Fråga: Avböjs gravitationsvågor i ett gravitationsfält? I så fall borde gravitationen kröka sig runt ett svart hål tills gravitationan kollapsar in i det svarta hålet och skapar ett "vitt" hål, ett område utan gravitation. /Göran H
Svar: Ja, gravitationsvågor innehåller energi - annars skulle vi inte kunna detektera dem. Man har detekterat ett antal händelser där kompakta objekt (neutronstjärnor, svarta hål) slås samman. Fråga 20117 behandlar detta i detalj.
Förståelsen av processen är god, men den fullständiga beskrivningen - en sammanslagning av kvantmekanik och allmän relativitetsteori - saknas än så länge.
Vad gäller vita hål så är det tveksamt om de existerar, se Wikipedia-artikeln Vitt_hål . /Peter E
Fråga: Jag hittade följande omfattande material om LIGO och Virgo då jag letade efter tidsskillnader LIGO1, LIGO2 och VIRGO med hänsyn till att jag inte förstår riktning mot uppmätta händelser kan avgöras,
A primer on LIGO and Virgo gravitational wave detection
Jo van den Brand, Nikhef and VU University Amsterdam, Maastricht University, jo@nikhef.nl
CERN Academic Lectures, Geneva, October 9-11, 2019
Googlade - gravitational waves vs photon impulse
Då jag förstod att om så stora massor snurrar så fort så kan det finnas en möjligt samband mellan foton impulse och gravitationsvågor.
Hittade följande pdf som tycks diskutera frågan,
Electromagnetic radiation
accompanying gravitational waves
from black hole binaries
A. Dolgov, a,b and K. Postnov c,d
Novosibirsk State University, 630090 Novosibirsk, Russia
Varför ställer jag "underförstått" dessa två frågor?
Jo, för jag har liten chans att avgöra gränserna i informationsdjupen och tycker mig behöva några råd.
Även gärna svar på frågorna.
Med vänlig hälsning
Mikael H /Mikael H, Västerås
Svar: För varje nobelpris skrivs flera dokument (avancerade och populärvetenskapliga) av mycket hög kvalité. Länkar till dokumentationen om påvisandet av gravitationsvågor finns här: Gravitationsvågor . Upptäckten beskrivs i fråga 20117 .
Dokumenten du refererar till (nedan) är ganska avancerade. Den om gamma-bursts är en mycket krävande teoretisk artikel, medan dokumentet om riktningsbestämning (overhead från föreläsningar, alltså mycket kortfattat) är lite mer överkomligt.
Din referens är länk 1 och länk 2 nedan. Jag kan inte hitta någon beskrivning där av hur man bestämmer riktningen.
Detektorerna man använder är inte känsliga för vilken riktning gravitationsvågen kommer ifrån. Bland annat därför använder man flera detektorer i koincidens.
Genom att mäta tidsdifferenser mellan gravitationsvågornas ankomsttid till två detektorer (för GW150914 ungefär 7 ms) kan man begränsa riktningen till en cirkelbåge på himlen. På grund av osäkerheten i tidsbestämningen har cirkelbågarna en viss bredd. Med flera detektorer lämpligt positionerade kan man få ett hyggligt värde på positionen som skärningspunkten på flera cirkelbågar. Positionen har emellertid ganska stor osäkerhet eftersom gravitationsvågorna har ganska stor våglängd.
Gamma burst från sammanslagna kompakta objekt
Din referens är: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2017/09/018
Strax före sammanslagningen av två kompakta objekt har de en mycket hög hastighet - över halva ljushastigheten. Om de stöter på materia kommer kollisionen att jonisera materian. Laddade partiklar som kolliderar ger upphov till gammastrålning som detekteras med det rymdbaserade gammateleskopet Fermi. Man väntar sig att kollisioner mellan neutronstjärnor kan ge upphov till gamma bursts medan kollisioner mellan två svarta hål inte skapar gamma bursts eftersom fri materia troligtvis saknas - den har "ätits" upp av de svarta hålen väl före sammanslagningen.
Fråga: Hej!
Gravitationsstrålning, finns någon formel för dess strålning? (Elektromagnetisk strålning ha ju E = hf, men hur ser det ut för gravitaitonsstrålningen?) /Thomas Å, Knivsta
Svar: Nej, det finns ingen enkel formel.
Gravitationsvågor är en deformation i rum-tiden (se fråga 20117 ) som bildas av accelererade massor, se animeringen nedan.
