Gravitationswellen, theoretisch bereits 1917 von Einstein vorhergesagt, warten noch immer auf ihren Entdecker.

Ende 1969 machte der Physikprofessor Joseph Weber von der University of Maryland eine sensationelle Ankündigung. Er gab bekannt, dass er Gravitationswellen entdeckt hatte, die aus den Tiefen des Weltraums auf die Erde kamen. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte kein einziger Wissenschaftler solche Behauptungen aufgestellt, und die bloße Möglichkeit, solche Wellen zu entdecken, galt als alles andere als offensichtlich. Allerdings war Weber als Autorität auf seinem Gebiet bekannt und daher nahmen die Kollegen seine Botschaft mit größter Ernsthaftigkeit auf.

Doch schon bald machte sich Enttäuschung breit. Die Amplituden der angeblich von Weber aufgezeichneten Wellen waren millionenfach höher als der theoretische Wert. Weber argumentierte, dass diese Wellen aus dem Zentrum unserer Galaxie kamen, bedeckt mit Staubwolken, über die damals wenig bekannt war. Astrophysiker haben vermutet, dass sich dort ein riesiges Schwarzes Loch verbirgt, das jährlich Tausende von Sternen verschlingt und einen Teil der absorbierten Energie in Form von Gravitationsstrahlung ausstößt, und Astronomen haben vergeblich nach deutlicheren Spuren dieses kosmischen Kannibalismus gesucht (jetzt wurde bewiesen, dass es dort tatsächlich ein Schwarzes Loch gibt, aber es verhält sich recht anständig). Physiker aus den USA, der UdSSR, Frankreich, Deutschland, England und Italien begannen Experimente mit Detektoren des gleichen Typs – und erreichten nichts.

Wissenschaftler wissen immer noch nicht, worauf sie die seltsamen Messwerte von Webers Instrumenten zurückführen sollen. Seine Bemühungen waren jedoch nicht umsonst, obwohl Gravitationswellen noch nicht entdeckt wurden. Mehrere Anlagen für ihre Suche wurden bereits gebaut oder sind im Bau, und in zehn Jahren werden solche Detektoren auch ins All geschickt. Es ist durchaus möglich, dass Gravitationsstrahlung in nicht allzu ferner Zukunft zur gleichen beobachtbaren physikalischen Realität wird wie elektromagnetische Schwingungen. Joseph Weber wird dies leider nicht mehr erfahren, er starb im September 2000.

Was sind Schwerewellen?

Es wird oft gesagt, dass Gravitationswellen Störungen des sich im Weltraum ausbreitenden Gravitationsfeldes sind. Diese Definition ist korrekt, aber unvollständig. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie entsteht die Schwerkraft aus der Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums. Gravitationswellen sind Schwankungen der Raum-Zeit-Metrik, die sich als Schwankungen im Gravitationsfeld äußern, daher werden sie im übertragenen Sinne oft als Raum-Zeit-Wellen bezeichnet. Gravitationswellen wurden 1917 von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt. Niemand zweifelt an ihrer Existenz, aber Gravitationswellen warten immer noch auf ihren Entdecker.

Quelle Gravitationswellen dienen als jede Bewegung materieller Körper, die zu einer ungleichmäßigen Änderung der Schwerkraft im umgebenden Raum führt. Ein Körper, der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, strahlt nichts aus, da sich die Beschaffenheit seines Gravitationsfeldes nicht ändert. Um Gravitationswellen auszusenden, sind Beschleunigungen notwendig, aber keine. Ein Zylinder, der sich um seine Symmetrieachse dreht, erfährt zwar eine Beschleunigung, sein Gravitationsfeld bleibt jedoch gleichmäßig und es entstehen keine Gravitationswellen. Wenn Sie diesen Zylinder jedoch um eine andere Achse drehen, schwingt das Feld und Gravitationswellen laufen vom Zylinder in alle Richtungen.

Diese Schlussfolgerung gilt für jeden Körper (oder jedes Körpersystem), der nicht symmetrisch zur Rotationsachse ist (in solchen Fällen spricht man von einem Quadrupolmoment des Körpers). Ein Massensystem, dessen Quadrupolmoment sich mit der Zeit ändert, strahlt immer Gravitationswellen aus.

Grundlegende Eigenschaften von Gravitationswellen

Astrophysiker vermuten, dass es die Strahlung von Gravitationswellen ist, die Energie wegnimmt und die Rotationsgeschwindigkeit eines massereichen Pulsars begrenzt, wenn dieser die Materie eines benachbarten Sterns absorbiert.

Schwerkraft-Leuchtfeuer des Weltraums

Die Gravitationsstrahlung terrestrischer Quellen ist äußerst schwach. Eine 10.000 Tonnen schwere Stahlsäule, die horizontal in der Mitte aufgehängt und mit bis zu 600 U/min um eine vertikale Achse gedreht ist, strahlt eine Leistung von ca. 10-24 Watt ab. Daher besteht die einzige Hoffnung, Gravitationswellen nachzuweisen, darin, eine kosmische Quelle der Gravitationsstrahlung zu finden.

In dieser Hinsicht sind nahegelegene Doppelsterne sehr vielversprechend. Der Grund ist einfach: Die Stärke der Gravitationsstrahlung eines solchen Systems wächst umgekehrt proportional zur fünften Potenz seines Durchmessers. Noch besser ist es, wenn die Bahnen der Sterne stark verlängert werden, da sich dadurch die Änderungsgeschwindigkeit des Quadrupolmoments erhöht. Es ist ganz gut, wenn das Doppelsternsystem aus Neutronensternen oder Schwarzen Löchern besteht. Solche Systeme ähneln Gravitationsfeuern im Weltraum – ihre Strahlung ist periodisch.

Im Weltraum gibt es auch „Impuls“-Quellen, die kurze, aber äußerst starke Gravitationsausbrüche erzeugen. Dies geschieht, wenn ein massereicher Stern vor einer Supernova-Explosion kollabiert. Allerdings muss die Verformung des Sterns asymmetrisch sein, sonst kommt es nicht zur Strahlung. Beim Kollaps können Gravitationswellen bis zu 10 % der Gesamtenergie des Sterns mitreißen! Die Leistung der Gravitationsstrahlung beträgt in diesem Fall etwa 10 50 W. Noch mehr Energie wird bei der Verschmelzung von Neutronensternen freigesetzt, hier erreicht die Spitzenleistung 10 52 Watt. Eine hervorragende Strahlungsquelle ist die Kollision von Schwarzen Löchern: Ihre Massen können die Massen von Neutronensternen um ein Milliardenfaches übertreffen.

Eine weitere Quelle von Gravitationswellen ist die kosmologische Inflation. Unmittelbar nach dem Urknall begann sich das Universum extrem schnell auszudehnen und in weniger als 10 -34 Sekunden vergrößerte sich sein Durchmesser von 10 -33 cm auf makroskopische Größe. Dieser Prozess verstärkte die Gravitationswellen, die vor seinem Beginn existierten, ins Unermessliche, und ihre Nachkommen haben bis heute überlebt.

Indirekte Bestätigung

Der erste Beweis für die Existenz von Schwerewellen stammt aus der Arbeit des amerikanischen Radioastronomen Joseph Taylor und seines Schülers Russell Hulse. 1974 entdeckten sie ein Paar umlaufender Neutronensterne (einen radioemittierenden Pulsar mit einem stillen Begleiter). Der Pulsar drehte sich mit einer stabilen Winkelgeschwindigkeit um seine Achse (was bei weitem nicht immer der Fall ist) und diente daher als äußerst genaue Uhr. Diese Funktion ermöglichte es, die Massen beider Sterne zu messen und die Art ihrer Umlaufbewegung zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass die Umlaufdauer dieses Doppelsternsystems (ca. 3 h 45 min) jährlich um 70 μs verkürzt wird. Dieser Wert stimmt gut mit den Lösungen der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein, die den Energieverlust beschreiben Sternenpaar, aufgrund der Gravitationsstrahlung (die Kollision dieser Sterne wird jedoch nicht bald, nach 300 Millionen Jahren, stattfinden). Für diese Entdeckung erhielten Taylor und Hulse 1993 den Nobelpreis.

Gravitationswellenantennen

Wie kann man Gravitationswellen experimentell nachweisen? Als Detektoren verwendete Weber meterlange massive Aluminiumzylinder mit Piezosensoren an den Enden. Sie wurden mit größter Sorgfalt in einer Vakuumkammer vor äußeren mechanischen Einflüssen isoliert. Weber installierte zwei dieser Zylinder in einem Bunker unter einem Golfplatz an der University of Maryland und einen im Argonne National Laboratory.

