Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

[Michel Uphoff]

Hier een bijzonder mooie Nikhef animatie van de opbouw van de Virgo zwaartekrachtsgolvendetector:
 

[Professor Puntje]

De interstellaire ruimte is toch geen echt vacuüm? In dat geval zou licht er ook ietsjes trager doorheen moeten bewegen.

[Olof Bosma]

Dat zou wel mooi zijn, want dan hebben we tijd om de bron van gravitatiegolven ook visueel te vinden.

[Michel Uphoff]

Ja. Maar dat effect is bijna nihil over deze relatief korte afstand. Hier heb ik dat geschat. Het intergalactisch medium is ongekend ijl.

 

De vertraging van 1,7 seconden is veel te hoog om door dit effect veroorzaakt te kunnen zijn.

[Michel Uphoff]

Op 1 december werd in Maryland bekend gemaakt dat in de data van Ligo en Virgo na nauwgezet onderzoek nog eens vier detecties van zwaartekrachtgolven zijn vastgesteld, waarmee het totale aantal bevestigde waarnemingen op 11 komt. De nieuwe waarnemingen betreffen alle vier samensmeltende zwarte gaten. Drie van deze vier zijn zowel door beide Ligo detectoren als die van Virgo waargenomen.
 
Hier een overzicht van alle 11 waarnemingen:

11 GW detecties 4510 keer bekeken

vlnr: Nummer detectie, massa component 1 en 2, massa na samensmelting, massa-equivalent uitgestraalde zwaartekrachtsenergie, afstand uitgedrukt in z, richtingsnauwkeurigheid in vierkante graden. Alle massa's zijn uitgedrukt in Zonmassa's. Bron: Ligo/Virgo. Klik voor vergroting.
 
Onder de nieuwe ontdekkingen is GW170729, de zwaarste en verste merger van black holes tot op heden. De afstand bedraagt bij roodverschuiving z=0.48 ongeveer 5 miljard lichtjaar; twee zwarte gaten van 50,6 en 34,3 zonmassa's smolten dus 5 miljard jaar geleden samen tot een nieuw zwart gat van 80,3 zonmassa's, waarbij het energie-equivalent van bijna 5 zonmassa's omgezet werd in rimpelingen van de ruimtetijd zelf.
 
Naast deze voldoende zekere detecties zijn er nog 14 andere gevonden, maar de onnauwkeurigheid en de ruis waren te groot om ze als ontdekking te kunnen boekstaven. Al met al zijn er in de ruwweg 12 maanden dat Ligo en/of Virgo in gebruik waren 11 detecties geweest. Opvallend is dat de Virgo detector, die slechts 1 maand operationeel is geweest, in deze korte tijdspanne aan vijf van de elf waarnemingen heeft bijgedragen.
 
Naast GRW170817 (die van de fusie van twee neutronensterren met optische opvolging, zie eerdere berichten) valt ook GRW170818, een dag later op. De locatie aan de hemel is omdat ze door de drie instrumenten tezamen werd waargenomen erg nauwkeurig bekend, ergens in een gebied van slechts 39 vierkante graden, ongeveer 1/1000 deel van het firmament.
 
Op dit moment zijn zowel beide Ligo en de Virgo detector niet in gebruik omdat er verbeteringen aan de observatoria worden aangebracht. In het komende voorjaar zullen ze alle drie, mogelijk aangevuld met het Karga observatorium in Japan, weer operationeel zijn. De verwachting is dat het aantal ontdekkingen van zwaartekrachtgolven vanaf dat moment sterk zal stijgen.
 
In deze bijlagen de betreffende wetenschappelijke papers:

A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers

(8.74 MiB) 269 keer gedownload

Binary Black Hole Population Properties Inferred from the First and Second Observing Runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo

(4.78 MiB) 190 keer gedownload

[Gast]

De amplitude van de verstoring neemt dus kwadratisch af met de afstand: omgekeerde kwadratenwet
 

 
Kleine correctie: de amplitude neemt lineair met de afstand af; de energie inderdaad kwadratisch.

Maar dit begrijp ik niet. Of ik vind het een beetje dubbel .. oid.

Ik begrijp dat als je een EM golf van bijv. de zon als een bolvormige golf beschouwd .. dat de "totale amplitude" of de energiedichtheid kleiner wordt naarmate de afstand groter wordt.
Maar beschouw ik nu een individuele foton (als golf (of als pilot wave .. wie weet)), geldt E=hf. h is een constante en f verandert niet wanneer de uitdijing van het heelal buiten beschouwing gelaten wordt. En dan zegt de wet van behoud van energie toch dat de amplitude van de golf gelijk blijft?

Dus neig ik te zeggen dat de hoeveelheid fotonen afneemt naarmate de afstand groter wordt ipv dat de amplitude afneemt. Of zie ik iets verkeerd?