Beskrivningen av gravitationsvågor kräver hela tensor-apparaten i den allmänna relativitetsteorin.
En tensor är ett matematiskt objekt som är en generalisering av begreppen skalär, vektor och linjär operator. Tensorer är betydelsefulla inom differentialgeometri, fysik och teknik. ... Einsteins allmänna relativitetsteori, utvecklad under 1910-talet, formuleras med hjälp av tensornotation, (Tensor ) Gravitationsvåg
Fråga: Hej!
Ljus sänt mot jorden från andra galaxer rödförskjuts eller blåförskjuts beroende på rörelsen från eller mot oss.
Vad gäller då för gravitationsvågor/gravitation? Finns det samma fenomen inom gravitationen, dvs att någon typ av frekvens ändras? Finns det inom gravitationsvågorna noterat någon form av interferens? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Ja, eftersom gravitationsvågor är vågrörelser som rör sig med ljushastigheten påverkas frekvensen av dopplereffekten på samma sätt som ljus. När man försöker detektera gravitationsvågor från enkla neutronstjärnor måste man ta hänsyn till jordens rörelse, se Gravitational_wave#Einstein@Home
Ja, som vågrörelse kan naturligtvis flera sammanfallande gravitationsvågor interferera, men jag tror vi är långt ifrån att detektera detta.
Se även Mark Bartons svar i länk 1 och länk 2. /Peter E
Fråga: Enligt dagens forskare uppstod universum genom Big Bang. Att observera avlägsna objekt i rymden är att se bakåt i tiden. Skulle man kunna se Big Bang då? Kan ni förklara och upplysa/motivera förklaringen. /Chris B, Jensen, Stockholm
Svar: Jag vet inte om man kan komma hela vägen till big bang, men säkert en bit på vägen.
Den viktigaste budbäraren för astrofysik och kosmologi är elektromagnetisk strålning. Man har lyckats observera struktur från tidpunkten då den elektromagnetiska strålningen frikopplades från materien genom att mäta 3K mikrovågsstrålning. Detta ger en bild av universum 380000 år efter big bang, se fråga 705 , 19032 och 20668 .
För att komma vidare måste man använda en annan budbärare, t.ex. gravitationsvågor. Eventuellt öppnar studiet av gravitationsvågor ett nytt fönster för kosmologiska studier.
Med gravitationsvågor hoppas man kunna observera effekter av den kosmologiska inflationen (fråga 17472 ) och fasövergångar17472 .
Se fråga 20117 och (tyvärr en feltolkning av data) fråga 19356 .
En annan möjlighet är att använda icke relativistiska neutriner. Dessa frikopplades från annan materia ungefär en sekund efter big bang. Det kommer emellertid av vara mycket svårt att detektera dessa mycket lågenergetiska neutriner.
Fråga: Hej!
Gravitationsvågor är ju nu, 2019, observerade några gånger. Tydligen är de observerade svängningarna i rummet med en amplitud på bråkdelar av en protons storlek. Närmare källan är amplituden större. Om man hade varit på ett avstånd från källan där amplituden var exempelvis en meter, vad hade då hänt? Hade jorden då våldsamt skakat fram och tillbaka en meter på bråkdelar av en sekund? Skakar världar, stjärnor och planeter, helt enkelt sönder på tillräckligt små avstånd? Om jag fattat rätt var den första observationen av två svarta hål som sammansmälte av två sådana med massor på ungefär 30 solmassor. På vilket avstånd från händelsen hade man med sina sinnen kunnat känna detta?
Med vänliga hälsningar
Lasse /Lasse J, Göteborg
Svar: I länk 1 finns lite bra funderingar om detta.
För det första så avtar energin som observeras med kvadraten på avståndet, dvs 1/r2. Amplituden (i meter), som är det som observeras med LIGO (se fråga 20117 ), avtar emellertid som 1/r. Avståndet till denna första observerade sammansmältning av två svarta hål uppskattades till 1.3 Gly (1.3 miljarder ljusår).
Om händelsen inträffat på avståndet 1.3 ly (närmare än den närmaste stjärnan, solen undantagen) hade den observerade amplituden varit 109 gånger större är den observerade 10-21 dvs 10-12. Med armlängden 4000 m hos LIGO motsvarar detta 4 nm.