Die Idee des Experiments ist einfach. Der Raum wird unter der Wirkung von Gravitationswellen komprimiert und gedehnt. Dadurch vibriert der Zylinder in Längsrichtung und fungiert als Gravitationswellenantenne. Die piezoelektrischen Kristalle wandeln die Vibrationen in elektrische Signale um. Jeder Durchgang kosmischer Gravitationswellen wirkt sich praktisch gleichzeitig auf Detektoren aus, die tausend Kilometer voneinander entfernt sind, was es ermöglicht, Gravitationsimpulse aus verschiedenen Arten von Rauschen herauszufiltern.

Weber-Sensoren waren in der Lage, Verschiebungen der Enden des Zylinders zu erkennen, die nur 10 –15 seiner Länge – in diesem Fall 10 –13 cm – ausmachten. Briefe zur körperlichen Untersuchung. Alle Versuche, diese Ergebnisse zu reproduzieren, waren erfolglos. Auch Webers Daten widersprechen der Theorie, die relative Verschiebungen über 10 -18 praktisch nicht erwarten lässt (Werte unter 10 -20 sind deutlich wahrscheinlicher). Möglicherweise hat Weber bei der statistischen Aufbereitung der Ergebnisse einen Fehler gemacht. Der erste Versuch, Gravitationsstrahlung experimentell nachzuweisen, scheiterte.

Zukünftig wurden Gravitationswellenantennen deutlich verbessert. 1967 schlug der amerikanische Physiker Bill Fairbank vor, sie in flüssigem Helium zu kühlen. Dies ermöglichte nicht nur die Beseitigung des größten Teils des thermischen Rauschens, sondern eröffnete auch die Möglichkeit, SQUIDs (supraleitende Quanteninterferometer) zu verwenden, die genauesten überempfindlichen Magnetometer. Die Umsetzung dieser Idee war mit vielen technischen Schwierigkeiten verbunden und Fairbank selbst erlebte dies nicht mehr. Zu Beginn der 1980er Jahre hatten Physiker der Stanford University einen Apparat mit einer Empfindlichkeit von 10 -18 gebaut, es wurden jedoch keine Wellen registriert. Mittlerweile gibt es in einer Reihe von Ländern ultrakryogene Vibrations-Schwerkraftwellendetektoren, die bei Temperaturen arbeiten, die nur Zehntel und Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen. Dies ist beispielsweise das AURIGA-Werk in Padua. Die Antenne dafür ist ein drei Meter langer Zylinder aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung mit einem Durchmesser von 60 cm und einem Gewicht von 2,3 Tonnen. Er hängt in einer auf 0,1 K gekühlten Vakuumkammer. Seine Schwingungen (mit einer Frequenz von etwa 1000 Hz) werden auf einen 1 kg schweren Hilfsresonator übertragen, der mit der gleichen Frequenz, aber mit einer viel größeren Amplitude schwingt. Diese Schwingungen werden von Messgeräten erfasst und von einem Computer analysiert. Die Empfindlichkeit des AURIGA-Komplexes beträgt etwa 10 -20 -10 -21 .

Interferometer

Eine andere Möglichkeit, Schwerewellen zu erkennen, basiert auf der Ablehnung massiver Resonatoren zugunsten von Lichtstrahlen. Es wurde erstmals 1962 vorgeschlagen Sowjetische Physiker Mikhail Gertsenstein und Vladislav Pustovoit und zwei Jahre später Weber. Anfang der 1970er Jahre Mitarbeiter des Forschungslabors des Konzerns Hughes-Flugzeuge Robert Forward (ehemals Webers Doktorand, später ein sehr berühmter Science-Fiction-Autor) baute den ersten Detektor dieser Art mit recht guter Empfindlichkeit. Gleichzeitig führte Rainer Weiss, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT), eine sehr tiefgreifende theoretische Analyse der Möglichkeiten der Registrierung von Gravitationswellen mit optischen Methoden durch.

Bei diesen Methoden werden Analoga des Geräts verwendet, mit dem der Physiker Albert Michelson vor 125 Jahren bewies, dass die Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen genau gleich ist. Bei diesem Aufbau, dem Michelson-Interferometer, trifft ein Lichtstrahl auf eine lichtdurchlässige Platte und wird in zwei zueinander senkrechte Strahlen aufgeteilt, die von Spiegeln reflektiert werden, die sich im gleichen Abstand von der Platte befinden. Dann verschmelzen die Strahlen wieder und fallen auf den Bildschirm, wo ein Interferenzmuster erscheint (hell und hell). dunkle Streifen und Linien). Wenn die Lichtgeschwindigkeit von ihrer Richtung abhängt, sollte sich dieses Bild ändern, wenn man die gesamte Installation dreht. Wenn nicht, sollte es das gleiche bleiben wie zuvor.

Der Interferenz-Gravitationswellendetektor funktioniert auf ähnliche Weise. Die übertragene Welle verzerrt den Raum und verändert die Länge jedes Arms des Interferometers (den Weg, den das Licht vom Teiler zum Spiegel zurücklegt), wodurch ein Arm gestreckt und der andere gequetscht wird. Das Interferenzmuster verändert sich, was registriert werden kann. Aber das ist nicht einfach: Wenn die erwartete relative Längenänderung der Interferometerarme 10 -20 beträgt, dann verwandelt es sich bei den Tischabmessungen des Geräts (wie bei Michelson) in Schwingungen mit einer Amplitude in der Größenordnung von 10 -18 cm. Zum Vergleich: Sichtbare Lichtwellen sind 10 Billionen Mal länger! Sie können die Länge der Schultern auf mehrere Kilometer erhöhen, aber die Probleme bleiben bestehen. Die Laserlichtquelle muss sowohl leistungsstark als auch frequenzstabil sein, die Spiegel müssen perfekt flach und perfekt reflektierend sein, das Vakuum in den Rohren, durch die sich das Licht ausbreitet, muss so tief wie möglich sein, die mechanische Stabilisierung des gesamten Systems muss wirklich perfekt sein. Kurz gesagt, der Interferenzdetektor für Gravitationswellen ist ein teures und sperriges Gerät.

Die größte Anlage dieser Art ist heute der amerikanische LIGO-Komplex. (Lichtinterferometer-Gravitationswellen-Observatorium). Es besteht aus zwei Observatorien, von denen sich eines an der Pazifikküste der Vereinigten Staaten befindet und das andere nicht weit davon entfernt ist Golf von Mexiko. Die Messungen werden mit drei Interferometern (zwei im Bundesstaat Washington, eines in Louisiana) mit 4 km langen Armen durchgeführt. Der Aufbau ist mit Spiegellichtakkumulatoren ausgestattet, die seine Empfindlichkeit erhöhen. „Seit November 2005 funktionieren alle drei unserer Interferometer normal“, sagte Peter Solson, Professor für Physik an der Syracuse University vom LIGO-Komplex, gegenüber Popular Mechanics. - Wir tauschen ständig Daten mit anderen Observatorien aus und versuchen, Gravitationswellen mit einer Frequenz von mehreren zehn und hundert Hertz nachzuweisen, die bei den stärksten Supernova-Explosionen und der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern entstanden sind. Jetzt ist das deutsche Interferometer GEO 600 (Armlänge - 600 m), 25 km von Hannover entfernt, in Betrieb. Das 300 Meter lange japanische TAMA-Instrument wird derzeit modernisiert. Der drei Kilometer große Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa wird sich Anfang 2007 dem Projekt anschließen und bei Frequenzen unter 50 Hz in der Lage sein, LIGO zu übertreffen. Anlagen mit ultrakryogenen Resonatoren arbeiten mit zunehmender Effizienz, obwohl ihre Empfindlichkeit immer noch etwas geringer ist als bei uns.

Aussichten

Was erwartet Methoden zur Erkennung von Gravitationswellen in naher Zukunft? Professor Rainer Weiss sagte dazu gegenüber Popular Mechanics: „In einigen Jahren werden in den Observatorien des LIGO-Komplexes leistungsstärkere Laser und fortschrittlichere Detektoren installiert, was zu einer 15-fachen Steigerung der Empfindlichkeit führen wird.“ Jetzt beträgt er 10 -21 (bei Frequenzen in der Größenordnung von 100 Hz) und wird nach der Modernisierung 10 -22 überschreiten. Der modernisierte Komplex Advanced LIGO wird die Eindringtiefe in den Weltraum um das 15-fache erhöhen. Professor der Moskauer Staatlichen Universität Vladimir Braginsky, einer der Pioniere auf dem Gebiet der Erforschung von Gravitationswellen, beteiligt sich aktiv an diesem Projekt.

