Kocsis BenceGALNUC ERC Starting Grant kutatócsoport2015—2020ELTE, 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.

Gravitációshullámok forrásai

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

Relativitáselmélet

ellenőrzése

Kozmológia

Nagyskálás

szerkezet

Ősrobbanás

erős gravitáció

standard szirénák

(sötét energia)

Hierarchikus struktúraképződés

Grav hullám háttér

GW terjedés

GW kölcsönhatás anyaggal

sötét anyag

Nagyenergiás

asztrofizika

akkréciós fizika

szupernova robbanás

n-csillag, fekete lyuk ütközések

gamma felvillanás

pulzárok

n-csillag, fehér törpe struktúra

neutrínófizika

Csillag-

fejlődés

Pop III csillag

Common envelope

Teljesen konvektív

masszív csillag

Sűrű

rendszerek

gömbhalmazok

galaxismagok

nyílt halmazok

Exotikus

objektumok

gravastar

féreglyuk

tűzfal

• 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?

Nulladrendű kérdések

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)

Össztömeg-tömegarány síkon megjósolhatjuk a

várt ütközés-gyakoriságot gömbhalmazokban

Nehéz objektumok gyakrabban ütköznek

GW források 2.-3.

Sűrű

populáció elhaladás ütközésexcentrikus

kettős

Kocsis, Gaspar, Marka 2006; O’Leary, Kocsis, Loeb 2009; Kocsis & Levin 2012

Fekete lyuk kettős

+ harmadik objektum ütközésKozai oszcilláció

(excentricitás és inklináció)

Wen 2003; Antonini & Perets (2012); Naoz, Kocsis, Loeb, Yunes (2012),

Bao-Minh, Naoz, Kocsis 2016

GW befogódással keletkezett forrásokgalaxismagokban

Gondán, Kocsis, Raffai, Frei 2016

Excentricitás eloszlása

A galaxisok 1%-ának a közepén nagy mennyiségű gáz van (aktív galaxismag).

Bartos+ 2016

13

GW források aktív galaxismagban

<10Myr

Kettősök bevándorolnak a korongba…

Bartos+ 2016

15

GW források aktív galaxismagban

<1Myr

<10Myr

…és azután gyorsan bespiráloznak a gáz kölcsönhatása miatt

Bartos+ 2016

16

GW források aktív galaxismagban

<1Myr

<10Myr

Bartos, Kocsis, Haiman, Marka 2016

GW források aktív galaxismagban

Eseményráta: 1.2 Gpc^-3 yr^-1

13 esemény/év (LIGO)

Fekete lyuk korongok

csillag-orbit

Csillagok mozgása a galaxismagban:

• szupermasszív fekete lyuk körül keringés

• gömbszimmetrikus csillaghalmaz miatt precesszió

Pályasíkok irányeloszlása gyorsan relaxálódik

(Kocsis+Tremaine 2015, 2016, Roupas+Kocsis+Tremaine 2016)

Maximális entrópia:

• nehéz csillagok: nematikus fázis

• könnyű csillagok: gömbszerű eloszlás

• fekete lyuk korongok

Csillagpályák hosszútávú

gravitációs kölcsönhatása

Folyadékkristály molekulák

közti kölcsönhatás=

Sötét anyag fekete lyukakból áll?

Kocsis, Suyama, Takahiro, Yokoyama 2016

• 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)

Pop III csillagmaradványok?

Kinugawa, Kocsis, Nakano, Nakamura 2016

• Nehéz fekete lyukak

• Ráta stimmel elméleti számolások alapján. (Kinugawa et al 2014)

Első 3 elhaladás (34 másodperccel eltolva) Utolsó 10 másodperc az ütk. előtt

Ismétlődő felvillanás Végső Chirp

Ismétlődő gravitációshullám felvillanásoktorb tprec

tperi

Paraméter mérés:

Gondán László, KB, Raffai Péter, Frei Zsolt

LIGO source

SMBH

GW visszhangok

Deflection angle (deg)

GW

am

pli

tud

e

• GW rays are deflected around

supermassive black holes

• Spectrum is the same GW echo

• Echo amplitude depends on distance to

SMBH and deflection angle

GW echo arrives in

Kocsis 2013

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)