Effekten är alltså mycket liten även på något ljusårs avstånd. Jorden skulle knappast kastas ut ur sin bana eller utsättas för mycket stora tidvattenkrafter. Så inte ens på mycket mindre avstånd behöver man oroa sig för gravitationsvågorna. Dessutom är sammansmältande svarta hål mycket ovanliga. /Peter E
Fråga: Hej!
Gravitationsvågorna som Nobelpriset i år belönar upptäckten/verifikationen av utsändes för rätt länge sedan, miljarder år sedan. Universum bör ha varit mindre dåförtiden och glesare i dag. Betyder det att mängden svarta-hålkollisioner kommer att bli färre framdeles? Det måste ju vara allt glesare mellan hålen. /Thomas Å, Knivsta
Svar: Se fråga 20117 för information om den första detektionen av gravitationsvågor.
Det är klart att det blir glesare med dubbla svarta hål. Men tidsskalan är miljarder år, så det är inget vi kan observera. Antalet svarta-hålkollisioner beror nog mer på stjärnbildningen. Många nya stjärnor (speciellt tunga sådana) ger många svarta hål, och en del av dessa är dubbla svarta hål som med tiden slås ihop.
Man har nu efter 2 år med gravitationsvågsdetektorer identifierat 6 fall av kollisioner, se länk 1. Detta låter mycket, men man skall observera att sannolikheten för detektion är mycket hög -- man behöver t.ex. inte rikta detektorn åt ett visst håll. Man kan även detektera kollisioner på mycket stora avstånd (över 1 miljard ljusår), så man övervakar mycket stora volymer av rymden. /Peter E
Ursprunglig fråga: Vad tror du om rapporten om att man observerat gravitationsstrålning? Nobelpris eller misstag? /Sven P
Svar: Nobelpris i fysik 2017 Gravitationsvågor (både den populära och den avancerade artikeln är utomordentligt välskrivnen)
Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne "för avgörande bidrag till LIGO-detektorn och observationen av gravitationsvågor"
Gravitationsvågor är inom fysiken krusningar i krökningen av rumtiden som propagerar som vågor som rör sig ut från källan. Fenomenet förutspåddes 1916 av Albert Einstein baserad på hans allmänna relativitetsteori, som säger att gravitationsvågor transporterar energi som gravitationsstrålning.
Data och analys ser mycket övertygande ut. En oberoende observation krävs nog för nobelpris, men med det är det ett kassaskåpssäkert nobelpris. Vilka av c:a 1000 författare som får det är en svårare fråga. Knappast Abbot som står först på bästa bokstavsordning.
Det finns flera skäl till att detta är en mycket viktig upptäckt:
Ännu ett bevis för att den allmänna relativitetsteorin är korrekt - exakt 100 år efter Einsteins publikation
Öppnar ett nytt fönster för observationer av universum
Det hittills mest direkta beviset för att svarta hål med en massa av storleksordningen tiotals solmassor existerar
Ger information om den senare utvecklingen hos massiva stjärnor
Gravitationsvågor har observerats i två detektorsystem: Hanford i Washington State (H1) och Livingstone i Louisiana (L1). Avståndet mellan dessa är c:a 3000 km, så den maximala skillnaden i ankomstid till detektorerna är 10 ms.
Fördelen med flera detektorer långt ifrån varandra är dels att man kan eliminera lokala störningar och dels att man kan lokalisera källan. Med fler detektorsystem (som är på gång) kan man lokalisera källan mer exakt. Man kan då leta efter signaler i t.ex. röntgen, gamma eller det synliga området av det elektromagnetiska spektrum.
Detektorerna består av en laser-interferometer med 4 km långa ben i 90 graders vinkel mot varandra. Idén är att gravitationsvågona påverkar benen olika vilket detekteras genom interferens vid startpunkten.
Händelsen med det lite fantasilösa namnet GW150914 (gravitational wave 14/9 2015) tolkas som en sammansslagning mellan två svarta hål. Detta är nog den mest våldsamma händelse vi kan observera i universum. Energin i gravitationsvågorna är 3 solmassor dvs
E = mc2 = 2*1030*(3*108)2 = 1.8*1047 J
Detta var en av de händelser man hoppades kunna detektera, men man vet fortfarande inte hur vanliga dessa sammanslagningar mellan svarta hål är. Som hjälp i sökandet använder man simuleringar med den allmänna relativitetsteorin av svarta hål av olika storlek som slås ihop. Signalen man väntar sig visas näst längst ner i nedanstående bild. När hålen kommer nära varandra kommer de att sända ut mycket energi bland annat i form av gravitationsstrålning. De kommer då att spinna snabbare och snabbare runt varandra. Frekvensen ökar och amplituden ökar tills händelsehorisonterna överlappar och de båda svarta hålen blir ett. Hela processen tar c:a 0.2 sekunder.