Der Start des LISA-Weltrauminterferometers ist für Mitte des nächsten Jahrzehnts geplant ( Laserinterferometer-Weltraumantenne) mit einer Schulterlänge von 5 Millionen Kilometern ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation. Die Empfindlichkeit dieses Observatoriums wird hundertmal höher sein als die Fähigkeiten bodengestützter Instrumente. Es dient in erster Linie der Suche nach niederfrequenten (10 -4 -10 -1 Hz) Gravitationswellen, die aufgrund atmosphärischer und seismischer Störungen nicht auf der Erdoberfläche eingefangen werden können. Solche Wellen werden von Doppelsternsystemen ausgesendet, die ganz typische Bewohner des Kosmos sind. LISA wird auch in der Lage sein, Gravitationswellen zu erkennen, die entstehen, wenn gewöhnliche Sterne von Schwarzen Löchern verschluckt werden. Aber für den Nachweis von Reliktgravitationswellen, die Informationen über den Zustand der Materie in den ersten Augenblicken nach dem Urknall liefern, sind höchstwahrscheinlich fortschrittlichere Weltrauminstrumente erforderlich. So eine Einstellung Urknallbeobachter, wird derzeit diskutiert, aber es ist unwahrscheinlich, dass es früher als in 30 bis 40 Jahren erstellt und eingeführt wird.“

Der 11. Februar 2016 gilt als offizieller Tag der Entdeckung (Nachweis) der Gravitationswellen. Dann gaben die Leiter der LIGO-Kollaboration auf einer Pressekonferenz in Washington bekannt, dass es einem Forscherteam gelungen sei, dieses Phänomen zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit aufzuzeichnen.

Prophezeiungen des großen Einstein

Die Existenz von Gravitationswellen wurde von Albert Einstein zu Beginn des letzten Jahrhunderts (1916) im Rahmen der von ihm formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) vorgeschlagen. Man kann nur über die brillanten Fähigkeiten des berühmten Physikers staunen, der mit einem Minimum an realen Daten so weitreichende Schlussfolgerungen ziehen konnte. Unter den vielen anderen vorhergesagten physikalischen Phänomenen, die im nächsten Jahrhundert bestätigt wurden (Verlangsamung des Laufs der Zeit, Änderung der Richtung der elektromagnetischen Strahlung). Gravitationsfelder usw.) Bis vor kurzem war es nicht möglich, das Vorhandensein dieser Art von Wellenwechselwirkung von Körpern praktisch nachzuweisen.

Schwerkraft – eine Illusion?

Im Allgemeinen kann die Schwerkraft im Lichte der Relativitätstheorie kaum als Kraft bezeichnet werden. Störungen oder Krümmungen des Raum-Zeit-Kontinuums. Ein gutes Beispiel zur Veranschaulichung dieses Postulats ist ein gespanntes Stück Stoff. Unter dem Gewicht eines massiven Gegenstandes, der auf einer solchen Oberfläche platziert wird, bildet sich eine Vertiefung. Andere Objekte, die sich in der Nähe dieser Anomalie bewegen, ändern ihre Bewegungsbahn, als ob sie „angezogen“ würden. Und je größer das Gewicht des Objekts ist (je größer der Durchmesser und die Tiefe der Krümmung), desto höher ist die „Anziehungskraft“. Wenn es sich durch den Stoff bewegt, kann man das Auftreten einer divergierenden „Welle“ beobachten.

Ähnliches passiert im Weltraum. Jede sich schnell bewegende massive Materie ist eine Quelle von Schwankungen in der Dichte von Raum und Zeit. Eine Gravitationswelle mit einer erheblichen Amplitude entsteht durch Körper mit extrem großen Massen oder wenn sie sich mit großen Beschleunigungen bewegen.

physikalische Eigenschaften

Schwankungen der Raum-Zeit-Metrik äußern sich als Veränderungen im Gravitationsfeld. Dieses Phänomen wird auch als Raum-Zeit-Welligkeit bezeichnet. Die Gravitationswelle wirkt auf die angetroffenen Körper und Objekte, indem sie sie komprimiert und dehnt. Die Verformungswerte sind sehr gering – etwa 10 -21 der ursprünglichen Größe. Die ganze Schwierigkeit bei der Entdeckung dieses Phänomens bestand darin, dass die Forscher lernen mussten, solche Veränderungen mit Hilfe geeigneter Geräte zu messen und aufzuzeichnen. Auch die Leistung der Gravitationsstrahlung ist im Großen und Ganzen äußerst gering Sonnensystem es sind mehrere Kilowatt.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen hängt geringfügig von den Eigenschaften des leitenden Mediums ab. Die Schwingungsamplitude nimmt mit der Entfernung von der Quelle allmählich ab, erreicht jedoch nie Null. Die Frequenz liegt im Bereich von mehreren zehn bis hundert Hertz. Die Geschwindigkeit der Gravitationswellen im interstellaren Medium nähert sich der Lichtgeschwindigkeit.

Indizien

Die theoretische Bestätigung der Existenz von Schwerewellen gelang erstmals 1974 dem amerikanischen Astronomen Joseph Taylor und seinem Assistenten Russell Hulse. Bei der Untersuchung der Weiten des Universums mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums (Puerto Rico) entdeckten die Forscher den Pulsar PSR B1913 + 16, ein binäres System von Neutronensternen, die mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt rotieren (ein eher seltener Fall). Jedes Jahr verkürzt sich die Umdrehungsdauer, die ursprünglich 3,75 Stunden betrug, um 70 ms. Dieser Wert steht im Einklang mit den Schlussfolgerungen aus den GR-Gleichungen, die eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit solcher Systeme aufgrund des Energieaufwands für die Erzeugung von Gravitationswellen vorhersagen. Anschließend wurden mehrere Doppelpulsare und Weiße Zwerge mit ähnlichem Verhalten entdeckt. Die Radioastronomen D. Taylor und R. Hulse erhielten 1993 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung neuer Möglichkeiten zur Untersuchung von Gravitationsfeldern.

Eine schwer fassbare Gravitationswelle

Die erste Aussage über die Erkennung von Schwerewellen kam 1969 vom Wissenschaftler der University of Maryland, Joseph Weber (USA). Zu diesem Zweck nutzte er zwei von ihm selbst entworfene Gravitationsantennen, die im Abstand von zwei Kilometern voneinander entfernt waren. Der Resonanzdetektor war ein gut vibrierender, einteiliger, zwei Meter langer Aluminiumzylinder, der mit empfindlichen piezoelektrischen Sensoren ausgestattet war. Die Amplitude der angeblich von Weber aufgezeichneten Schwankungen war mehr als eine Million Mal höher als der erwartete Wert. Versuche anderer Wissenschaftler, mit solchen Geräten den „Erfolg“ des amerikanischen Physikers zu wiederholen, brachten keine positiven Ergebnisse. Einige Jahre später wurden Webers Arbeiten auf diesem Gebiet als unhaltbar anerkannt, gaben jedoch den Anstoß zur Entwicklung eines „Gravitationsbooms“, der viele Spezialisten für dieses Forschungsgebiet anzog. Übrigens war sich Joseph Weber selbst bis an sein Lebensende sicher, dass er Gravitationswellen empfing.

Verbesserung der Empfangsausrüstung

In den 70er Jahren entwickelte der Wissenschaftler Bill Fairbank (USA) das Design einer Gravitationswellenantenne, die mit SQUIDs – überempfindlichen Magnetometern – gekühlt wurde. Die damals existierenden Technologien erlaubten es dem Erfinder nicht, sein Produkt in „Metall“ realisiert zu sehen.

Nach diesem Prinzip wurde der Auriga-Gravitationsdetektor im National Legnard Laboratory (Padua, Italien) hergestellt. Das Design basiert auf einem Aluminium-Magnesium-Zylinder mit einer Länge von 3 Metern und einem Durchmesser von 0,6 m. Das 2,3 Tonnen schwere Empfangsgerät hängt in einer isolierten Vakuumkammer, die nahezu auf den absoluten Nullpunkt gekühlt ist. Zur Ortung und Erkennung von Erschütterungen werden ein Hilfs-Kilogramm-Resonator und ein computergestützter Messkomplex eingesetzt. Die angegebene Empfindlichkeit des Geräts beträgt 10 -20 .

