Gravitációshullámok forrásai Kocsis Bence GALNUC ERC Starting Grant kutatócsoport 2015—2020 ELTE, Atomfizikai tanszék
GALNUC csoporttagok • posztdok: Yohai Meiron, Zacharias Roupas • phd: Gondán László • msc: Máthé Gergely, Takács Ádám Kollaborátorok: Scott Tremaine (IAS), Smadar Naoz (UCLA), Teruaki Suyama (Kyoto), ... 100 éves az általános relativitiáselmélet, NKE, Budapest, 2016.11.09.
Miller, Nature, 531, 40 (2016)
Az eddig bejelentett források • Advanced LIGO első észlelési szakasz (O1) – 2015 szeptember 12 – 2016 január 19
• 2 biztos detektálás – GW150914: 2015 szeptember 14 – GW151226: 2015 december 26 – Mindkettő > 5.3 sigma
• 1 alacsonyabb szignifikanciájú jel – LVT151012: 2015 október 12 – 87% eséllyel asztrofizikai eredetű
LSC+Virgo, PRL 116, 061102 (2016); LSC+Virgo, PRL 116, 241103 (2016); LSC+Virgo, PRL 116, arxiv:1606.04856
Az eddig bejelentett források
Gravitációshullám asztrofizika erős gravitáció
Relativitáselmélet ellenőrzése
Pop III csillag
Csillagfejlődés
GW terjedés GW kölcsönhatás anyaggal
Common envelope Teljesen konvektív masszív csillag
gravastar
Exotikus objektumok
féreglyuk
Sűrű rendszerek
tűzfal
Nagyskálás szerkezet
Hierarchikus struktúraképződés
gömbhalmazok nyílt halmazok galaxismagok
n-csillag, fekete lyuk ütközések n-csillag, fehér törpe struktúra
sötét anyag
Kozmológia standard szirénák (sötét energia)
Ősrobbanás
gamma felvillanás
Nagyenergiás asztrofizika
Grav hullám háttér
szupernova robbanás
pulzárok akkréciós fizika neutrínófizika
Nulladrendű kérdések • Milyen asztrofizikai folyamat hozta létre a megfigyelt fekete lyuk ütközést? – Hogyan keletkeznek ekkora fekete lyukak? – Hogyan formálódott a kettős? – Hogyan jutott el a kettős az ütközésig? – Hol keletkeznek a leggyakoribb források?
Egyik lehetőség: sűrű rendszerek Galaxismag • • • •
106 – 9 Msun szupermasszív fekete lyuk 106 – 9 csillag 104 – 7 naptömegű fekete lyuk Méret: 1 pc – 1 kpc
Gömbhalmaz • • • •
200 darab a Tejút galaxisban 104 – 6 csillag, 101 – 3 fekete lyuk Nincs központi fekete lyuk Méret: 1 pc – 10 pc
Galaxis és gömbhalmazok
Klasszikus gömbhalmaz dinamika Tripla szórás
kettős-szingli szórás
kettős-kettős szórás
• • • •
Kettősök keletkezhetnek Nehéz objektum kiüti a könnyűt Szoros kettős még szorosabb lesz Tág kettős még tágabb lesz (vagy akár felbomolhat)
• Tömegszegregáció • Magösszeomlás • Párolgás
GW források gömbhalmazokban 1. (Oleary, Meiron, Kocsis, 2016)
Nehéz objektumok gyakrabban ütköznek Össztömeg-tömegarány síkon megjósolhatjuk a várt ütközés-gyakoriságot gömbhalmazokban
GW források 2.-3.
Sűrű populáció
elhaladás
excentrikus ütközés kettős Kocsis, Gaspar, Marka 2006; O’Leary, Kocsis, Loeb 2009; Kocsis & Levin 2012
Fekete lyuk kettős + harmadik objektum
Kozai oszcilláció (excentricitás és inklináció)
Wen 2003; Antonini & Perets (2012); Naoz, Kocsis, Loeb, Yunes (2012), Bao-Minh, Naoz, Kocsis 2016
ütközés
GW befogódással keletkezett források galaxismagokban
Gondán, Kocsis, Raffai, Frei 2016
Excentricitás eloszlása
GW források aktív galaxismagban
Bartos+ 2016
A galaxisok 1%-ának a közepén nagy mennyiségű gáz van (aktív galaxismag). 13
GW források aktív galaxismagban <10Myr
Bartos+ 2016
Kettősök bevándorolnak a korongba…
15
GW források aktív galaxismagban <10Myr
<1Myr
Bartos+ 2016
…és azután gyorsan bespiráloznak a gáz kölcsönhatása miatt
16
GW források aktív galaxismagban <10Myr
<1Myr
Eseményráta: 1.2 Gpc^-3 yr^-1 13 esemény/év (LIGO)
Bartos, Kocsis, Haiman, Marka 2016
Fekete lyuk korongok Csillagok mozgása a galaxismagban: • szupermasszív fekete lyuk körül keringés • gömbszimmetrikus csillaghalmaz miatt precesszió csillag-orbit
Pályasíkok irányeloszlása gyorsan relaxálódik
Csillagpályák hosszútávú gravitációs kölcsönhatása
=
(Kocsis+Tremaine 2015, 2016, Roupas+Kocsis+Tremaine 2016)
Maximális entrópia:
• nehéz csillagok: nematikus fázis • könnyű csillagok: gömbszerű eloszlás • fekete lyuk korongok
Folyadékkristály molekulák közti kölcsönhatás
Sötét anyag fekete lyukakból áll? • Megfigyelés: • mikrolencsézés miatt M > 20 Msun, kettősök miatt M < 100 Msun kell • Háttérsugárzás (feltételezésekkel) kizár • Hány százaléka lehet a sötét anyagnak fekete lyuk? •
Bird et al. (2016); Sasaki, Suyama, Takahiro, Yokoyama (2016)
Kocsis, Suyama, Takahiro, Yokoyama 2016
Pop III csillagmaradványok? • Nehéz fekete lyukak • Ráta stimmel elméleti számolások alapján. (Kinugawa et al 2014)
Kinugawa, Kocsis, Nakano, Nakamura 2016
Ismétlődő gravitációshullám felvillanások
torb
tprec
Paraméter mérés: Gondán László, KB, Raffai Péter, Frei Zsolt Ismétlődő felvillanás
Végső Chirp
tperi
Első 3 elhaladás (34 másodperccel eltolva)
Utolsó 10 másodperc az ütk. előtt
GW visszhangok •
GW rays are deflected around supermassive black holes
•
Spectrum is the same GW echo
•
Echo amplitude depends on distance to SMBH and deflection angle
SMBH
GW amplitude
LIGO source
GW echo arrives in
Kocsis 2013
Deflection angle (deg)
További lehetőségek • Elektromágneses kvazár-kettősök optikai távcsövekkel (Kocsis, Frei, Haiman, Menou 2006, Kocsis, Haiman, Menou 2008, Haiman, Kocsis, Menou 2009; Graham+ 2016)
• Gázkorong detektálása gravitációs hullámokkal (Kocsis, Yunes, Loeb, Haiman 2011; Yunes, Kocsis, Loeb 2011)
• Hármasrendszerek detektálása (Kocsis 2013; Meiron, Kocsis, Loeb 2016) • Gravitációshullámok kölcsönhatása anyaggal – Kismértékű disszipáció infravörös jel (Kocsis+Loeb 2009) – Csillagrengések rezonáns gerjesztése gravitációshullám „napfogyatkozás” (Li, Kocsis, Loeb 2013; McKernan, Ford, Kocsis, Haiman, 2014)