Övre bilden visar data från GW150914. Den röda kurvan (från H1) har förskjutits 7 ms och inverterats. Man ser att det är en imponerande överensstämmelse med kurvan från L1-detektorn. Överensstämmelsen med de teoretiska beräkningarna är också mycket god. Man har även bestämt massorna av de två svarta hålen till 36 och 29 solmassor. Det resulterande svarta hålets massa bestämdes till 62 solmassor. De resterande 3 solmassorna blev alltså gravitationsstrålningen som observerades.
För att man skall vara säker på att de som analyserar data gör ett bra jobb lägger man in testdata i smyg:
"In the past, a few senior members of the LIGO team have tested the group's ability to validate a potential discovery by secretly inserting ‘blind injections’ of fake gravitational waves into the data stream to test whether the research team can differentiate between real and fake signals. But the September detection happened before blind injections were being made, so it is thought to be a signal from a real astrophysical phenomenon in the Universe."
Bilder från föredrag av Chris Van Den Broeck: The direct detection of gravitational waves:
The first discovery, and what the future might bring
http://indico.lucas.lu.se/getFile.py/access?resId=0&materialId=slides&confId=333
Tillägg 16 okt. 2017
"The merging of two neutron stars was detected by gravitational waves and then by telescopes in all parts of the electromagnetic spectrum."
Fråga: Vad händer om två svarta hål ligger i omloppsbana kring varandra så pass när att deras respektive händelsehorisonter skär varandra?
Om vi för enkelhetens skull antar att de svarta hålen har samma massa. Då borde det som finns mitt mellan dem utsättas för en resulterande gravitationskraft som är noll.
Om hålen inte är allt för nära varandra så borde deras händelsehorisonter deformeras mellan dem.
Om de kommer tillräckligt nära varandra kan då händelsehorisonterna deformeras så kraftigt att singulariteterna i hålens centrumpunkter inte längre innesluts av händelsehorisonten? Borde i så fall singularitetens massa kastas ut med våldsam kraft och en stor del av den lämna systemet?
/Magnus B, Gävle
Svar: Detaljerna i sammanslagningen är komplicerade och beror av många parametrar. Klart är att två svarta hål i bana kring varandra kommer att sända ut gravitationsvågor, dvs förlora energi och därmed komma närmare varandra (se det etablerade exemplet med två neutronstjärnor i bana kring varandra i fråga 473 ).
När de svarta hålen slås ihop frigörs enorma energimängder i form av gammastrålning och även gravitationsstrålning. Se nedanstående video om kolliderande svarta hål.
Fråga: Med vilken hastighet expanderar de "yttersta" delarna av universum? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej!
Universum utvidgas enligt gällande modell.
Med vilken hastighet sker det i de "yttersta" delarna?
Pågår inflation därborta fortfarande eller var det något som bara ägde rum strax efter Stora Smällen? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Standardsvaret om delar av universum expanderar med en hastighet överstigande ljushastigheten är ja, men man skall ha klart för sig att man kan definiera hastigheter och avstånd på flera sätt, se Faster-than-light#Universal_expansion .
Låt oss passa på tillfället att ta upp annonseringen i går (17/3/2014) att man fått direkta stöd för inflationsteorin och att man har fått fram indikationer på gravitationsstrålning, se pressmeddelandet under länk 1.
Ett par citat ur pressmeddelandet:
Researchers from the BICEP2 collaboration today announced the first direct evidence for this cosmic inflation. Their data also represent the first images of gravitational waves, or ripples in space-time. These waves have been described as the "first tremors of the Big Bang." Finally, the data confirm a deep connection between quantum mechanics and general relativity.
"This has been like looking for a needle in a haystack, but instead we found a crowbar," said co-leader Clem Pryke (University of Minnesota).
When asked to comment on the implications of this discovery, Harvard theorist Avi Loeb said, "This work offers new insights into some of our most basic questions: Why do we exist? How did the universe begin? These results are not only a smoking gun for inflation, they also tell us when inflation took place and how powerful the process was."