Interferometer

Die Funktionsweise von Interferenzdetektoren für Gravitationswellen basiert auf den gleichen Prinzipien wie das Michelson-Interferometer. Der von der Quelle emittierte Laserstrahl wird in zwei Strahlen aufgeteilt. Nach mehreren Reflexionen und Wanderungen entlang der Schultern des Geräts werden die Ströme wieder zusammengeführt, und die letzte wird verwendet, um zu beurteilen, ob Störungen (z. B. eine Gravitationswelle) den Verlauf der Strahlen beeinflusst haben. Ähnliche Geräte wurden in vielen Ländern hergestellt:

• GEO 600 (Hannover, Deutschland). Die Länge der Vakuumtunnel beträgt 600 Meter.
• TAMA (Japan) mit Schultern von 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italien) ist ein 2007 gestartetes französisch-italienisches Gemeinschaftsprojekt mit 3 km langen Tunneln.
• LIGO (USA, Pazifikküste), seit 2002 auf der Jagd nach Schwerewellen.

Letzteres ist eine genauere Betrachtung wert.

LIGO Advanced

Das Projekt entstand auf Initiative von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und des California Institute of Technology. Beinhaltet zwei Observatorien, die 3.000 km voneinander entfernt sind, in Washington (Städte Livingston und Hanford) mit drei identischen Interferometern. Die Länge senkrechter Vakuumtunnel beträgt 4.000 Meter. Dies sind die größten derartigen Bauwerke, die derzeit in Betrieb sind. Bis 2011 brachten zahlreiche Versuche, Schwerewellen nachzuweisen, keine Ergebnisse. Die durchgeführte bedeutende Modernisierung (Advanced LIGO) erhöhte die Empfindlichkeit der Geräte im Bereich von 300–500 Hz um mehr als das Fünffache und im Niederfrequenzbereich (bis 60 Hz) um fast eine Größenordnung und erreichte den begehrten Wert von 10–21 . Das aktualisierte Projekt startete im September 2015 und die Bemühungen von mehr als tausend Mitarbeitern der Zusammenarbeit wurden mit den Ergebnissen belohnt.

Gravitationswellen entdeckt

Am 14. September 2015 zeichneten fortschrittliche LIGO-Detektoren im Abstand von 7 ms Gravitationswellen auf, die unseren Planeten vom größten Phänomen erreichten, das am Rande des beobachtbaren Universums auftrat – der Verschmelzung zweier großer Schwarzer Löcher mit Massen, die 29- und 36-mal so groß sind wie die Masse der Sonne. Bei dem Prozess, der vor mehr als 1,3 Milliarden Jahren stattfand, wurden in Sekundenbruchteilen etwa drei Sonnenmassen Materie für die Abstrahlung von Schwerewellen aufgewendet. Die feste Anfangsfrequenz der Gravitationswellen betrug 35 Hz und der maximale Spitzenwert erreichte 250 Hz.

Die gewonnenen Ergebnisse wurden mehrfach einer umfassenden Verifizierung und Aufbereitung unterzogen und alternative Interpretationen der gewonnenen Daten sorgfältig ausgeschlossen. Letztes Jahr wurde der Weltgemeinschaft schließlich die direkte Registrierung des von Einstein vorhergesagten Phänomens bekannt gegeben.

Eine Tatsache, die die gigantische Arbeit der Forscher verdeutlicht: Die Amplitude der Schwankungen in den Abmessungen der Interferometerarme betrug 10 -19 m – dieser Wert ist ebenso viel kleiner als der Durchmesser eines Atoms wie kleiner als der einer Orange.

Zukunftsaussichten

Die gemachte Entdeckung bestätigt einmal mehr, dass die Allgemeine Relativitätstheorie nicht nur eine Reihe abstrakter Formeln ist, sondern grundlegend Ein neues Aussehenüber das Wesen von Gravitationswellen und der Schwerkraft im Allgemeinen.

Für die weitere Forschung setzen Wissenschaftler große Hoffnungen in das ELSA-Projekt: die Schaffung eines riesigen Orbitalinterferometers mit Armen von etwa 5 Millionen km, das in der Lage ist, selbst geringfügige Störungen von Gravitationsfeldern zu erfassen. Die Intensivierung der Arbeit in diese Richtung kann viel über die Hauptstadien der Entwicklung des Universums aussagen, über Prozesse, die in traditionellen Bändern nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Es besteht kein Zweifel daran, dass Schwarze Löcher, deren Gravitationswellen in Zukunft aufgezeichnet werden, viel über ihre Natur verraten werden.

Um die Reliktgravitationsstrahlung zu untersuchen, die Aufschluss über die ersten Momente unserer Welt nach dem Urknall geben kann, sind empfindlichere Weltrauminstrumente erforderlich. Ein solches Projekt existiert Urknallbeobachter), aber seine Umsetzung ist Experten zufolge frühestens in 30-40 Jahren möglich.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen wurde der Welt am 11. Februar 2016 vorgestellt und sorgte weltweit für Schlagzeilen. Für diese Entdeckung erhielten Physiker 2017 den Nobelpreis und leiteten offiziell eine neue Ära der Gravitationsastronomie ein. Doch ein Team von Physikern am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen (Dänemark) bezweifelte den Befund, basierend auf ihrer eigenen unabhängigen Analyse der Daten der letzten zweieinhalb Jahre.

Eines der mysteriösesten Objekte der Welt, Schwarze Löcher, erregt regelmäßig Aufmerksamkeit. Wir wissen, dass sie kollidieren, verschmelzen, ihre Helligkeit ändern und sogar verdampfen. Und doch können Schwarze Löcher theoretisch die Universen miteinander verbinden. Allerdings könnten sich alle unsere Kenntnisse und Annahmen über diese massiven Objekte als unzutreffend erweisen. Kürzlich in Wissenschaftsgemeinschaft Es gab Gerüchte, dass Wissenschaftler ein Signal empfangen hätten, das von einem Schwarzen Loch ausging, dessen Größe und Masse so groß ist, dass seine Existenz physikalisch unmöglich ist.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen wurde der Welt am 11. Februar 2016 vorgestellt und sorgte weltweit für Schlagzeilen. Für diese Entdeckung erhielten Physiker 2017 den Nobelpreis und leiteten offiziell eine neue Ära der Gravitationsastronomie ein. Doch ein Team von Physikern am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen bezweifelte diese Feststellung, basierend auf ihrer eigenen unabhängigen Analyse der Daten der letzten zweieinhalb Jahre.

11. Februar 2016

Buchstäblich vor wenigen Stunden kam die Nachricht, die in der wissenschaftlichen Welt schon lange erwartet wurde. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus mehreren Ländern, die im Rahmen des internationalen Projekts LIGO Scientific Collaboration arbeiten, sagt, dass es ihnen mit Hilfe mehrerer Observatorien-Detektoren gelungen ist, Gravitationswellen im Labor zu registrieren.

Sie analysieren Daten von zwei Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana und Washington in den Vereinigten Staaten.

Wie auf der Pressekonferenz des LIGO-Projekts angegeben, wurden am 14. September 2015 Gravitationswellen registriert, zunächst an einem Observatorium und dann nach 7 Millisekunden an einem anderen.

Basierend auf der Analyse der gewonnenen Daten, die von Wissenschaftlern aus vielen Ländern, darunter auch aus Russland, durchgeführt wurde, wurde festgestellt, dass die Gravitationswelle durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher mit einer Masse von 29 und 36 Sonnenmassen verursacht wurde. Danach verschmolzen sie zu einem großen Schwarzen Loch.

Dies geschah vor 1,3 Milliarden Jahren. Das Signal kam aus dem Sternbild der Magellanschen Wolke zur Erde.

Sergey Popov (Astrophysiker am Sternberg State Astronomical Institute der Moskauer Staatlichen Universität) erklärte, was Gravitationswellen sind und warum es so wichtig ist, sie zu messen.

Moderne Gravitationstheorien sind geometrische Gravitationstheorien, mehr oder weniger alles aus der Relativitätstheorie. Die geometrischen Eigenschaften des Raumes beeinflussen die Bewegung von Körpern oder Objekten wie beispielsweise einem Lichtstrahl. Und umgekehrt – die Verteilung der Energie (dies ist dasselbe wie die Masse im Raum) wirkt sich aus geometrische Eigenschaften Raum. Das ist sehr cool, weil man es sich leicht vorstellen kann – all diese elastische Fläche, die in einer Zelle ausgekleidet ist, hat eine gewisse physikalische Bedeutung, obwohl natürlich nicht alles so wörtlich ist.

