´enyintenzit´as visszanyer´ese stb. ∆l → ∼ 10−20 − 10−23 L • – akt´ıv szab´alyz´as, v´akuum - rendszer, szeizmikus lev´alaszt´as Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
8 / 12
Az els˝o ´eszlelt esem´eny – K´et fekete lyuk ¨osszeolvad´asa 250 ezer modellezett esem´ennyel val´ o, sz´am´ıt´ og´epes ¨ osszevet´es ut´an:
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
9 / 12
Az els˝o ´eszlelt esem´eny – K´et fekete lyuk ¨osszeolvad´asa 250 ezer modellezett esem´ennyel val´ o, sz´am´ıt´ og´epes ¨ osszevet´es ut´an: • – Fekete lyukak ¨ osszeolvad´asa, Forr´as: SXS-project
Forr´as: PRL 116, 061102 (2016)
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
9 / 12
Az els˝o ´eszlelt esem´eny – K´et fekete lyuk ¨osszeolvad´asa 250 ezer modellezett esem´ennyel val´ o, sz´am´ıt´ og´epes ¨ osszevet´es ut´an: • – Fekete lyukak ¨ osszeolvad´asa, Forr´as: SXS-project • – M1 = 36MN , M2 = 29MN , M1,2 = 62MN , ∆M = 3MN • – τ ∼ 200 ms, D ∼ 1, 3 · 109 f´eny´ev • – f = 35 − 500 Hz ∆tHL = 7 ms −21 • – hmax = ( ∆l L )max = 10
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
Forr´as: PRL 116, 061102 (2016)
2016. 4. 16
9 / 12
Az els˝o ´eszlelt esem´eny – K´et fekete lyuk ¨osszeolvad´asa 250 ezer modellezett esem´ennyel val´ o, sz´am´ıt´ og´epes ¨ osszevet´es ut´an: • – Fekete lyukak ¨ osszeolvad´asa, Forr´as: SXS-project • – M1 = 36MN , M2 = 29MN , M1,2 = 62MN , ∆M = 3MN • – τ ∼ 200 ms, D ∼ 1, 3 · 109 f´eny´ev • – f = 35 − 500 Hz ∆tHL = 7 ms −21 • – hmax = ( ∆l L )max = 10
Forr´as: PRL 116, 061102 (2016) Detekt´alt gravit´aci´ os hull´amok jeleinek megfelel˝ o ,,hamis” hangok! Forr´as: CalTech - LIGO Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
9 / 12
Mi´ert olyan jelent˝os ez a felfedez´es ´es a m¨og¨otte lev˝o m´er´esi m´odszer?
el˝ osz¨ or m´ert¨ uk ki a gravit´aci´ os hull´amok hat´as´at F¨old-i objektumra
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
10 / 12
Mi´ert olyan jelent˝os ez a felfedez´es ´es a m¨og¨otte lev˝o m´er´esi m´odszer?
el˝ osz¨ or m´ert¨ uk ki a gravit´aci´ os hull´amok hat´as´at F¨old-i objektumra bizony´ıt´ast nyert, hogy l´eteznek fekete lyuk kett˝ os¨ok, ´es a gravit´aci´ os hull´amok okozta energiavesztes´eg miatt ezek osszeolvadnak egy szimmetrikus fekete lyukk´a ¨
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
10 / 12
Mi´ert olyan jelent˝os ez a felfedez´es ´es a m¨og¨otte lev˝o m´er´esi m´odszer?
el˝ osz¨ or m´ert¨ uk ki a gravit´aci´ os hull´amok hat´as´at F¨old-i objektumra bizony´ıt´ast nyert, hogy l´eteznek fekete lyuk kett˝ os¨ok, ´es a gravit´aci´ os hull´amok okozta energiavesztes´eg miatt ezek osszeolvadnak egy szimmetrikus fekete lyukk´a ¨ az elektrom´agneses alap´ u megfigyel´es mellett, mintegy ¨otsz´az ´ev eltelte ut´an megjelent a gravit´aci´ os hull´am alap´ u csillag´aszat - m´ar nemcsak ,,l´atjuk”, de ,,halljuk” is a Vil´ag˝ urt
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
10 / 12
Tervek
´ abra: LISA - Laser Interferometer Space Antenna (L = 5 · 106 m, f = 0, 1 − 100 mHz), szuperneh´ez fekete lyuk kett˝ os¨ ok gravit´ aci´ os hull´ amai, ?2032?, Forr´ as: lisa.nasa.gov
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
11 / 12
Tervek
´ abra: LISA - Laser Interferometer Space Antenna (L = 5 · 106 m, f = 0, 1 − 100 mHz), szuperneh´ez fekete lyuk kett˝ os¨ ok gravit´ aci´ os hull´ amai, ?2032?, Forr´ as: lisa.nasa.gov
˝ • – az Osrobban´ askor keletkezett gravit´aci´ os hull´amok hat´asainak kimutat´asa a mikrohull´am´ u h´att´ersug´arz´asban Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
11 / 12
Tervek
´ abra: LISA - Laser Interferometer Space Antenna (L = 5 · 106 m, f = 0, 1 − 100 mHz), szuperneh´ez fekete lyuk kett˝ os¨ ok gravit´ aci´ os hull´ amai, ?2032?, Forr´ as: lisa.nasa.gov
˝ • – az Osrobban´ askor keletkezett gravit´aci´ os hull´amok hat´asainak kimutat´asa a mikrohull´am´ u h´att´ersug´arz´asban • – ... Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
11 / 12
K¨osz¨onj¨uk megtisztel˝o figyelm¨uket! Tov´abbi inform´aci´ ok: http://plazma.sze.hu/∼fizkem
Dr. Berta Mikl´ os: Gravit´ aci´ os hull´ amok
2016. 4. 16
12 / 12