Båda dessa upptäcker (inflation och gravitationsvågor) är, om de bekräftas, av nobelprisklass. Vad man gjort är att man har mätt cirkulärpolarisationen av den kosmiska bakgrundsstrålningen (se nedanstående bild) med ett teleskop (BICEP2) på sydpolen. Placeringen på sydpolen är för att undvika att mikrovågsstrålningen absorberas av vattenånga. Sydpolen är den bästa platsen för detta eftersom den befinner sig på 3000 m:s höjd i jordens torraste öken.
Se dock nedanstående där man tyvärr tvingas erkänna fel i tolkningen av data:
http://sverigesradio.se/sida/artikel.aspx?programid=415&artikel=5976181
http://www.svt.se/nyheter/vetenskap/beviset-for-universums-fodelse-minst-halften-var-damm
... och guldet blev till damm?
Fråga: Kommer jorden "krascha" in i solen någon gång på grund av gravitationsstrålning? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej! När något accelererar sänder föremålet ut energi i form av strålning vilket sänker dess rörelseenergi. När jorden kretsar runt solen verkar centripetalaccelerationen. Får jorden lägre rörelseenergi? Kommer jorden "krascha" in i solen någon gång på grund av detta? Om inte, vad håller den på sin plats? /David K, Katedralskolan, Uppsala
Svar: David! Om en elektriskt laddad kropp accelereras sänds det ut elektromagnetisk strålning. Denna kallas ofta för bromsstrålning.
En kropp med massa (t.ex. en planet som går runt solen) som accelereras sänder ut gravitationsstrålning. Denna innehåller energi, så systemet förlorar energi. För "normala" system som planetsystem och galaxer är emellertid den utsända effekten mycket liten. Effekten ges av uttrycket i Gravitational_radiation#Power_radiated_by_orbiting_bodies , se bilden nedan. Observera att den lilla gravitationskonstanten finns som G4 i täljaren och den stora ljushastigheten som c5 i nämnaren. Det är detta som gör effekten så liten.
Jorden förlorar mycket riktigt energi genom gravitationsstrålning och närmar sig därmed solen, men effekten är helt försumbar. Man får gå till mycket speciella system, som dubbelpulsarer och svarta hål, för att kunna observera en effekt. Se vidare fråga 473 .
Fråga: Hej!
Diametern på det synliga universum har angivits till 93 miljarder ljusår. Universums ålder anges till c:a 13,8 miljarer år. Om universum utvidgats med ljushastigheten borde storleken väl vara c:a 13 miljarder ljuår "i radie", dvs det dubbla i diameter. Diskrepansen är rätt stor. är orsakentill den den s k inflationen, som anses ha skett strax efter begynnelsen? Hur länge pågick inflationen, vad orsakade den (=hur kom den till) och vilken var dess hastighet -den tycks ju ha gått fortare än ljuset!-? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Hej Thomas! Var har du fått 93 miljarder år från (se dock Observable_universe#Size )? Om universum är 14 miljarder år gammalt så är diametern hos det synliga universum definitionsvis 28 miljarder ljusår. Hur stort "hela" universum är vet vi helt enkelt inte, det kan vara oändligt stort. Se fråga 6116 .
Inflation är att universum under någon bråkdels sekund nästan direkt efter big bang expanderade extremt fort - storleken beräknas ha ökat ungefär 1028 gånger, se Inflation_(cosmology) .
Expansionen vid inflationen var mycket kortvarig omkring 10-38 s.
Inflationsperioden var mycket kortvarig från 10−36 sekunder efter Big Bang till mellan 10−33 och 10−32 sekunder efter Big Bang.
Inflationen skedde med en hastighet som översteg ljushastigheten. Orsaken kan vara en fasförändring (som frigjorde energi) då den starka (färg)kraften skildes från den elektrosvaga, se fråga 1496 . Se länk 1. De flesta kosmologer anser att inflationen som sådan är väl etablerad. Tidpunkterna är emellertid osäkra - vi har inga observationer från så nära Big Bang. Det finns förhoppningar att detta kan ändras med utvecklandet av mer känsliga gravitationsvågsdetektorer.
Bilden nedan av de fyra olika kraftverkningarna är från länk 1. I standardmodellen finns fyra kraftverkningar:
Dessa kraftverkningar var vid big bang förenade i en kraft. Efter hand har ur-kraften separerats till fyra olika krafter. Kärnkraften (som håller ihop protoner och neutroner i atomkärnan) är inte en separat kraft utan en yttring av den starka färgkraften.