Physiker verwenden das Wort „metrisch“. Eine Metrik beschreibt die geometrischen Eigenschaften eines Raumes. Und hier haben wir Körper, die sich mit Beschleunigung bewegen. Das einfachste ist, dass sich die Gurke dreht. Wichtig ist, dass es sich beispielsweise nicht um eine Kugel und keine abgeflachte Scheibe handelt. Man kann sich leicht vorstellen, dass, wenn sich eine solche Gurke auf einer elastischen Ebene dreht, Wellen von ihr ausgehen. Stellen Sie sich vor, Sie stehen irgendwo und die Gurke dreht sich entweder mit einem Ende zu Ihnen oder mit dem anderen. Sie beeinflusst Raum und Zeit auf unterschiedliche Weise, eine Gravitationswelle verläuft.

Eine Gravitationswelle ist also eine Welle, die entlang der Raum-Zeit-Metrik verläuft.

Perlen im Weltraum

Dies ist eine grundlegende Eigenschaft unseres grundlegenden Verständnisses der Funktionsweise der Schwerkraft, und die Menschen wollten sie schon seit hundert Jahren testen. Sie wollen sicherstellen, dass der Effekt da ist und im Labor sichtbar ist. In der Natur wurde dies bereits vor etwa drei Jahrzehnten beobachtet. Wie sollten sich Gravitationswellen im Alltag äußern?

Der einfachste Weg, dies zu veranschaulichen, ist folgender: Wenn man Perlen so in den Weltraum wirft, dass sie in einem Kreis liegen, und wenn die Gravitationswelle senkrecht zu ihrer Ebene verläuft, beginnen sie, sich in eine Ellipse zu verwandeln, die auf die eine oder andere Weise komprimiert wird. Tatsache ist, dass der Raum um sie herum gestört wird, und sie werden es spüren.

„G“ auf der Erde

Menschen machen so etwas, nur nicht im Weltraum, sondern auf der Erde.

Im Abstand von vier Kilometern voneinander hängen Spiegel in Form des Buchstabens „g“ [gemeint sind die amerikanischen LIGO-Observatorien].

Laserstrahlen laufen – das ist ein Interferometer, eine wohlverstandene Sache. Moderne Technologien erlauben es, einen fantastisch kleinen Effekt zu messen. Ich glaube es immer noch nicht, ich glaube es, aber es passt einfach nicht in meinen Kopf – die Verschiebung von Spiegeln, die in einem Abstand von vier Kilometern voneinander hängen, ist kleiner als die Größe eines Atomkerns. Dies ist selbst im Vergleich zur Wellenlänge dieses Lasers gering. Das war der Haken: Die Schwerkraft ist die schwächste Kraft und daher sind die Verschiebungen sehr gering.

Es hat sehr lange gedauert, die Menschen haben seit den 1970er Jahren versucht, dies zu tun, sie haben ihr Leben damit verbracht, nach Gravitationswellen zu suchen. Und jetzt ermöglichen es nur die technischen Möglichkeiten, eine Gravitationswelle unter Laborbedingungen zu registrieren, das heißt, hier kam sie und die Spiegel bewegten sich.

Richtung

Wenn alles gut geht, wird es innerhalb eines Jahres drei Detektoren auf der Welt geben. Drei Detektoren sind sehr wichtig, da diese Dinge die Richtung des Signals nur sehr schlecht bestimmen können. Ungefähr auf die gleiche Weise, wenn wir die Richtung der Quelle schlecht hören. „Geräusch von irgendwo rechts“ – so etwas empfinden diese Detektoren. Wenn aber drei Personen im Abstand voneinander stehen und einer den Ton rechts hört, der andere links und der dritte dahinter, dann können wir die Richtung des Tons sehr genau bestimmen. Je mehr Detektoren es gibt, je weiter sie über den Globus verstreut sind, desto genauer können wir die Richtung zur Quelle bestimmen, und dann beginnt die Astronomie.

Schließlich geht es nicht nur darum, die allgemeine Relativitätstheorie zu bestätigen, sondern auch um neue astronomische Erkenntnisse. Stellen Sie sich vor, es gäbe ein Schwarzes Loch mit der zehnfachen Masse der Sonne. Und es kollidiert mit einem anderen Schwarzen Loch mit einer Masse von zehn Sonnenmassen. Die Kollision erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit. Durchbruchsenergie. Es stimmt. Davon gibt es eine fantastische Menge. Und das tut es nicht ... Es sind nur Wellen von Raum und Zeit. Ich würde sagen, dass die Entdeckung der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher seit langem die zuverlässigste Bestätigung dafür sein wird, dass es sich bei Schwarzen Löchern um die Schwarzen Löcher handelt, an die wir denken.

Gehen wir die Probleme und Phänomene durch, die dadurch aufgedeckt werden könnten.

Existieren Schwarze Löcher wirklich?

Das von der LIGO-Ankündigung erwartete Signal könnte von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt worden sein. Solche Ereignisse sind die energiereichsten, die wir kennen; Die Stärke der von ihnen ausgesendeten Gravitationswellen kann kurzzeitig alle Sterne des beobachtbaren Universums insgesamt überstrahlen. Verschmelzende Schwarze Löcher lassen sich auch recht einfach als sehr reine Gravitationswellen interpretieren.

Eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern findet statt, wenn zwei Schwarze Löcher sich spiralförmig umeinander drehen und dabei Energie in Form von Gravitationswellen ausstrahlen. Diese Wellen haben einen charakteristischen Ton (Zwitschern), der zur Messung der Masse dieser beiden Objekte verwendet werden kann. Danach verschmelzen Schwarze Löcher normalerweise.

„Stellen Sie sich zwei Seifenblasen vor, die sich so nahe kommen, dass sie eine einzige Blase bilden. Eine größere Blase verformt sich“, sagt Tybalt Damour, Schwerkrafttheoretiker am Institute for Advanced Studies. wissenschaftliche Forschung in der Nähe von Paris. Das ultimative Schwarze Loch wird perfekt sein Kugelform, muss aber zunächst Gravitationswellen vorhersehbarer Art aussenden.

Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Konsequenzen der Entdeckung der Verschmelzung von Schwarzen Löchern wird die Bestätigung der Existenz von Schwarzen Löchern sein – zumindest perfekt runde Objekte, die aus reiner, leerer, gekrümmter Raumzeit bestehen, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Eine weitere Konsequenz ist, dass die Fusion wie von Wissenschaftlern vorhergesagt verläuft. Astronomen haben viele indirekte Beweise für dieses Phänomen, aber bisher handelte es sich dabei um Beobachtungen von Sternen und überhitztem Gas, die Schwarze Löcher umkreisen, und nicht um Schwarze Löcher selbst.

„Die wissenschaftliche Gemeinschaft, mich eingeschlossen, mag keine Schwarzen Löcher. „Wir halten sie für selbstverständlich“, sagt Frans Pretorius, Spezialist für Simulationen der Allgemeinen Relativitätstheorie an der Princeton University in New Jersey. „Aber wenn man darüber nachdenkt, was für eine erstaunliche Vorhersage das ist, brauchen wir wirklich erstaunliche Beweise.“

Breiten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit aus?

Wenn Wissenschaftler anfangen, LIGO-Beobachtungen mit denen anderer Teleskope zu vergleichen, prüfen sie zunächst, ob das Signal gleichzeitig eintraf. Physiker glauben, dass die Schwerkraft durch Teilchen übertragen wird, die Gravitonen genannt werden, das Gravitationsanalogon der Photonen. Wenn diese Teilchen wie Photonen keine Masse haben, breiten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit aus, was der Vorhersage der Geschwindigkeit von Gravitationswellen in der klassischen Relativitätstheorie entspricht. (Ihre Geschwindigkeit kann durch die beschleunigte Expansion des Universums beeinflusst werden, dies sollte sich jedoch bei Entfernungen bemerkbar machen, die weit über die von LIGO abgedeckten Entfernungen hinausgehen.)

Es ist jedoch durchaus möglich, dass Gravitonen eine geringe Masse haben, was bedeutet, dass sich Gravitationswellen mit einer Geschwindigkeit unter der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn LIGO und Virgo beispielsweise Gravitationswellen entdecken und herausfinden, dass die Wellen später auf der Erde eintrafen als die mit dem kosmischen Ereignis verbundenen Gammastrahlen, könnte dies lebensverändernde Folgen für die Grundlagenphysik haben.

Besteht die Raumzeit aus kosmischen Strings?

Eine noch seltsamere Entdeckung könnte passieren, wenn Gravitationswellenausbrüche entdeckt würden, die von „kosmischen Saiten“ ausgehen. Diese hypothetischen Defekte in der Krümmung der Raumzeit, die möglicherweise mit Stringtheorien in Zusammenhang stehen oder nicht, sollten unendlich dünn sein, sich aber über kosmische Entfernungen erstrecken. Wissenschaftler sagen voraus, dass kosmische Saiten, falls sie existieren, versehentlich knicken könnten; Wenn die Schnur knickt, entsteht ein Gravitationsschub, den Detektoren wie LIGO oder Virgo messen könnten.