En dit geldt dan weer niet voor zwaartekrachtsgolven lijkt mij. Ik las dat een bolvormige golf alleen vanuit een punt (point source) kan komen (?) .. toch lijkt mij gravitatiegolven toch zeker een .. spherical wave propagation hebben. (Iig heeft het geen bron waarin gravitonen in alle richtingen uitgezonden worden.) Right?

[Xilvo]

De energie van een trilling is evenredig met het kwadraat van de amplitude.
Daarom neemt de amplitude lineair af met de afstand als de energie kwadratisch afneemt.

[Gast]

De energie van een trilling is evenredig met het kwadraat van de amplitude.
Daarom neemt de amplitude lineair af met de afstand als de energie kwadratisch afneemt.

Maar voor een enkele foton, als golf, neemt de amplitude toch nooit af?

[Xilvo]

Voor een enkel foton heb je het over de amplitude van de waarschijnlijkheidsgolf. De integraal over het kwadraat daarvan is genormeerd op één, de kans dat je een foton ergens aantreft.

[Gast]

Dus het klopt niet als ik zeg dat het aantal fotonen afneemt naarmate de afstand groter wordt? (Ik meen dat ik dat ergens gelezen heb.)

Weet je misschien waar ik goede informatie hierover kan vinden?

Tia.

[Xilvo]

Dat hangt er vanaf wat je precies bedoelt.
Als je voor het gemak monochromatisch licht neemt, dan heeft ieder foton een vaste energie.
Als je die fotonen over een steeds grotere bolschil verdeelt (licht breidt zich bolvormig uit vanuit een 'puntbron' als een ster), dan neemt het aantal fotonen per oppervlakte-eenheid kwadratisch af met de afstand, net als de energie.

Het totale aantal fotonen neemt niet af, tenzij er onderweg fotonen geabsorbeerd worden.

[Olof Bosma]

Fotonen zijn niet onderhevig aan het uitsluitingsprincipe van Pauli, en daardoor kunnen er veel fotonen op dezelfde plaats zitten. Dat heeft tot gevolg dat vlak bij een monochromatische lichtbron de amplitude door het grote aantal fotonen groot is per oppervlakte eenheid en de amplitude - praktisch continue - lineair met de afstand kleiner wordt door het afnemen van het aantal fotonen per oppervlakte eenheid.
Op hele grote afstand van die lichtbron zijn de fotonen echter zover uitgewaaierd dat de amplitude niet meer afneemt; alleen de kans dat je een foton treft neemt af.
Daartussen in heerst de situatie dat bij hele kleine amplitude deze nog steeds lineair met de afstand afneemt, maar wel korrelig, doordat de stappen relatief steeds groter worden wanneer er telkens een foton minder is.

[Gast]

Maar is het niet zo dat sterren niet echt een golfpatroon uitstralen? Is dit niet een model voor berekeningen?

Ik heb me hier nooit in verdiept, dus excusez moi als het wat dom overkomt.

Maar als ik het me zo voorstel dan is er rond een ster één grote zee van EM straling, van uitgezonden fotonen in alle richtingen en in alle 360 graden rondom hun radiale assen en van het gehele EM spectrum.

Dus vind ik het moeilijk daar een (sinus)golf in te vinden. Want uhm .. ik vind het moeilijk te verwoorden wat ik me voorstel .. maar dan heerst er constant een piek in de sinusgolf (vanwege al die golven bij mekaar) .. en is/staat de amplitude constant op maximaal. (Ik weet dat dit niet juiste vertaald is, maar ik hoop dat het begrepen wordt.)

En dan op een heel verre afstand van de ster begint de golf niet "constant op maximaal te staan", maar krijgt de golf dalen. En uiteindelijk bij individuele fotonen de bekende afbeelding van een lichtgolf; een sinus in het EM veld. Is dit een beetje een juiste voorstellen van EM straling van sterren?

En zo ja, dan is dit totaal anders dan zwaartekrachtsgolven/zwaartekracht radiatie, toch?

[Xilvo]

Om een ster (of een lamp, dat maakt geen verschil) heb je EM-straling met veel verschillende frequenties (o.a. frequenties waar ogen gevoelig voor zijn, 'licht').

Die zijn willekeurig verdeeld en vormen een chaotisch patroon wat betreft amplitude.
Niet anders dan bij geluid als er ruis is.

Daar is misschien op het oog lastig een sinus in te herkennen maar met bijvoorbeeld Fourieranalyse is de amplitude en fase van iedere sinus van een bepaalde frequentie te vinden.

[Michel Uphoff]

Niet anders dan bij geluid als er ruis is.

Precies, en bij zwaartekrachtgolven is dat hetzelfde: Veel ruis (talloze kleine bijdragen van even zo veel bronnen) met af en toe op de voorgrond een hard geluid (de frequentiesweep van een samensmelting met een black hole bijvoorbeeld).
Het is juist die ruis die er voor zorgt dat de detectie van die toch zeer zwakke gravitatiegolven zo lastig is. Dat probleem is in voorgaande berichten ruimschoots de revue gepasseerd.