Fråga: Har man observerat gravitationsvågor? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej, jag har förstått att LIGO är ett projekt med syftet att detektera gravitationsvågor, men när blir en observation lyckad? Vad är det exakt man vill ska hända som man sedan kan använda som ett bevis för gravitationsvågorna?
/Linda J, Jensen, Göteborg
Svar: Linda! Mycket bra fråga! Vi har hört om detta experimentet under mycket lång tid (c:a 20 år!), men än så länge utan några klara positiva resultat. Så långt kan vi nog vara säkra för om gravitationsvågor skulle påvisas skulle det säkert ge ett nobelpris.
Indirekt har man redan påvisat graviationsvågor eftersom man har kunnat observera att energi försvinner från ett system av två neutronstjärnor, se fråga 473 nedan.
Att direkt observera gravitationsvågor är alltså den primära avsikten, men än så länge har man bara övre gränser, dvs gravitationsvågorna är mindre än detektionsgränsen för apparaten.
LIGO-systemen (man måste ha flera på olika platser för att kunna eliminera lokala störningar) består av två massklumpar i ytterkanterna på ett L där skänklarna är 4 km långa. Med hjälp av laserstrålar och interferens mäter man positionen av massklumparna med en precision på 10-18 m, dvs en tusendel av protonens storlek. Experimenten och uppställningen beskrivs bra och ganska detaljerat i LIGO och nedanstående videor:
Man har alltså genomfört några element, bland annat har man sökt efter gravitationsvågor från en ung pulsar - krabbnebulosa-pulsaren. Ett pressmeddelande (länk 1) säger följande:
LIGO has evolved over many years to its present capability to produce scientific results of real significance," says Jay Marx of the California Institute of Technology, LIGO's executive director. "The limit on the Crab Pulsar's emission of gravitational waves is but one of a number of important results obtained from LIGO's recent two-year observing period. These results only serve to further our anticipation for the spectacular science that will come from LIGO in the coming years.
LIGO-projektet är alltså ett mycket omfattande och långsiktigt projekt. När man väl detekterat gravitionsvågor kommer man att fortsätta att använda LIGO som ett nytt och unikt verktyg för astronomiska studier, t.ex. av svarta hål och kanske även big bang. /Peter E
Ursprunglig fråga: Tja, jag läste att när en massiv stjärna dör och övergår till ett svarthål en s.k. supernova så kan energi skickas ut i form av gravitations vågor. ibland kan det röra sig om så mkt som 10^44 joule. Vart kommer denna energi ifrån är den totala massan mindre efter? /Karl J, Hjärteskolan, Trosa
Svar: Energin kommer från bindningenergin. En massa som faller ner i ett svart hål binds av gravitationsfältet på samma sätt som en elektron binds i en atom. Elektronen skickar ut ljus när den övergår till lägre tillstånd. Det kan även infallande materia i ett svart hål göra genom kollisioner och uppvärmning, men en massa som rör sig snabbt kan även sända ut gravitationsvågor .
Den energi som sänds ut som elektromagnetisk strålning eller gravitationsvågor är förlorad, så massan av det kompakta objektet minskar med detta belopp. Låt oss titta lite närmare på energiförhållandena.
Klassiskt (Newton) är flykthastigheten från en massa M med radien R är lika med ljushastigheten c när
R = RS = 2GM/c2
(flykthastigheten är v = (2GM/r)1/2, se fråga 3782 ).
Gravitationell bindningsenergi för en massa m vid ytan (kallas händelsehorisonten eller Schwarzschild-radien) av ett svart hål blir då
GMm/RS = mc2/2
vilket är exakt halva vilomassan mc2. Om man i stället använder den allmänna relativitetsteorin (vilket vi självklart måste göra) blir uttrycket för händelsehorisonten oförändrad men den gravitationella bindningsenergin blir lika med vilomassan mc2.
Hur skall vi tolka detta? Om vi låter en massa m falla ner i ett svart hål kan vi frigöra maximalt energin mc2/2. Resten kommer att försvinna som rödförskjutning. Ett svart hål är alltså en mycket effektiv energikälla - fusion frigör t.ex. bara någon procent av vilomassan. Detta är orsaken till att man tror att de mest energetiska objekten vi känner till, t.ex. kvasarer, är svarta hål. Om energin frigöres när massan är vid händelsehorisonten blir rödskiftet oändligt, och ingen energi slipper ut. Om vi emellertid låter energin stråla ut när massan är på väg ner, så kan en del av energin slippa ut - maximalt mc2/2.