Können Neutronensterne gezackt sein?

Neutronensterne sind die Überreste großer Sterne, die unter ihrem eigenen Gewicht kollabierten und so dicht wurden, dass Elektronen und Protonen zu Neutronen zu verschmelzen begannen. Wissenschaftler haben wenig Verständnis für die Physik von Neutronenlöchern, aber Gravitationswellen könnten viel über sie verraten. Beispielsweise führt die starke Schwerkraft auf ihrer Oberfläche dazu, dass Neutronensterne nahezu perfekt kugelförmig werden. Einige Wissenschaftler haben jedoch vermutet, dass sie möglicherweise auch einige Millimeter hohe „Berge“ haben, die diese dichten Objekte mit einem Durchmesser von nicht mehr als 10 Kilometern leicht asymmetrisch machen. Neutronensterne drehen sich normalerweise sehr schnell, sodass eine asymmetrische Massenverteilung die Raumzeit verzerrt und ein konstantes Gravitationswellensignal in Form einer Sinuswelle erzeugt, wodurch die Rotation des Sterns verlangsamt und Energie abgestrahlt wird.

Paare von Neutronensternen, die einander umkreisen, erzeugen ebenfalls ein konstantes Signal. Wie Schwarze Löcher drehen sich diese Sterne spiralförmig und verschmelzen schließlich mit einem charakteristischen Geräusch. Aber seine Besonderheiten unterscheiden sich von den Besonderheiten des Klangs von Schwarzen Löchern.

Warum explodieren Sterne?

Schwarze Löcher und Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne aufhören zu leuchten und in sich zusammenfallen. Astrophysiker glauben, dass dieser Prozess allen gängigen Arten von Supernova-Explosionen vom Typ II zugrunde liegt. Simulationen solcher Supernovae haben noch nicht gezeigt, warum sie zünden, aber man geht davon aus, dass das Abhören der von einer echten Supernova ausgesendeten Gravitationswellenausbrüche die Antwort liefert. Abhängig davon, wie Burst-Wellen aussehen, wie laut sie sind, wie oft sie auftreten und wie sie mit Supernovae korrelieren, die von elektromagnetischen Teleskopen beobachtet werden, könnten diese Daten dabei helfen, eine Reihe bestehender Modelle auszuschließen.

Wie schnell expandiert das Universum?

Die Ausdehnung des Universums führt dazu, dass entfernte Objekte, die sich von unserer Galaxie entfernen, röter erscheinen, als sie tatsächlich sind, da das von ihnen emittierte Licht bei ihrer Bewegung gedehnt wird. Kosmologen schätzen die Expansionsrate des Universums, indem sie die Rotverschiebung von Galaxien mit ihrer Entfernung von uns vergleichen. Diese Entfernung wird jedoch normalerweise anhand der Helligkeit von Supernovae vom Typ Ia geschätzt, und diese Technik birgt viele Unsicherheiten.

Wenn mehrere Gravitationswellendetektoren auf der ganzen Welt Signale derselben Neutronensternverschmelzung erfassen, können sie gemeinsam die Lautstärke des Signals und damit die Entfernung, in der die Verschmelzung stattfand, genau abschätzen. Sie werden auch in der Lage sein, die Richtung abzuschätzen und damit die Galaxie zu identifizieren, in der sich das Ereignis ereignete. Durch den Vergleich der Rotverschiebung dieser Galaxie mit der Entfernung zu den verschmelzenden Sternen kann eine unabhängige Rate der kosmischen Expansion ermittelt werden, die möglicherweise genauer ist, als es aktuelle Methoden erlauben.

Quellen

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

Hier haben wir irgendwie herausgefunden, aber was ist und. Sehen Sie, wie es aussieht Der Originalartikel ist auf der Website InfoGlaz.rf Link zum Artikel, aus dem diese Kopie stammt -, USA
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Gravitationswellen endlich entdeckt

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Schwingungen in der Raumzeit werden ein Jahrhundert nach ihrer Vorhersage durch Einstein entdeckt. Eine neue Ära in der Astronomie beginnt.

Wissenschaftler konnten Schwankungen in der Raumzeit nachweisen, die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern verursacht werden. Dies geschah hundert Jahre, nachdem Albert Einstein diese „Gravitationswellen“ in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte, und hundert Jahre, nachdem Physiker begannen, nach ihnen zu suchen.

Die bahnbrechende Entdeckung wurde heute von Forschern des LIGO Laser Interferometrischen Gravitationswellenobservatoriums gemeldet. Sie bestätigten die Gerüchte, die sich seit mehreren Monaten um die Analyse des ersten Datensatzes rankten. Astrophysiker sagen, dass die Entdeckung der Gravitationswellen eine neue Sichtweise auf das Universum eröffnet und es ermöglicht, entfernte Ereignisse zu erkennen, die mit optischen Teleskopen nicht sichtbar sind, deren schwaches Zittern aber durch den Weltraum zu uns gelangt, und das man spüren und sogar hören kann.

„Wir haben Gravitationswellen entdeckt. Wir haben es geschafft!" Das gab David Reitze, Geschäftsführer des 1.000-köpfigen Forschungsteams, heute auf einer Pressekonferenz in Washington DC bei der National Science Foundation bekannt.

Gravitationswellen sind vielleicht das schwer fassbare Phänomen von Einsteins Vorhersagen, der Wissenschaftler diskutierte dieses Thema jahrzehntelang mit seinen Zeitgenossen. Nach seiner Theorie bilden Raum und Zeit eine dehnbare Materie, die sich unter dem Einfluss schwerer Gegenstände biegt. Die Schwerkraft zu spüren bedeutet, in die Windungen dieser Materie zu geraten. Aber kann diese Raumzeit wie das Fell einer Trommel zittern? Einstein war verwirrt, er wusste nicht, was seine Gleichungen bedeuteten. Und änderte immer wieder seinen Standpunkt. Aber selbst die überzeugtesten Befürworter seiner Theorie glaubten, dass Gravitationswellen ohnehin zu schwach seien, um beobachtet zu werden. Nach bestimmten Kataklysmen strömen sie kaskadenartig nach außen und dehnen und komprimieren bei ihrer Bewegung abwechselnd die Raumzeit. Aber bis diese Wellen die Erde erreichen, dehnen und komprimieren sie jeden Kilometer des Weltraums um einen winzigen Bruchteil des Durchmessers eines Atomkerns.

© REUTERS, Detektor des Observatoriums Hangout LIGO in Hanford, Washington

Um diese Wellen zu erkennen, waren Geduld und Vorsicht erforderlich. Das LIGO-Observatorium feuerte Laserstrahlen entlang vier Kilometer langer, rechtwinkliger Knie von zwei Detektoren hin und her, einer in Hanford, Washington, und der andere in Livingston, Louisiana. Dies geschah auf der Suche nach passenden Ausdehnungen und Kontraktionen dieser Systeme beim Durchgang von Gravitationswellen. Mit modernsten Stabilisatoren, Vakuuminstrumenten und Tausenden von Sensoren maßen die Wissenschaftler Längenänderungen dieser Systeme, die nur ein Tausendstel der Größe eines Protons betrugen. Eine solche Empfindlichkeit der Instrumente war vor hundert Jahren undenkbar. Es schien unglaublich, als Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology 1968 ein Experiment namens LIGO erfand.

„Es ist ein großes Wunder, dass es ihnen am Ende gelungen ist. Sie konnten diese winzigen Vibrationen auffangen!“ sagte der theoretische Physiker Daniel Kennefick von der University of Arkansas, der 2007 das Buch Travelling at the Speed ​​​​of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves schrieb.

Diese Entdeckung markierte den Beginn einer neuen Ära in der Gravitationswellenastronomie. Wir hoffen, dass wir genauere Vorstellungen über die Entstehung, Zusammensetzung und galaktische Rolle von Schwarzen Löchern haben – diesen superdichten Massenbällen, die die Raumzeit so stark verzerren, dass nicht einmal Licht ihnen entkommen kann. Wenn sich Schwarze Löcher einander nähern und verschmelzen, erzeugen sie ein Impulssignal – Raum-Zeit-Schwankungen, die in Amplitude und Ton zunehmen und dann abrupt enden. Die Signale, die das Observatorium wahrnehmen kann, liegen im Audiobereich – sie sind jedoch zu schwach, um mit bloßem Ohr gehört zu werden. Sie können diesen Klang nachbilden, indem Sie mit den Fingern über die Klaviertasten fahren. „Beginnen Sie mit der tiefsten Note und arbeiten Sie sich bis zur dritten Oktave vor“, sagte Weiss. „Das hören wir.“

Schon jetzt sind Physiker überrascht über die Anzahl und Stärke der aufgezeichneten Signale dieser Moment. Das bedeutet, dass es auf der Welt mehr Schwarze Löcher gibt als bisher angenommen. „Wir hatten Glück, aber ich habe immer mit dieser Art von Glück gerechnet“, sagte der Caltech-Astrophysiker Kip Thorne, der LIGO gemeinsam mit Weiss und Ronald Drever, ebenfalls vom Caltech, entwickelt hat. „Das passiert normalerweise, wenn sich im Universum ein ganz neues Fenster öffnet.“

Durch das Hören von Gravitationswellen können wir uns völlig andere Vorstellungen vom Weltraum machen und vielleicht unvorstellbare kosmische Phänomene entdecken.

„Ich kann es mit dem ersten Mal vergleichen, als wir ein Teleskop in den Himmel richteten“, sagte die theoretische Astrophysikerin Janna Levin vom Barnard College der Columbia University. „Die Menschen haben verstanden, dass da draußen etwas ist, und man kann es sehen, aber sie konnten die unglaubliche Vielfalt an Möglichkeiten, die im Universum existieren, nicht vorhersagen.“ In ähnlicher Weise, so Levin, könnte die Entdeckung der Gravitationswellen zeigen, dass das Universum „voller dunkler Materie ist, die wir nicht einfach mit einem Teleskop entdecken können“.

Die Geschichte der Entdeckung der ersten Gravitationswelle begann am Montagmorgen im September und begann mit Baumwolle. Das Signal war so deutlich und laut, dass Weiss dachte: „Nein, das ist Unsinn, daraus wird nichts.“

Intensität der Emotionen

Diese erste Gravitationswelle fegte über die Detektoren des modernisierten LIGO – zuerst in Livingston und sieben Millisekunden später in Hanford – während eines Simulationslaufs in den frühen Morgenstunden des 14. September, zwei Tage vor dem offiziellen Beginn der Datenerfassung.

Nach der Modernisierung, die fünf Jahre dauerte und 200 Millionen Dollar kostete, waren die Detektoren „eingelaufen“. Sie wurden mit neuen Spiegelaufhängungen zur Geräuschreduzierung und einem aktiven ausgestattet Rückmeldung um Fremdschwingungen in Echtzeit zu unterdrücken. Durch die Modernisierung erhielt das modernisierte Observatorium eine höhere Empfindlichkeit als das alte LIGO, das zwischen 2002 und 2010 den „absoluten und reinen Nullpunkt“ fand, wie Weiss es ausdrückte.

Als im September ein starkes Signal kam, begannen Wissenschaftler in Europa, wo es zu diesem Zeitpunkt Morgen war, ihre amerikanischen Kollegen hastig mit Nachrichten zu bombardieren Email. Als der Rest der Gruppe aufwachte, verbreitete sich die Nachricht sehr schnell. Praktisch alle seien skeptisch gewesen, sagte Weiss, besonders als sie das Signal sahen. Es handelte sich um einen echten Lehrbuchklassiker, weshalb einige Leute es für eine Fälschung hielten.

Seit den späten 1960er Jahren, als Joseph Weber von der University of Maryland glaubte, mit Sensoren als Reaktion auf die Wellen resonante Schwingungen in einem Aluminiumzylinder entdeckt zu haben, wurden bei der Suche nach Gravitationswellen immer wieder falsche Behauptungen aufgestellt. Im Jahr 2014 fand ein Experiment namens BICEP2 statt, das zur Bekanntgabe der Entdeckung ursprünglicher Gravitationswellen führte – Raum-Zeit-Fluktuationen aus dem Urknall, die sich mittlerweile ausgedehnt und dauerhaft in der Geometrie des Universums eingefroren haben. Wissenschaftler der BICEP2-Gruppe verkündeten ihre Entdeckung mit großem Getöse, doch dann wurden ihre Ergebnisse unabhängig verifiziert, wobei sich herausstellte, dass sie falsch waren und dass dieses Signal vom kosmischen Staub stammte.

Als der Kosmologe Lawrence Krauss von der Arizona State University von der Entdeckung des LIGO-Teams hörte, dachte er zunächst, es handele sich um einen „blinden Schwindel“. Während des Betriebs des alten Observatoriums wurden simulierte Signale heimlich in Datenströme eingefügt, um die Reaktion zu testen Großer Teil Das Team wusste nichts davon. Als Krauss aus sachkundiger Quelle erfuhr, dass es sich dieses Mal nicht um eine „Blindfüllung“ handelte, konnte er seine freudige Aufregung kaum unterdrücken.

Am 25. September twitterte er an seine 200.000 Follower: „Gerüchte über die Entdeckung einer Gravitationswelle am LIGO-Detektor. Erstaunlich, wenn es wahr ist. Ich werde Ihnen die Details mitteilen, wenn es sich nicht um eine Fälschung handelt. Es folgt ein Eintrag vom 11. Januar: „Ehemalige Gerüchte über LIGO durch unabhängige Quellen bestätigt.“ Verfolgen Sie die Nachrichten. Vielleicht wurden Gravitationswellen entdeckt!“

Die offizielle Position der Wissenschaftler lautete: Sprechen Sie nicht über das empfangene Signal, bis hundertprozentige Sicherheit besteht. Thorne, der durch diese Verschwiegenheitspflicht an Händen und Füßen gebunden war, sagte nicht einmal etwas zu seiner Frau. „Ich habe alleine gefeiert“, sagte er. Zunächst beschlossen die Wissenschaftler, zum Anfang zurückzukehren und alles bis ins kleinste Detail zu analysieren, um herauszufinden, wie sich das Signal durch Tausende von Messkanälen verschiedener Detektoren ausbreitete, und um zu verstehen, ob zum Zeitpunkt der Erkennung des Signals etwas Seltsames vorgefallen war. Sie fanden nichts Ungewöhnliches. Sie schlossen auch Hacker aus, die im Verlauf des Experiments am besten über die Tausenden von Datenströmen Bescheid wussten. „Selbst wenn die Mannschaft Blindwürfe macht, sind sie nicht perfekt genug und hinterlassen viele Spuren“, sagte Thorn. „Aber es gab keine Spuren.“

In den folgenden Wochen hörten sie ein weiteres, schwächeres Signal.

Wissenschaftler analysierten die ersten beiden Signale und empfingen immer mehr neue. Im Januar präsentierten sie ihre Forschung in der Zeitschrift Physical Review Letters. Diese Ausgabe geht heute online. Nach ihren Schätzungen übersteigt die statistische Signifikanz des ersten, stärksten Signals „5-Sigma“, was bedeutet, dass die Forscher sich seiner Echtheit zu 99,9999 % sicher sind.

der Schwerkraft zuhören

Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sind so komplex, dass die meisten Physiker 40 Jahre brauchten, um sich darauf zu einigen, dass Gravitationswellen existieren und nachgewiesen werden können – sogar theoretisch.

Zunächst glaubte Einstein, dass Objekte keine Energie in Form von Gravitationsstrahlung abgeben könnten, doch dann änderte er seine Meinung. In seinem historischen Werk aus dem Jahr 1918 zeigte er, was für Objekte das können: hantelförmige Systeme, die sich gleichzeitig um zwei Achsen drehen, etwa Doppel- und Supernovasterne, die wie Feuerwerkskörper explodieren. Sie können Wellen in der Raumzeit erzeugen.

© REUTERS, Handout Ein Computermodell, das die Natur der Gravitationswellen im Sonnensystem veranschaulicht

Doch Einstein und seine Kollegen schwankten weiterhin. Einige Physiker haben argumentiert, dass selbst wenn Wellen existieren würden, die Welt mit ihnen schwingen würde und es unmöglich sei, sie zu spüren. Erst 1957 schloss Richard Feynman die Frage ab, indem er in einem Gedankenexperiment demonstrierte, dass Gravitationswellen, wenn sie existieren, theoretisch nachgewiesen werden können. Aber niemand wusste, wie häufig diese hantelförmigen Systeme im Weltraum vorkamen und wie stark oder schwach die daraus resultierenden Wellen waren. „Letztendlich war die Frage: Werden wir sie jemals finden?“ sagte Kennefick.

Im Jahr 1968 wurde Rainer Weiss als junger Professor am MIT beauftragt, einen Kurs über Allgemeine Relativitätstheorie zu unterrichten. Als Experimentator wusste er wenig darüber, doch plötzlich gab es die Nachricht von Webers Entdeckung der Gravitationswellen. Weber baute drei tischgroße Resonanzdetektoren aus Aluminium und platzierte sie in verschiedenen amerikanischen Bundesstaaten. Jetzt sagte er, dass alle drei Detektoren „den Klang von Gravitationswellen“ aufgezeichnet hätten.