Länk 1 innehåller information från en expert på området. Länk 2 är en användbar formelsamling för svarta hål. Se även Black_hole och Supermassive_black_hole . /Peter E
Fråga: Eftersom alla forskare numer är helt ense om att svarta hål existerar har jag en fråga rörande detta ämne.
Skulle det kunna ske och vad skulle i så fall hända om två svarta hål kom tillräckligt nära varandra för att det tyngre av dem skulle kunna suga ner det andra i sig självt? /Thomas L, Centralskolan, Laxå
Svar: Ett svart hål är en koncentration av massa med ett så starkt gravitationsfält att ingenting, inte ens ljuset, kan övervinna kroppens gravitation. Materia eller ljus som kommer in innanför det svarta hålets händelsehorisont förblir där och kan aldrig komma ut igen, förutom eventuellt oerhört långsamt i form av Hawkingstrålning (se fråga 6026 ).
Händelsehorisonten (Schwartzschild-radien) ges av
rS = 2GM/c2
där G är gravitationskonstanten, M är hålets massa och c är ljushastighen.
Det är helt riktigt att man numera är helt övertygad om att "svarta hål" existerar.
Om två kroppar (stjärnor, svarta hål, eller egentligen vilka som helst bara de har massa) kommer tillräckligt nära varandra för att gravitationen mellan dem inte är försumbar kommer de att börja röra sig i längs en bana kring sin gemensamma tyngdpunkt.
Einsteins allmänna relativitetsteori säger att om kropparna har mycket stor massa (som t.ex. svarta hål) kommer deras rotation att påverka rumstiden i deras närhet - den börjar "svänga", och vad vi kallar gravitationsvågor bildas. Gravitationsvågorna leder bort energi från systemet, vilket leder till att de svarta hålen kommer närmare och närmare varandra för varje varv de snurrar. Till slut möts de.
Exakt vad som händer när de två hålen möts är mycket svårt att säga - experterna kör komplicerade och tidskrävande datorsimuleringar för att ta reda på detta. Alla beräkningar är dock ense om att det dels bildas ett "nytt" och massivare svart hål, dels sänds en extremt kraftig gravitationsvåg ut.
Just nu jobbar flera forskargrupper runt om i världen på att konstruera jättelika detektorer för att kunna detektera gravitationsvågor. Ett sådant instrument kallas LIGO, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory - läs mer om detta under länk 1.
Även med "vanlig" astronomi har man gjort observationer av vad som med hög sannolikhet är följden av en kollision mellan två svarta hål, se bilden nedan (från länk 2) som är tagen med ett radioteleskop. Den lilla bilden i cirkeln visar galaxen NGC 326 som den såg ut innan hålen kolliderade - det svarta hål som befann sig i mitten av galaxen slungade ut strålning i två smala koner ("propellerbladen"). En senare mätning (stora bilden) visar att något drastiskt har skett - strålningen skickas nu ut i helt andra riktningar, eftersom det svarta hålets massa och riktningen på dess rotationsaxel har kraftigt ändrats.
Fråga: Läste en fråga någonstans som jag inte tyckte fick något
riktigt bra svar:
Då inte ens fotoner kan ta sig ur svarta hål, hur kommer det sig
att gravitoner kan göra det? /Ninus a, Österport, Ystad
Svar: Varken fotoner eller gravitoner kan ta sig ur ett svart hål. Däremot
påverkar ju det svarta hålet rummet omkring genom gravitationen.
Rumstiden blir krökt. Man kan säga att det krökta rummet kommunicerar
genom energikvanta som kallas gravitoner. Dessa kommer inte från det svarta
hålet. Dessa resonemang är helt teoretiska. Någon graviton har inte
påvisats.
En annan aspekt på problemet är att krafter som gravitation eller elektromagnetisk växelverkan förmedlas av virtuella kraftförmedlingspartiklar. Dessa hindras inte av händelsehorisonten för ett svart hål. Det är emellertid svårt att förstå bland annat eftersom vi ännu inte har en bra teori för kvantgravitation. Se vidare länk 1. /KS/lpe
Fråga: Hej!
Vad jag förstått är gravitation en direkt verkande kraft.