Die Schüler von Weiss wurden gebeten, die Natur der Gravitationswellen zu erklären und ihre Meinung zur Botschaft zu äußern. Als er die Details studierte, war er von der Komplexität der mathematischen Berechnungen beeindruckt. „Ich konnte nicht herausfinden, was zum Teufel Weber tat, wie die Sensoren mit der Gravitationswelle interagierten. Ich saß lange da und fragte mich: „Was ist das primitivste Ding, das mir einfällt, das Gravitationswellen erkennt?“ Und dann kam mir eine Idee, die ich die konzeptionelle Grundlage von LIGO nenne.

Stellen Sie sich drei Objekte in der Raumzeit vor, beispielsweise Spiegel an den Ecken eines Dreiecks. „Senden Sie ein Lichtsignal von einem zum anderen“, sagte Weber. „Schauen Sie, wie lange es dauert, von einer Masse zur nächsten zu gelangen, und sehen Sie, ob sich die Zeit geändert hat.“ Es zeige sich, so der Wissenschaftler, dass dies schnell erledigt werden könne. „Ich habe dies meinen Studierenden als wissenschaftliche Aufgabe anvertraut. Im wahrsten Sinne des Wortes war die ganze Gruppe in der Lage, diese Berechnungen durchzuführen.“

Als in den darauffolgenden Jahren andere Forscher versuchten, die Ergebnisse von Webers Resonanzdetektorexperiment zu reproduzieren, aber immer wieder scheiterten (es ist nicht klar, was er beobachtete, aber es handelte sich nicht um Gravitationswellen), begann Weiss mit der Vorbereitung eines viel genaueren und ehrgeizigeren Experiments: dem Gravitationswelleninterferometer. Der Laserstrahl wird von drei Spiegeln reflektiert, die in Form des Buchstabens „L“ angebracht sind, und formt zwei Strahlen. Das Intervall der Spitzen und Tiefen der Lichtwellen gibt genau die Länge der Biegungen des Buchstabens „G“ an, die die x- und y-Achsen der Raumzeit bilden. Bei stillstehender Waage prallen die beiden Lichtwellen an den Ecken ab und heben sich gegenseitig auf. Das Signal im Detektor ist Null. Wenn jedoch eine Gravitationswelle durch die Erde geht, dehnt sie die Länge eines Arms des Buchstabens „G“ aus und komprimiert die Länge des anderen (und abwechselnd umgekehrt). Die Nichtübereinstimmung der beiden Lichtstrahlen erzeugt im Detektor ein Signal, das leichte Schwankungen in der Raumzeit anzeigt.

Zunächst waren andere Physiker skeptisch, aber das Experiment fand bald Unterstützung bei Thorne, dessen Caltech-Theoretikergruppe Schwarze Löcher und andere potenzielle Quellen von Gravitationswellen sowie die von ihnen erzeugten Signale untersuchte. Thorne ließ sich vom Weber-Experiment und ähnlichen Bemühungen russischer Wissenschaftler inspirieren. Nachdem ich 1975 auf einer Konferenz mit Weiss gesprochen hatte, „fing ich an zu glauben, dass die Entdeckung von Gravitationswellen erfolgreich sein würde“, sagte Thorn. „Und ich wollte, dass Caltech auch ein Teil davon ist.“ Er arrangierte mit dem Institut die Anstellung des schottischen Experimentators Ronald Driver, der ebenfalls behauptete, ein Gravitationswelleninterferometer zu bauen. Im Laufe der Zeit begannen Thorne, Driver und Weiss als Team zu arbeiten und jeder löste seinen Anteil an unzähligen Problemen in Vorbereitung auf ein praktisches Experiment. Das Trio gründete LIGO im Jahr 1984, und als Prototypen gebaut wurden und die Zusammenarbeit als Teil eines stetig wachsenden Teams begann, erhielten sie Anfang der 1990er Jahre 100 Millionen US-Dollar an Fördermitteln von der National Science Foundation. Es wurden Zeichnungen für den Bau eines Paares riesiger L-förmiger Detektoren erstellt. Ein Jahrzehnt später begannen die Detektoren zu funktionieren.

In Hunford und Livingston herrscht in der Mitte jedes der vier Kilometer langen Knie der Detektoren ein Vakuum, wodurch der Laser, sein Strahl und seine Spiegel maximal von den ständigen Schwingungen des Planeten isoliert sind. Um auf der sicheren Seite zu sein, überwachen LIGO-Wissenschaftler ihre Detektoren, während sie mit Tausenden von Instrumenten arbeiten, und messen alles, was sie können: seismische Aktivität, Luftdruck, Blitze, kosmische Strahlung, Gerätevibrationen, Geräusche um den Laserstrahl herum und so weiter. Anschließend filtern sie ihre Daten nach diesen störenden Hintergrundgeräuschen. Das Wichtigste ist vielleicht, dass sie über zwei Detektoren verfügen. Dadurch können Sie die empfangenen Daten vergleichen und auf das Vorhandensein übereinstimmender Signale prüfen.

Kontext

Gravitationswellen: vollendete, was Einstein in Bern begann

SwissInfo 13.02.2016

Wie Schwarze Löcher sterben

Mittel 19.10.2014
Innerhalb des erzeugten Vakuums passieren selbst bei vollständig isolierten und stabilisierten Lasern und Spiegeln „ständig seltsame Dinge“, sagt Marco Cavaglià, stellvertretender Sprecher des LIGO-Projekts. Wissenschaftler müssen diese „Goldfische“, „Geister“, „seltsamen Seeungeheuer“ und andere fremde Schwingungsphänomene aufspüren und ihre Quelle herausfinden, um sie zu beseitigen. Eins Hartschalenkoffer Dies geschah während der Verifizierungsphase, sagte LIGO-Forscherin Jessica McIver, die solche Fremdsignale und Interferenzen untersucht. Unter den Daten trat häufig eine Reihe periodischer Einzelfrequenzrauschen auf. Als sie und ihre Kollegen die Vibrationen der Spiegel in Audiodateien umwandelten, „wurde das Klingeln des Telefons deutlich hörbar“, sagte McIver. „Es stellte sich heraus, dass es die Kommunikationswerber waren, die im Laserraum telefonierten.“

In den nächsten zwei Jahren werden Wissenschaftler die Empfindlichkeit der Detektoren des modernisierten Laserinterferometrischen Gravitationswellenobservatoriums LIGO weiter verbessern. Und in Italien wird ein drittes Interferometer namens Advanced Virgo seinen Betrieb aufnehmen. Eine Antwort, die die Erkenntnisse liefern werden, ist die Frage, wie Schwarze Löcher entstehen. Sind sie das Produkt des Zusammenbruchs der frühesten massereichen Sterne oder das Ergebnis von Kollisionen innerhalb dichter Sternhaufen? „Das sind nur zwei Vermutungen, ich glaube, dass es noch mehr geben wird, wenn sich die Lage beruhigt“, sagt Weiss. Während LIGO im Laufe seiner bevorstehenden Arbeit damit beginnt, neue Statistiken zu sammeln, werden Wissenschaftler beginnen, Geschichten über den Ursprung von Schwarzen Löchern zu hören, die ihnen aus dem Weltraum zugeflüstert werden.

Der Form und Größe nach zu urteilen, ereignete sich das erste, lauteste Pulssignal 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Stelle entfernt, an der nach einer Ewigkeit langsamen Tanzes unter dem Einfluss der gegenseitigen Anziehungskraft zwei Schwarze Löcher, jedes etwa 30-fache der Sonnenmasse, schließlich verschmolzen. Die Schwarzen Löcher kreisten immer schneller, wie ein Strudel, und näherten sich allmählich. Dann kam es zu einer Verschmelzung, und im Handumdrehen setzten sie Gravitationswellen frei, deren Energie mit der Energie von drei Sonnen vergleichbar war. Diese Fusion war das stärkste Energiephänomen, das jemals aufgezeichnet wurde.

„Es ist, als hätten wir das Meer noch nie in einem Sturm gesehen“, sagte Thorn. Auf diesen Sturm in der Raumzeit wartet er seit den 1960er Jahren. Das Gefühl, das Thorn in dem Moment verspürte, als diese Wellen hereinrollten, könne nicht als Aufregung bezeichnet werden, sagt er. Es war etwas anderes: ein Gefühl tiefer Zufriedenheit.

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