När gravitation verkar över stora avstånd tex i rymden tar
det då tid för gravitationen att nå fram, den har väl ingen
hastighet utan verkar direkt på alla kroppar. Om så är fallet
skulle man väl märka gravitationsstrålningen vid sammansmältandet
av neutronsjärnor innan man kan observera det (det tar tid för
ljuset att nå fram).
Om inte måste väl gravitationen också verka över tiden(ha en hastighet).
(Jag förstår inte riktigt skillnaden mellan gravitation och
gravitationsstrålning!)
Min fråga är verkar gravitationsstrålning över tiden (sen big bang brukar det stå), om den gör det har den en hastighet? /Jonas T, Hemskolan, Linöping
Svar: Gravitationsstrålningen spelar samma roll för gravitationen
som ljuset inom elektromagnetismen. I Einsteins allmänna
relativitetsteori går den med samma hastighet som ljuset,
men det finns andra teorier, där den är något långsammare.
Einsteins teori är ju väletablerad, så de flesta tror nog
att de går med ljusets hastighet. I så fall skulle
gravitationsstrålningen och ljuset nå oss samtidigt
från en kosmisk katastrof.
Fråga: Har man någonsin lyckats registrera en "gravitationsvåg"? Jag tycker att med denna massdilationsutbredning borde det även medfölja en tidsdilationsutbredning såväl som en längdkontraktionutbredning vilket enligt min åsikt skulle göra det omöjligt att registrera en sådan händelse. Allt enligt gängse formler inom relativitetsteorin. /
Svar: Nobelpris i fysik 1993 Gravitationsvågor
Russell A. Hulse, Joseph H. Taylor, Jr "for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation"
Man har ännu inte lyckats detektera någon gravitationsvåg och det kommer förmodligen att dröja ännu ett tag innan man har konstruerat en tillräckligt känslig detektor. Gravitationsvågor utsänds t ex av två stjärnor som cirkulerar runt varandra. Man har observerat att sådana system förlorar energi vilket tolkas som ett indirekt bevis för att dessa vågor existerar. Nobelpriset i fysik delades 1993 ut till forskare som studerat detta för neutronstjärnor, se nedanstående bild och The Nobel Prize in Physics - Laureates och The Binary Pulsar PSR 1913+16 .
Figuren nedan visar hur omloppstiden hos systemet PSR 1913+16 minskar (punkter med felstaplar). Den heldragna linjen är förutsägelsen från den allmänna relativitetsteorin. Överensstämmelsen och avsaknaden av en alternativ modell som kan förklara vart den förlorade energin tar vägen är alltså ett mycket starkt indirekt bevis för att gravitationsvågor existerar.
Läs: I Svenska fysikersamfundets årsbok "Kosmos" från år 1994 finns en beskrivning av den forskning som ledde till de med Nobelpriset belönade upptäckterna. Speciellt starka gravitationsvågor kommer från supernovaexplosioner eller då två svarta hål kolliderar. Även när de stora svarta hål, som troligtvis finns i centrum av de flesta galaxer, "glufsar i sig" tunga stjärnor så får man gravitationsvågor med stor amplitud. Vad är en gravitationsvåg? Enligt Einstein är den fyrdimensionella rum-tiden krökt. För närmare diskussion av detta se tidigare svar! En gravitationsvåg är en störning i krökningen som utbreder sig. Där vi befinner oss så är rum-tiden nästan helt plan. När en gravitationsvåg kommer så förändras krökningen momentant, ungefär som krökningen på vattenytan ändras när en våg passerar. Detta leder till att kroppar drar ihop sig eller sträcker ut sig. I en detektor för sådana vågor använder man denna effekt. Om jag förstår Din fråga rätt så menar Du att detta inte går att detektera. För att mäta en längdförändring hos detektorn måste man ju i princip använda en måttstock. Men måttstocken påverkas ju på samma sätt som detektorn. Alltså går det inte att detektera någon våg. Det är ett helt relevant påpekande. I de detektorer som byggs mäter man längdförändringar med hjälp av interferens mellan ljusstrålar. Om man räknar noga på hur ljuset påverkas av gravitationsvågen så visar det sig att man verkligen får en effekt. Den är dock oerhört liten och mycket svår att detektera.
Läs: Jag kan rekommendera boken "Black holes and time warps" av Kip S. Thorne. Det är den bästa populärvetenskapliga bok jag (GO) läst och den innehåller bl a ett kapitel om gravitationsvågor och detektionen av dem.
Se fråga 20117 för direkt detektion av gravitationsvågor.
Sök i svenska Wikipedia:
