Jetzt leben wir in einem Universum voller Gravitationswellen.

Bis zur historischen Ankündigung am Donnerstagmorgen von der Sitzung der National Science Foundation (NSF) in Washington gab es nur Gerüchte, dass das Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) eine Schlüsselkomponente von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie entdeckt hatte, aber jetzt wissen wir es die Realität ist tiefer, als wir dachten.

Mit erstaunlicher Klarheit war LIGO in der Lage, den Moment vor der Verschmelzung des binären Systems (zwei umeinander rotierende schwarze Löcher) zu einem einzigen Ganzen zu „hören“, wodurch ein so klares Gravitationswellensignal in Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell erzeugt wurde, das dies nicht tat Diskussion erfordern. LIGO war Zeuge der „Wiedergeburt“ eines mächtigen Schwarzen Lochs, die vor etwa 1,3 Milliarden Jahren stattfand.

Gravitationswellen sind schon immer durch unseren Planeten gegangen und werden es immer sein (tatsächlich durch uns hindurch), aber erst jetzt wissen wir, wie wir sie finden können. Jetzt haben wir unsere Augen für verschiedene kosmische Signale geöffnet, Schwingungen, die durch bekannte Energieereignisse verursacht werden, und werden Zeuge der Geburt eines völlig neuen Gebiets der Astronomie.

Das Geräusch zweier verschmelzender schwarzer Löcher:

„Jetzt können wir das Universum hören", sagte Gabriela Gonzalez, Physikerin und LIGO-Sprecherin, während des triumphalen Treffens am Donnerstag. „Die Entdeckung hat eine neue Ära eingeläutet: Das Gebiet der Gravitationsastronomie ist nun Realität."

Unser Platz im Universum verändert sich stark und diese Entdeckung kann grundlegend sein, wie die Entdeckung von Radiowellen und das Verständnis, dass sich das Universum ausdehnt.

Die Relativitätstheorie gewinnt an Gültigkeit

Der Versuch zu erklären, was Gravitationswellen sind und warum sie so wichtig sind, ist so komplex wie die Gleichungen, die sie beschreiben, aber sie zu finden, stärkt nicht nur Einsteins Theorien über die Natur der Raumzeit, wir haben jetzt ein Werkzeug, um den Teil des Universums zu untersuchen, der das ist war für uns unsichtbar. Wir können jetzt die kosmischen Wellen untersuchen, die von den energiereichsten Ereignissen im Universum erzeugt werden, und vielleicht Gravitationswellen nutzen, um neue physikalische Entdeckungen zu machen und neue astronomische Phänomene zu erforschen.

„Jetzt müssen wir beweisen, dass wir über die Technologie verfügen, um über die Entdeckung von Gravitationswellen hinauszugehen, denn dies eröffnet uns viele Möglichkeiten“, sagte Lewis Lehner vom Ontario Institute for Theoretical Physics in einem Interview nach der Erklärung vom Donnerstag.

Lehners Forschung konzentriert sich auf dichte Objekte (wie etwa Schwarze Löcher), die starke Gravitationswellen erzeugen. Obwohl er nicht mit der LIGO-Kollaboration verbunden ist, erkannte Lehner schnell die Bedeutung dieser historischen Entdeckung. „Es gibt keine besseren Signale“, sagte er.

Die Entdeckung basiere auf drei Wegen, begründet er. Erstens wissen wir jetzt, dass Gravitationswellen existieren, und wir wissen, wie man sie erkennt. Zweitens ist das von den LIGO-Stationen am 14. September 2015 entdeckte Signal ein starker Beweis für die Existenz eines binären Systems aus Schwarzen Löchern, und jedes Schwarze Loch wiegt mehrere zehn Sonnenmassen. Das Signal ist genau das, was wir als Ergebnis der harten Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erwartet hatten, von denen eines das 29-fache der Sonne und das andere das 36-fache der Sonne wiegt. Drittens, und vielleicht am wichtigsten, ist "die Möglichkeit, in ein Schwarzes Loch geschickt zu werden", definitiv der stärkste Beweis für die Existenz von Schwarzen Löchern.

Kosmische Intuition

Dieses Ereignis war wie viele andere wissenschaftliche Entdeckungen vom Glück begleitet. LIGO ist das größte Projekt, das von der National Science Foundation finanziert wird und im Jahr 2002 gestartet wurde. Es stellte sich heraus, dass LIGO nach vielen Jahren der Suche nach dem schwer fassbaren Signal von Gravitationswellen nicht empfindlich genug ist, und 2010 wurden die Observatorien eingefroren, während internationale Zusammenarbeit durchgeführt wurde, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Fünf Jahre später, im September 2015, wurde „improved LIGO“ geboren.

Zu dieser Zeit war LIGO-Mitbegründer und Schwergewicht der theoretischen Physik, Kip Thorne, vom Erfolg von LIGO überzeugt und sagte der BBC: „Wir sind hier. Wir sind im großen Spiel. Und es ist ganz klar, dass wir den Schleier der Geheimhaltung lüften werden.“ Und er hatte Recht, wenige Tage nach der Rekonstruktion fegte ein Ausbruch von Gravitationswellen über unseren Planeten, und LIGO war empfindlich genug, sie zu erkennen.

Diese Verschmelzungen von Schwarzen Löchern gelten nicht als etwas Besonderes; Schätzungen zufolge ereignen sich solche Ereignisse alle 15 Minuten irgendwo im Universum. Aber diese besondere Verschmelzung geschah am richtigen Ort (in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren) zur richtigen Zeit (vor 1,3 Milliarden Jahren), damit die LIGO-Observatorien ihr Signal empfangen konnten. Es war ein reines Signal aus dem Universum, und Einstein sagte es voraus, und seine Gravitationswellen stellten sich als real heraus und beschrieben ein kosmisches Ereignis, das 50-mal stärker ist als die Kraft aller Sterne im Universum zusammen. Dieser gewaltige Ausbruch von Gravitationswellen wurde von LIGO als hochfrequentes Chirp-Signal aufgezeichnet, als die Schwarzen Löcher spiralförmig zu einem wurden.

Um die Ausbreitung von Gravitationswellen zu bestätigen, besteht LIGO aus zwei Beobachtungsstationen, eine in Louisiana, die andere in Washington. Um Fehlalarme auszuschließen, muss das Gravitationswellensignal an beiden Stationen detektiert werden. Am 14. September wurde das Ergebnis zuerst in Louisiana und nach 7 Millisekunden in Washington erhalten. Die Signale stimmten überein, und mithilfe von Triangulation konnten Physiker herausfinden, dass sie vom Himmel der südlichen Hemisphäre stammten.

Gravitationswellen: Wie können sie nützlich sein?

Wir haben also eine Bestätigung des Verschmelzungssignals der Schwarzen Löcher, na und? Dies ist eine historische Entdeckung, was verständlich ist - vor 100 Jahren konnte Einstein nicht einmal davon träumen, diese Wellen zu entdecken, aber es geschah.

Die Allgemeine Relativitätstheorie war eine der tiefgreifendsten wissenschaftlichen und philosophischen Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts und bildet die Grundlage der intellektuellsten Forschung in der Realität. In der Astronomie sind die Anwendungen der Allgemeinen Relativitätstheorie klar: von der Gravitationslinse bis zur Messung der Ausdehnung des Universums. Aber die praktische Anwendung von Einsteins Theorien ist überhaupt nicht klar, aber die meisten modernen Technologien nutzen die Lehren aus der Relativitätstheorie in einigen Dingen, die als einfach gelten. Nehmen Sie zum Beispiel globale Navigationssatelliten, sie sind nicht genau genug, wenn nicht eine einfache Korrektur für die Zeitdilatation (vorhergesagt durch die Relativitätstheorie) angewendet wird.

Es ist klar, dass die allgemeine Relativitätstheorie Anwendungen in der realen Welt hat, aber als Einstein 1916 seine Theorie vorstellte, war ihre Anwendung höchst fragwürdig, was offensichtlich schien. Er verband einfach das Universum, wie er es sah, und die allgemeine Relativitätstheorie war geboren. Und nun ist eine weitere Komponente der Relativitätstheorie bewiesen, doch wie lassen sich Gravitationswellen nutzen? Astrophysiker und Kosmologen sind definitiv fasziniert.

„Nachdem wir Daten von Paaren von Schwarzen Löchern gesammelt haben, die als im ganzen Universum verstreute Leuchtfeuer fungieren werden“, sagte der theoretische Physiker Neil Turok, Direktor des Instituts für Theoretische Physik, am Donnerstag während einer Videopräsentation Geschwindigkeitsausdehnung des Universums oder die Menge an dunkler Energie mit extremer Präzision, viel genauer als wir es heute können.“

„Einstein entwickelte seine Theorie mit einigen Hinweisen aus der Natur, aber basierend auf einer logischen Abfolge. In 100 Jahren sehen Sie eine sehr genaue Bestätigung seiner Vorhersagen.“

Darüber hinaus hat das Event vom 14. September einige physikalische Besonderheiten, die noch erforscht werden müssen. Zum Beispiel bemerkte Lehner, dass man durch die Analyse eines Gravitationswellensignals den "Spin" oder Drehimpuls eines verschmelzenden Schwarzen Lochs messen konnte. „Wenn Sie lange an einer Theorie gearbeitet haben, sollten Sie wissen, dass ein Schwarzes Loch eine ganz, ganz besondere Drehung hat“, sagte er.

Die Entstehung von Gravitationswellen bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher:

Aus irgendeinem Grund ist die Endrotation des Schwarzen Lochs langsamer als erwartet, was darauf hindeutet, dass die Schwarzen Löcher mit niedriger Geschwindigkeit kollidieren oder dass sie sich in einer solchen Kollision befanden, die dazu führte, dass sich der gemeinsame Drehimpuls gegeneinander auswirkte. „Es ist sehr interessant, warum hat die Natur das getan?“, sagte Lehner.

Dieses jüngste Rätsel bringt möglicherweise einige grundlegende Physik zurück, die ausgelassen wurden, aber noch faszinierender ist, dass es „neue“, ungewöhnliche Physik enthüllen kann, die nicht in die allgemeine Relativitätstheorie passt. Und dies offenbart andere Anwendungen von Gravitationswellen: Da sie durch starke Gravitationsphänomene erzeugt werden, haben wir die Möglichkeit, diese Umgebung aus der Ferne zu untersuchen, mit möglichen Überraschungen auf dem Weg. Außerdem könnten wir Beobachtungen astrophysikalischer Phänomene mit elektromagnetischen Kräften kombinieren, um den Aufbau des Universums besser zu verstehen.

Anwendung?

Natürlich fragen sich viele Menschen außerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft nach den riesigen Ankündigungen, die aus dem Komplex der wissenschaftlichen Entdeckungen gemacht wurden, wie sie diese beeinflussen können. Die Entdeckungstiefe kann verloren gehen, was natürlich auch für Gravitationswellen gilt. Aber denken Sie an einen anderen Fall: Als Wilhelm Röntgen 1895 beim Experimentieren mit Kathodenstrahlröhren die Röntgenstrahlen entdeckte, wissen nur wenige, dass diese elektromagnetischen Wellen in nur wenigen Jahren zu einem Schlüsselbestandteil der täglichen Medizin von der Diagnose bis zur Behandlung werden werden. In ähnlicher Weise bestätigte Heinrich Hertz mit der ersten experimentellen Erzeugung von Radiowellen im Jahr 1887 die bekannten elektromagnetischen Gleichungen von James Clerk Maxwell. Erst nach einiger Zeit in den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts bewies Guglielmo Marconi, der die Funksender und Funkempfänger entwickelte, ihre praktische Anwendbarkeit. Auch die Schrödinger-Gleichungen, die die komplexe Welt der Quantendynamik beschreiben, werden jetzt bei der Entwicklung von ultraschnellem Quantencomputing verwendet.

Alle wissenschaftlichen Entdeckungen sind nützlich, und viele haben letztendlich alltägliche Anwendungen, die wir für selbstverständlich halten. Derzeit beschränkt sich die praktische Anwendung von Gravitationswellen auf Astrophysik und Kosmologie – jetzt haben wir ein Fenster ins „dunkle Universum“, das für elektromagnetische Strahlung nicht sichtbar ist. Zweifellos werden Wissenschaftler und Ingenieure andere Verwendungen für diese kosmischen Pulsationen finden als die Erfassung des Universums. Um diese Wellen zu erkennen, müssen jedoch gute Fortschritte in der optischen Technologie in LIGO erzielt werden, in der im Laufe der Zeit neue Technologien auftauchen werden.

Die Teilnehmer des wissenschaftlichen Experiments LIGO, an dem auch russische Physiker beteiligt sind, kündigten die Registrierung von Gravitationswellen durch amerikanische Observatorien an, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher erzeugt wurden.

Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 aufgezeichnet, was am 11. Februar 2016 auf einer Sonderpressekonferenz von LIGO-Vertretern in Washington bekannt gegeben wurde. Wissenschaftler brauchten sechs Monate, um die Ergebnisse zu verarbeiten und zu verifizieren. Dies kann als offizielle Entdeckung der Gravitationswellen gelten, da sie erstmals direkt auf der Erde registriert wurden. Die Ergebnisse der Arbeit werden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Physiker der Staatlichen Universität Moskau bei einer Pressekonferenz. Foto von Maxim Abaev.

Schema von Interferometern und ihrer Position auf einer schematischen Karte der Vereinigten Staaten. Die Testspiegelmassen in der Abbildung werden als Testmasse bezeichnet.

Versuchsmassen, sie sind auch Interferometerspiegel, aus Quarzglas. Foto: www.ligo.caltech.edu

Numerische Simulation von Gravitationswellen von sich nähernden Schwarzen Löchern. Abbildung: Physical Review Letters http://physics.aps.org/articles/v9/17

LIGO-Observatorium in der Nähe von Livingston, Louisiana. Foto: www.ligo.caltech.edu

Damit ist eines der wichtigsten Probleme der Physiker der letzten 100 Jahre gelöst. Die Existenz von Gravitationswellen wurde von der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) vorhergesagt, die 1915-1916 von Albert Einstein entwickelt wurde – der grundlegenden physikalischen Theorie, die den Aufbau und die Entwicklung unserer Welt beschreibt. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist in der Tat eine Gravitationstheorie, die ihre Verbindung mit den Eigenschaften der Raumzeit herstellt. Massive Körper erzeugen darin Veränderungen, die gemeinhin als Krümmung der Raumzeit bezeichnet werden. Bewegen sich diese Körper mit variabler Beschleunigung, so kommt es zu fortschreitenden Änderungen in der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden.

Das Problem ihrer Registrierung besteht darin, dass Gravitationswellen sehr schwach sind und ihr Nachweis von jeder terrestrischen Quelle fast unmöglich ist. Viele Jahre war es nicht möglich, sie von den meisten Weltraumobjekten aus zu erkennen. Hoffnungen blieben nur auf Gravitationswellen von großen kosmischen Katastrophen wie Supernova-Explosionen, Kollisionen von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Diese Hoffnungen waren berechtigt. In dieser Arbeit werden Gravitationswellen genau aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher nachgewiesen.

Um Gravitationswellen nachzuweisen, wurde 1992 ein grandioses Projekt namens LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - Laser-interferometrisches Gravitationswellen-Observatorium) vorgeschlagen. Die Technologie dafür wurde fast zwanzig Jahre lang entwickelt. Und es wurde von zwei der größten wissenschaftlichen Zentren in den Vereinigten Staaten implementiert - dem California Institute of Technology und dem Massachusetts Institute of Technology. Das gemeinsame wissenschaftliche Team, die LIGO-Kollaboration, umfasst etwa 1.000 Wissenschaftler aus 16 Ländern. Russland wird durch die Staatliche Universität Moskau und das Institut für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften (Nischni Nowgorod) vertreten.

LIGO umfasst Observatorien in den Bundesstaaten Washington und Louisiana, die sich in einer Entfernung von 3000 km befinden und ein L-förmiges Michelson-Interferometer mit zwei Armen von 4 km Länge sind. Der Laserstrahl, der das Spiegelsystem passiert, wird in zwei Strahlen geteilt, von denen sich jeder in seiner Schulter ausbreitet. Sie prallen von den Spiegeln ab und kommen zurück. Dann werden diese beiden Lichtwellen, die unterschiedliche Wege durchlaufen haben, im Detektor addiert. Zunächst wird das System so aufgebaut, dass sich die Wellen gegenseitig auslöschen und nichts auf den Detektor trifft. Gravitationswellen verändern die Abstände zwischen den Testmassen, die gleichzeitig als Interferometerspiegel dienen, was dazu führt, dass die Summe der Wellen nicht mehr gleich Null ist und die Signalintensität auf dem Photodetektor proportional zu diesen Änderungen ist. Dieses Signal wird verwendet, um eine Gravitationswelle zu registrieren.

Die erste, anfängliche Phase der Messungen fand in den Jahren 2002-2010 statt und erlaubte keine Erfassung von Gravitationswellen. Die Empfindlichkeit der Geräte war nicht ausreichend (Schichten bis zu 4x10 -18 m wurden verfolgt). Dann wurde 2010 beschlossen, die Arbeit einzustellen und die Ausrüstung zu verbessern, wodurch die Empfindlichkeit um mehr als das Zehnfache erhöht wurde. Die verbesserte Ausrüstung, die in der zweiten Hälfte des Jahres 2015 in Betrieb genommen wurde, konnte eine Verschiebung um einen Rekord von 10 -19 m feststellen. Und bereits beim Testlauf warteten Wissenschaftler auf eine Entdeckung, sie zeichneten einen Gravitationsschub von einem Ereignis auf die nach langen Studien als die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Massen von 29 und 36 Sonnenmassen identifiziert wurde.

Gleichzeitig mit Washington fand auch in Moskau eine Pressekonferenz statt. Darauf sprachen die Teilnehmer des Experiments, die die Fakultät für Physik der Staatlichen Universität Moskau vertraten, über ihren Beitrag zu seiner Umsetzung. Die Gruppe von VB Braginsky war von Beginn des Projekts an an der Arbeit beteiligt. Die Physiker der Moskauer Staatsuniversität sorgten für den Zusammenbau einer komplexen Struktur, die durch Interferometerspiegel repräsentiert wird, die gleichzeitig als Testmassen dienen.

Außerdem gehörte zu ihren Aufgaben die Bekämpfung von Fremdschwingungen (Rauschen), die den Nachweis von Gravitationswellen stören könnten. Es waren die Spezialisten der Moskauer Staatsuniversität, die bewiesen haben, dass das Gerät aus Quarzglas bestehen sollte, das bei Betriebstemperaturen weniger Lärm macht als Saphir, der von anderen Forschern angeboten wird. Insbesondere zur Reduzierung des thermischen Rauschens musste sichergestellt werden, dass die Schwingungen pendelartig aufgehängter Testmassen nicht sehr lange abklingen. MSU-Physiker haben eine Abklingzeit von 5 Jahren erreicht!

Der Erfolg der durchgeführten Messungen wird eine neue Gravitationswellenastronomie hervorbringen und es ermöglichen, viel über das Universum zu lernen. Vielleicht werden Physiker in der Lage sein, einige der Geheimnisse der Dunklen Materie und der frühen Stadien der Entwicklung des Universums zu entschlüsseln und Bereiche zu untersuchen, in denen die allgemeine Relativitätstheorie verletzt wird.

Basierend auf der Pressekonferenz der LIGO-Kollaboration.

, VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA
© REUTERS, Handzettel

Gravitationswellen endlich entdeckt

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Oszillationen 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 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern verursacht wurden. Dies geschah hundert Jahre, nachdem Albert Einstein diese „Gravitationswellen“ in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte, und hundert Jahre, nachdem die Physiker begonnen hatten, nach ihnen zu suchen.

Die bahnbrechende Entdeckung wurde heute von Forschern des LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory gemeldet. Sie bestätigten die Gerüchte, die sich seit mehreren Monaten um die Analyse des ersten von ihnen gesammelten Datensatzes rankten. Astrophysiker sagen, dass die Entdeckung von Gravitationswellen eine neue Sichtweise auf das Universum eröffnet und es ermöglicht, entfernte Ereignisse zu erkennen, die in optischen Teleskopen nicht zu sehen sind, aber man kann ihr schwaches Zittern fühlen und sogar hören, das uns durch den Weltraum erreicht.

„Wir haben Gravitationswellen entdeckt. Wir haben es geschafft!" David Reitze, Executive Director des 1.000-köpfigen Forschungsteams, gab 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 verbiegt. Die Schwerkraft zu spüren bedeutet, in die Kurven dieser Materie zu fallen. Aber kann diese Raumzeit wie das Fell einer Trommel zittern? Einstein war verwirrt, er wusste nicht, was seine Gleichungen bedeuteten. Und änderte immer wieder seine Sichtweise. Aber selbst die überzeugtesten Befürworter seiner Theorie glaubten, Gravitationswellen seien ohnehin zu schwach, um beobachtet zu werden. Sie stürzen nach bestimmten Katastrophen nach außen und dehnen und komprimieren abwechselnd die Raumzeit, während sie sich bewegen. Aber bis diese Wellen die Erde erreichen, dehnen und stauchen sie jeden Kilometer des Weltraums um einen winzigen Bruchteil des Durchmessers eines Atomkerns.

© REUTERS, Hangout LIGO-Observatoriumsdetektor in Hanford, Washington

Um diese Wellen zu erkennen, brauchte es Geduld und Vorsicht. 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 während des Durchgangs 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 von Instrumenten war vor hundert Jahren undenkbar. Es schien 1968 unglaublich, als Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology ein Experiment namens LIGO konzipierte.

„Es ist ein großes Wunder, dass sie es am Ende geschafft haben. Sie waren in der Lage, diese winzigen Vibrationen aufzunehmen!“ sagte der theoretische Physiker Daniel Kennefick von der University of Arkansas, der 2007 das Buch Traveling at the Speed ​​of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves schrieb.

Diese Entdeckung markierte den Beginn einer neuen Ära in der Gravitationswellenastronomie. Es ist zu hoffen, dass wir genauere Vorstellungen über die Entstehung, Zusammensetzung und galaktische Rolle von Schwarzen Löchern haben werden – jene superdichten Massenbälle, die die Raumzeit so stark verzerren, dass nicht einmal Licht aus ihr entkommen kann. Wenn sich Schwarze Löcher einander nähern und verschmelzen, erzeugen sie ein Impulssignal – Raum-Zeit-Schwankungen, die in Amplitude und Tonhöhe zunehmen und dann abrupt enden. Diese Signale, die das Observatorium wahrnehmen kann, liegen im Audiobereich – sie sind jedoch zu schwach, um mit bloßem Ohr wahrgenommen zu werden. Sie können diesen Klang reproduzieren, 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."

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

Durch das Abhören von Gravitationswellen können wir uns ganz 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 Bandbreite an Möglichkeiten, die im Universum existieren, nicht vorhersagen.“ In ähnlicher Weise, bemerkte Levin, könnte die Entdeckung von Gravitationswellen zeigen, dass das Universum „voller dunkler Materie ist, die wir nicht einfach mit einem Teleskop erkennen können“.

Die Geschichte der Entdeckung der ersten Gravitationswelle begann am Montagmorgen im September, und sie begann mit Baumwolle. Das Signal war so klar und laut, dass Weiss dachte: "Nein, das ist Unsinn, da wird nichts raus."

Intensität der Emotionen

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

Die Detektoren wurden nach der Modernisierung, die fünf Jahre dauerte und 200 Millionen Dollar kostete, „eingefahren“. Sie wurden mit neuen Spiegelaufhängungen zur Geräuschreduzierung und einem aktiven Rückkopplungssystem zur Unterdrückung von Fremdschwingungen in Echtzeit ausgestattet. Das Upgrade verlieh dem aufgerüsteten Observatorium eine höhere Empfindlichkeit als das alte LIGO, das zwischen 2002 und 2010 „absolute und reine Null“ fand, wie Weiss es ausdrückte.

Als das starke Signal im September kam, bombardierten Wissenschaftler in Europa, wo es damals Morgen war, ihre amerikanischen Kollegen hastig mit E-Mails. Als der Rest der Gruppe aufwachte, verbreitete sich die Neuigkeit sehr schnell. Praktisch alle seien skeptisch gewesen, sagte Weiss, besonders als sie das Signal sahen. Es war ein echter Lehrbuchklassiker, und einige Leute hielten es für eine Fälschung.

Seit Ende der 1960er Jahre wurden bei der Suche nach Gravitationswellen viele Male falsche Behauptungen aufgestellt, als Joseph Weber von der University of Maryland glaubte, Resonanzschwingungen in einem Aluminiumzylinder mit Sensoren als Reaktion auf die Wellen entdeckt zu haben. 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 inzwischen gestreckt und in der Geometrie des Universums dauerhaft eingefroren haben. Wissenschaftler der BICEP2-Gruppe kündigten ihre Entdeckung mit großem Tamtam an, aber dann wurden ihre Ergebnisse unabhängig verifiziert, wobei sich herausstellte, dass sie falsch lagen und dass dieses Signal von kosmischem Staub stammte.

Als der Kosmologe Lawrence Krauss von der Arizona State University von der Entdeckung des LIGO-Teams hörte, hielt er es zunächst für einen „blinden Schwindel“. Während des Betriebs des alten Observatoriums wurden simulierte Signale heimlich in die Datenströme eingefügt, um die Reaktion zu testen, und die meisten Mitarbeiter wussten nichts davon. Als Krauss aus sachkundiger Quelle erfuhr, dass es sich diesmal nicht um eine „blinde Füllung“ handelte, konnte er seine freudige Aufregung kaum fassen.

Am 25. September twitterte er seinen 200.000 Followern: „Gerüchte über den Nachweis einer Gravitationswelle am LIGO-Detektor. Erstaunlich, wenn wahr. Ich werde Ihnen die Details mitteilen, wenn es keine Fälschung ist. Es folgt ein Eintrag vom 11. Januar: „Frühere Gerüchte über LIGO durch unabhängige Quellen bestätigt. Folgen Sie den Nachrichten. Vielleicht wurden Gravitationswellen entdeckt!“

Die offizielle Position der Wissenschaftler war wie folgt: Sprechen Sie nicht über das empfangene Signal, bis hundertprozentige Sicherheit besteht. Thorne, der durch diese Geheimhaltungspflicht an Händen und Füßen gebunden war, sagte seiner Frau nicht einmal etwas. „Ich habe alleine gefeiert“, sagte er. Die Wissenschaftler entschieden sich zunächst, ganz an den Anfang zurückzugehen 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 damals etwas Seltsames vorgefallen war Das Signal wurde erkannt. Sie fanden nichts Außergewöhnliches. Sie schlossen auch Hacker aus, die im Laufe des Experiments am besten über die Tausenden von Datenströmen Bescheid wissen müssten. „Selbst wenn das Team blinde Würfe 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.

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

der Schwerkraft lauschen

Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind so komplex, dass die meisten Physiker 40 Jahre brauchten, um zuzustimmen, dass Gravitationswellen existieren und nachgewiesen werden können – sogar theoretisch.

Zuerst dachte Einstein, dass Objekte keine Energie in Form von Gravitationsstrahlung freisetzen könnten, aber dann änderte er seine Meinung. In seinem historischen Werk aus dem Jahr 1918 zeigte er, was für Objekte das können: hantelförmige Systeme, die gleichzeitig um zwei Achsen rotieren, zum Beispiel Doppel- und Supernovasterne, die wie Knallkörper explodieren. Sie können Wellen in der Raumzeit erzeugen.

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

Aber Einstein und seine Kollegen schwankten weiter. Einige Physiker haben argumentiert, dass selbst wenn Wellen existieren, die Welt mit ihnen oszillieren wird und es unmöglich sein wird, sie zu fühlen. Erst 1957 schloss Richard Feynman die Frage ab, indem er in einem Gedankenexperiment zeigte, dass Gravitationswellen, wenn sie existieren, theoretisch nachgewiesen werden können. Aber niemand wusste, wie verbreitet diese hantelförmigen Systeme im Weltraum waren und wie stark oder schwach die resultierenden Wellen waren. „Letztendlich war die Frage: Werden wir sie jemals finden?“ sagte Kennefick.

1968 war Rainer Weiss ein junger Professor am MIT und wurde beauftragt, einen Kurs in allgemeiner Relativitätstheorie zu lehren. Als Experimentator wusste er wenig darüber, aber plötzlich gab es Neuigkeiten von Webers Entdeckung der Gravitationswellen. Weber baute drei resonante Detektoren in Schreibtischgröße aus Aluminium und platzierte sie in verschiedenen amerikanischen Bundesstaaten. Jetzt sagte er, dass alle drei Detektoren "den Klang von Gravitationswellen" aufzeichneten.

Die Studenten von Weiss wurden gebeten, die Natur von Gravitationswellen zu erklären und ihre Meinung zu der Botschaft zu äußern. Beim Studium der Details fiel ihm die Komplexität der mathematischen Berechnungen auf. „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, das mir einfällt, das Gravitationswellen erkennt?“ Und dann kam mir eine Idee in den Sinn, die ich die konzeptionelle Basis von LIGO nenne.

Stellen Sie sich drei Objekte in der Raumzeit vor, sagen wir Spiegel an den Ecken eines Dreiecks. „Sende ein Lichtsignal von einem zum anderen“, sagte Weber. „Schauen Sie, wie lange es dauert, von einer Masse zur nächsten zu gehen, und sehen Sie, ob sich die Zeit geändert hat.“ Es stellt sich heraus, stellte der Wissenschaftler fest, dass dies schnell erledigt werden kann. „Das habe ich meinen Studenten als wissenschaftliche Aufgabe anvertraut. Buchstäblich die ganze Gruppe war in der Lage, diese Berechnungen anzustellen.“

In den folgenden Jahren, als andere Forscher versuchten, die Ergebnisse von Webers Resonanzdetektor-Experiment zu replizieren, aber immer wieder scheiterten (es ist nicht klar, was er beobachtete, aber es waren keine Gravitationswellen), begann Weiss, ein viel genaueres und ehrgeizigeres Experiment vorzubereiten : das Gravitationswellen-Interferometer. Der Laserstrahl wird von drei in Form des Buchstabens „L“ eingebauten Spiegeln reflektiert und bildet zwei Strahlen. Das Intervall von Spitzen und Einbrüchen von Lichtwellen gibt genau die Länge der Krümmungen des Buchstabens "G" an, die die x- und y-Achsen der Raumzeit bilden. Bei Stillstand der Waage prallen die beiden Lichtwellen an den Ecken ab und heben sich gegenseitig auf. Das Signal im Detektor ist Null. Wenn jedoch eine Gravitationswelle die Erde durchdringt, dehnt sie die Länge eines Arms des Buchstabens „G“ und komprimiert die Länge des anderen (und umgekehrt). Die Fehlanpassung 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 wurde durch das Weber-Experiment und ähnliche Bemühungen russischer Wissenschaftler inspiriert. Nachdem ich 1975 auf einer Konferenz mit Weiss gesprochen hatte, „fing ich an zu glauben, dass der Nachweis von Gravitationswellen erfolgreich sein würde“, sagte Thorne. "Und ich wollte, dass Caltech auch ein Teil davon ist." Er vereinbarte mit dem Institut, den schottischen Experimentator Ronald Driver einzustellen, der auch behauptete, ein Gravitationswellen-Interferometer gebaut zu haben. Im Laufe der Zeit begannen Thorne, Driver und Weiss, als Team zu arbeiten, und jeder löste seinen Anteil an unzähligen Problemen, um sich auf ein praktisches Experiment vorzubereiten. Das Trio gründete LIGO im Jahr 1984, und als Prototypen gebaut wurden und die Zusammenarbeit als Teil eines ständig wachsenden Teams begann, erhielten sie Anfang der 1990er Jahre 100 Millionen US-Dollar 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 arbeiten.

Bei Hunford und Livingston, in der Mitte jedes der vier Kilometer langen Knie der Detektoren, herrscht ein Vakuum, dank dessen 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 und so weiter. Anschließend filtern sie ihre Daten nach diesen fremden Hintergrundgeräuschen. Vielleicht ist die Hauptsache, dass sie zwei Detektoren haben, und dies ermöglicht es Ihnen, die empfangenen Daten zu vergleichen und sie auf das Vorhandensein übereinstimmender Signale zu überprüfen.

Kontext

Gravitationswellen: Vollendet, was Einstein in Bern begonnen hat

SwissInfo 13.02.2016

Wie Schwarze Löcher sterben

Mittel 19.10.2014
Innerhalb des erzeugten Vakuums passieren, selbst wenn Laser und Spiegel vollständig isoliert und stabilisiert sind, „die ganze Zeit 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. Ein schwieriger Fall sei während der Testphase aufgetreten, sagte LIGO-Forscherin Jessica McIver, die solche Fremdsignale und Interferenzen untersucht. Unter den Daten tauchte oft eine Reihe von periodischem Rauschen mit einer einzigen Frequenz 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 Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory LIGO weiter verbessern. Und in Italien wird ein drittes Interferometer namens Advanced Virgo in Betrieb gehen. Eine Antwort, die die Ergebnisse geben werden, ist, wie schwarze Löcher entstehen. Sind sie das Produkt des Kollapses der frühesten massereichen Sterne oder das Ergebnis von Kollisionen innerhalb dichter Sternhaufen? „Das sind nur zwei Vermutungen, ich glaube, wenn sich die Lage beruhigt, kommen noch mehr“, sagt Weiss. Während LIGO im Laufe seiner bevorstehenden Arbeit damit beginnt, neue Statistiken zu sammeln, werden Wissenschaftler anfangen, Geschichten über den Ursprung von Schwarzen Löchern zu hören, die ihnen aus dem Weltraum zugeflüstert werden.

Seiner Form und Größe nach zu urteilen, trat das erste, lauteste Pulssignal 1,3 Milliarden Lichtjahre von dem Ort entfernt auf, an dem nach einer Ewigkeit des langsamen Tanzes unter dem Einfluss gegenseitiger Anziehungskraft zwei Schwarze Löcher mit jeweils etwa 30-facher Masse entstanden Sonne, endlich zusammengeführt. Die schwarzen Löcher kreisten immer schneller wie ein Strudel und näherten sich allmählich. Dann gab es eine Verschmelzung, und im Handumdrehen setzten sie Gravitationswellen frei, deren Energie mit der Energie von drei Sonnen vergleichbar ist. Diese Fusion war das mächtigste Energiephänomen, das jemals aufgezeichnet wurde.

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

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Der 11. Februar 2016 gilt als offizieller Tag der Entdeckung (Nachweis) von Gravitationswellen. Damals 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 Tatsache, dass Gravitationswellen existieren, 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 Zeitflusses, Änderung der Richtung elektromagnetischer Strahlung in Gravitationsfeldern usw.), war es nicht möglich, das Vorhandensein dieser Art von Welle praktisch nachzuweisen Interaktion von Körpern bis vor kurzem.

Schwerkraft – eine Illusion?

Im Allgemeinen kann die Schwerkraft im Lichte der Relativitätstheorie kaum als Kraft bezeichnet werden. Störungen oder Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums. Ein gutes Beispiel für dieses Postulat ist ein gespanntes Stück Stoff. Unter dem Gewicht eines massiven Objekts, das auf einer solchen Oberfläche platziert wird, wird eine Vertiefung gebildet. 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 (je größer der Durchmesser und die Tiefe der Krümmung), desto höher die „Anziehungskraft“. Wenn es sich durch den Stoff bewegt, kann man das Auftreten einer divergenten "Welle" beobachten.

Etwas 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 signifikanten Amplitude entsteht durch Körper mit extrem großen Massen oder wenn sie sich mit enormen Beschleunigungen bewegen.

physikalische Eigenschaften

Schwingungen der Raum-Zeit-Metrik manifestieren sich als Änderungen im Gravitationsfeld. Dieses Phänomen wird auch als Raum-Zeit-Wellen bezeichnet. Die Gravitationswelle wirkt auf die angetroffenen Körper und Objekte ein und komprimiert und dehnt sie. Die Verformungswerte sind sehr klein - etwa 10 -21 der ursprünglichen Größe. Die ganze Schwierigkeit bei der Erkennung 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 extrem gering – für das gesamte Sonnensystem sind es wenige Kilowatt.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen hängt geringfügig von den Eigenschaften des leitenden Mediums ab. Die Schwingungsamplitude nimmt mit zunehmendem Abstand von der Quelle allmählich ab, erreicht jedoch nie Null. Die Frequenz liegt im Bereich von mehreren zehn bis hundert Hertz. Die Geschwindigkeit von 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 Doppelsystem von Neutronensternen, die sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt drehen ( ein eher seltener Fall). Die Umlaufzeit, die ursprünglich 3,75 Stunden betrug, wird jedes Jahr um 70 ms verkürzt. Dieser Wert stimmt ziemlich gut mit den Schlussfolgerungen aus den GR-Gleichungen überein, 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 den Nachweis von Schwerewellen kam 1969 von dem Wissenschaftler Joseph Weber (USA) von der University of Maryland. Dazu nutzte er zwei selbst konstruierte Gravitationsantennen im Abstand von zwei Kilometern. 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. Wenige Jahre später wurden Webers Arbeiten auf diesem Gebiet als unhaltbar erkannt, gaben jedoch Anstoß zur Entwicklung eines „Gravitationsbooms“, der viele Spezialisten auf dieses Forschungsgebiet zog. Übrigens war sich Joseph Weber selbst bis ans Ende seiner Tage sicher, Gravitationswellen zu empfangen.

Verbesserung der Empfangsgeräte

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

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

Interferometer

Die Funktionsweise von Interferenzdetektoren für Gravitationswellen basiert auf denselben Prinzipien, nach denen das Michelson-Interferometer arbeitet. Der von der Quelle emittierte Laserstrahl wird in zwei Ströme aufgeteilt. Nach mehreren Reflexionen und Reisen entlang der Schultern des Geräts werden die Strömungen wieder zusammengeführt, und die letzte wird verwendet, um zu beurteilen, ob irgendwelche 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 gemeinsames französisch-italienisches Projekt, das 2007 mit 3 km langen Tunneln gestartet wurde.
• LIGO (USA, Pazifikküste), jagt seit 2002 Schwerewellen.

Letzteres ist eine genauere Betrachtung wert.

LIGO-Erweitert

Das Projekt wurde auf Initiative von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und des California Institute of Technology ins Leben gerufen. Beinhaltet zwei 3.000 km voneinander entfernte Observatorien in und Washington (Städte Livingston und Hanford) mit drei identischen Interferometern. Die Länge der senkrechten Vakuumtunnel beträgt 4 Tausend Meter. Dies sind die größten derartigen Strukturen, die derzeit in Betrieb sind. Bis 2011 brachten zahlreiche Versuche, Schwerewellen nachzuweisen, keine Ergebnisse. Die durchgeführte erhebliche 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 ein so begehrter 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 mit einem Intervall 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 29- und 36-facher Masse Masse der Sonne. Während des Prozesses, der vor mehr als 1,3 Milliarden Jahren stattfand, wurden in Sekundenbruchteilen etwa drei Sonnenmassen Materie für die Strahlung von Schwerewellen verbraucht. Die feste Anfangsfrequenz der Gravitationswellen betrug 35 Hz, und der maximale Spitzenwert erreichte 250 Hz.

Die gewonnenen Ergebnisse wurden immer wieder umfassend verifiziert und aufbereitet, alternative Interpretationen der gewonnenen Daten sorgfältig unterbunden. Letztes Jahr schließlich wurde der Weltgemeinschaft die direkte Registrierung des von Einstein vorhergesagten Phänomens angekündigt.

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

Zukunftsaussichten

Diese Entdeckung bestätigt einmal mehr, dass die Allgemeine Relativitätstheorie nicht nur eine Reihe abstrakter Formeln ist, sondern ein grundlegend neuer Blick auf das Wesen von Gravitationswellen und der Schwerkraft im Allgemeinen.

In der weiteren Forschung setzen die Wissenschaftler große Hoffnungen in das ELSA-Projekt: die Schaffung eines riesigen orbitalen Interferometers mit Armen von etwa 5 Millionen km, das in der Lage ist, selbst geringfügige Störungen von Gravitationsfeldern zu erkennen. Die Intensivierung der Arbeit in dieser Richtung kann viel über die Hauptstadien in der Entwicklung des Universums aussagen, über Prozesse, die in traditionellen Bands nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Schwarze Löcher, deren Gravitationswellen in Zukunft aufgezeichnet werden, werden zweifellos viel über ihre Natur verraten.

Um das Relikt Gravitationsstrahlung zu untersuchen, das von den ersten Momenten unserer Welt nach dem Urknall erzählen kann, werden empfindlichere Weltrauminstrumente benötigt. Ein solches Projekt existiert Urknall-Beobachter), aber seine Umsetzung ist laut Experten frühestens in 30-40 Jahren möglich.

Bewegen Sie Ihre Hand und Gravitationswellen werden durch das Universum laufen.
S. Popov, M. Prochorow. Geisterwellen des Universums

In der Astrophysik ist ein jahrzehntelang erwartetes Ereignis eingetreten. Nach einem halben Jahrhundert der Suche wurden endlich Gravitationswellen entdeckt, Schwankungen in der Raumzeit selbst, die von Einstein vor hundert Jahren vorhergesagt wurden. Am 14. September 2015 entdeckte das aktualisierte LIGO-Observatorium einen Gravitationswellenausbruch, der durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Massen von 29 und 36 Sonnenmassen in einer entfernten Galaxie in einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren erzeugt wurde. Die Gravitationswellenastronomie ist zu einem vollwertigen Zweig der Physik geworden; es hat uns eine neue Möglichkeit eröffnet, das Universum zu beobachten, und wird es uns ermöglichen, die Auswirkungen starker Schwerkraft zu untersuchen, die zuvor unzugänglich waren.

Gravitationswellen

Gravitationstheorien können zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Alle von ihnen werden unsere Welt gleich gut beschreiben, solange wir uns auf eine einzige Manifestation davon beschränken - das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation. Aber es gibt andere, subtilere Gravitationseffekte, die auf der Skala des Sonnensystems experimentell getestet wurden und auf eine bestimmte Theorie hinweisen – die Allgemeine Relativitätstheorie (GR).

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist nicht nur eine Reihe von Formeln, sie ist eine fundamentale Sicht auf das Wesen der Schwerkraft. Wenn der Raum in der gewöhnlichen Physik nur als Hintergrund, als Gefäß für physikalische Phänomene dient, dann wird er in der Allgemeinen Relativitätstheorie selbst zu einem Phänomen, einer dynamischen Größe, die sich gemäß den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie ändert. Es sind diese Verzerrungen der Raumzeit vor einem flachen Hintergrund – oder, in der Sprache der Geometrie, Verzerrungen der Raumzeit-Metrik – die als Gravitation empfunden werden. Kurz gesagt, die allgemeine Relativitätstheorie enthüllt den geometrischen Ursprung der Gravitation.

Die Allgemeine Relativitätstheorie hat eine überaus wichtige Vorhersage: Gravitationswellen. Dies sind Verzerrungen der Raumzeit, die in der Lage sind, sich „von der Quelle zu lösen“ und selbsttragend davonzufliegen. Es ist die Schwerkraft an sich, niemandes, seine eigene. Albert Einstein formulierte schließlich 1915 die allgemeine Relativitätstheorie und erkannte fast sofort, dass seine Gleichungen die Existenz solcher Wellen zuließen.

Wie bei jeder ehrlichen Theorie muss eine solch klare Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie experimentell verifiziert werden. Jeder sich bewegende Körper kann Gravitationswellen ausstrahlen: Planeten, ein nach oben geworfener Stein und eine Handbewegung. Das Problem ist jedoch, dass die Gravitationswechselwirkung so schwach ist, dass keine experimentellen Aufbauten in der Lage sind, die Strahlung von Gravitationswellen von gewöhnlichen "Emittern" zu detektieren.

Um eine mächtige Welle zu „treiben“, muss man die Raumzeit sehr stark verzerren. Die ideale Option sind zwei schwarze Löcher, die in einem engen Tanz umeinander rotieren, in einem Abstand in der Größenordnung ihres Gravitationsradius (Abb. 2). Die Verzerrung der Metrik wird so stark sein, dass ein merklicher Teil der Energie dieses Paares in Gravitationswellen abgestrahlt wird. Unter Energieverlust nähert sich das Paar, kreist immer schneller, verzerrt die Metrik immer mehr und erzeugt noch stärkere Gravitationswellen – bis es schließlich zu einer radikalen Umstrukturierung des gesamten Gravitationsfeldes dieses Paares kommt und zwei Schwarze Löcher zu einem verschmelzen.

Eine solche Verschmelzung von Schwarzen Löchern ist eine Explosion von enormer Kraft, aber nur all diese abgestrahlte Energie geht nicht in Licht, nicht in Partikel, sondern in Schwingungen des Weltraums. Die abgestrahlte Energie wird einen merklichen Teil der ursprünglichen Masse von Schwarzen Löchern ausmachen, und diese Strahlung wird im Bruchteil einer Sekunde herausspritzen. Ähnliche Fluktuationen werden Verschmelzungen von Neutronensternen erzeugen. Eine etwas schwächere Energiefreisetzung durch Gravitationswellen geht auch mit anderen Prozessen einher, wie dem Kollaps eines Supernova-Kerns.

Der Gravitationswellenausbruch aus der Verschmelzung zweier kompakter Objekte hat ein sehr spezifisches, gut berechnetes Profil, wie in Abb. 3. Die Schwingungsdauer ergibt sich aus der Umlaufbahn zweier Körper umeinander. Gravitationswellen tragen Energie weg; als Folge nähern sich Objekte einander an und drehen sich schneller – was sich sowohl in der Beschleunigung von Schwingungen als auch in der Zunahme der Amplitude zeigt. Irgendwann kommt es zu einer Verschmelzung, die letzte starke Welle wird ausgestoßen, und dann folgt ein hochfrequentes „Nachklingeln“ ( Herunterfahren) ist der Jitter des gebildeten Schwarzen Lochs, der alle nicht-sphärischen Verzerrungen „abwirft“ (dieses Stadium ist im Bild nicht dargestellt). Die Kenntnis dieses charakteristischen Profils hilft Physikern, in hoch verrauschten Detektordaten nach dem schwachen Signal einer solchen Verschmelzung zu suchen.

Oszillationen der Raum-Zeit-Metrik – das Gravitationswellenecho einer grandiosen Explosion – werden sich von der Quelle in alle Richtungen im Universum ausbreiten. Ihre Amplitude nimmt mit der Entfernung ab, ähnlich wie die Helligkeit einer Punktquelle mit der Entfernung von ihr abnimmt. Wenn ein Ausbruch aus einer fernen Galaxie die Erde trifft, liegen die Schwankungen in der Metrik in der Größenordnung von 10 −22 oder sogar noch weniger. Mit anderen Worten, der Abstand zwischen physikalisch nicht verwandten Objekten wird periodisch um einen solchen relativen Wert zunehmen und abnehmen.

Die Größenordnung dieser Zahl lässt sich leicht aus Skalierungsüberlegungen ermitteln (siehe den Artikel von V. M. Lipunov). Zum Zeitpunkt der Verschmelzung von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern mit Sternmassen ist die Verzerrung der Metriken direkt neben ihnen sehr groß - in der Größenordnung von 0,1, weshalb dies eine starke Schwerkraft ist. Eine derart starke Verzerrung betrifft einen Bereich in der Größenordnung der Größe dieser Objekte, dh mehrere Kilometer. Mit zunehmender Entfernung von der Quelle fällt die Amplitude der Schwingung umgekehrt proportional zur Entfernung ab. Das bedeutet, dass bei einer Entfernung von 100 Mpc = 3·10 21 km die Schwingungsamplitude um 21 Größenordnungen abfällt und etwa 10 −22 beträgt.

Wenn die Verschmelzung in unserer Heimatgalaxie stattfindet, wird das Raumzeitzittern, das die Erde erreicht hat, natürlich viel stärker sein. Aber solche Ereignisse treten alle paar tausend Jahre einmal auf. Daher sollte man wirklich nur mit einem solchen Detektor rechnen, der die Verschmelzung von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern in einer Entfernung von zehn bis hundert Megaparsec nachweisen kann, was bedeutet, dass er viele tausend und Millionen Galaxien abdecken wird.

An dieser Stelle muss hinzugefügt werden, dass ein indirekter Hinweis auf die Existenz von Gravitationswellen bereits entdeckt wurde und dafür sogar der Nobelpreis für Physik 1993 verliehen wurde. Langzeitbeobachtungen des Pulsars im Doppelsternsystem PSR B1913+16 haben gezeigt, dass die Umlaufzeit unter Berücksichtigung von Energieverlusten durch Gravitationsstrahlung genau mit der von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Rate abnimmt. Aus diesem Grund zweifelt praktisch keiner der Wissenschaftler an der Realität von Gravitationswellen; Die Frage ist nur, wie man sie fängt.

Suchverlauf

Die Suche nach Gravitationswellen begann vor etwa einem halben Jahrhundert – und wurde fast sofort zu einer Sensation. Joseph Weber von der University of Maryland entwarf den ersten resonanten Detektor: ein massiver zwei Meter langer Aluminiumzylinder mit empfindlichen Piezosensoren an den Seiten und guter Schwingungsisolierung von Fremdschwingungen (Abb. 4). Beim Durchgang einer Gravitationswelle schwingt der Zylinder im Takt mit den Verzerrungen der Raumzeit mit, die von den Sensoren registriert werden sollen. Weber baute mehrere solcher Detektoren und erklärte 1969, nachdem er ihre Messwerte während einer der Sitzungen analysiert hatte, im Klartext, dass er den „Ton von Gravitationswellen“ in mehreren Detektoren gleichzeitig registriert hatte, die zwei Kilometer voneinander entfernt waren ( J. Weber, 1969 Evidence for Discovery of Gravitational Radiation). Die von ihm behauptete Oszillationsamplitude erwies sich als unglaublich groß, in der Größenordnung von 10 −16 , also millionenfach größer als der typische erwartete Wert. Webers Botschaft stieß in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf große Skepsis; Außerdem könnten andere experimentelle Gruppen, die mit ähnlichen Detektoren ausgestattet sind, in Zukunft kein solches Signal mehr empfangen.

Webers Bemühungen haben jedoch dieses gesamte Forschungsgebiet in Gang gebracht und die Jagd nach den Wellen ausgelöst. Dank der Bemühungen von Vladimir Braginsky und seinen Kollegen von der Moskauer Staatsuniversität hat die UdSSR seit den 1970er Jahren ebenfalls an diesem Rennen teilgenommen (siehe das Fehlen von Gravitationswellensignalen). Eine interessante Geschichte über diese Zeit steht in dem Essay Wenn ein Mädchen in ein Loch fällt .... Braginsky ist übrigens einer der Klassiker der gesamten Theorie quantenoptischer Messungen; Er entwickelte erstmals das Konzept der Standard-Quantenmessgrenze – eine wesentliche Einschränkung bei optischen Messungen – und zeigte, wie sie im Prinzip überwunden werden könnten. Der Weber-Schwingkreis wurde verbessert und dank der Tiefenkühlung der Anlage wurde das Rauschen drastisch reduziert (siehe Liste und Geschichte dieser Projekte). Allerdings reichte die Genauigkeit solcher Ganzmetalldetektoren noch nicht aus, um die zu erwartenden Ereignisse zuverlässig zu detektieren, außerdem sind sie nur auf einen sehr schmalen Frequenzbereich um ein Kilohertz abgestimmt.

Viel vielversprechender schienen Detektoren zu sein, die nicht ein einziges Resonanzobjekt verwenden, sondern den Abstand zwischen zwei voneinander unabhängigen, unabhängig voneinander aufgehängten Körpern, beispielsweise zwei Spiegeln, verfolgen. Aufgrund der durch die Gravitationswelle verursachten Schwankungen des Raums wird der Abstand zwischen den Spiegeln entweder etwas größer oder etwas kleiner sein. Je länger die Armlänge ist, desto größer wird in diesem Fall die absolute Verschiebung durch eine Gravitationswelle einer gegebenen Amplitude. Diese Schwingungen sind durch einen zwischen den Spiegeln verlaufenden Laserstrahl fühlbar. Ein solches Schema ist in der Lage, Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich von 10 Hertz bis 10 Kilohertz zu erkennen, und dies ist genau das Intervall, in dem verschmelzende Paare von Neutronensternen oder Schwarze Löcher mit stellarer Masse strahlen.

Die moderne Umsetzung dieser Idee auf Basis des Michelson-Interferometers sieht wie folgt aus (Abb. 5). In zwei langen, mehrere Kilometer langen, senkrecht zueinander stehenden Vakuumkammern sind Spiegel aufgehängt. Am Eingang der Installation wird der Laserstrahl geteilt, geht durch beide Kammern, wird von den Spiegeln reflektiert, kehrt zurück und vereint sich in einem lichtdurchlässigen Spiegel. Die Güte des optischen Systems ist extrem hoch, sodass der Laserstrahl nicht nur einmal hin und her geht, sondern lange in diesem optischen Resonator verweilt. Im "ruhigen" Zustand sind die Längen so gewählt, dass sich die beiden Strahlen nach der Rekombination in Richtung Sensor auslöschen und der Fotodetektor dann vollständig abgeschattet ist. Aber sobald sich die Spiegel unter der Wirkung von Gravitationswellen um eine mikroskopische Distanz bewegen, wird die Kompensation der beiden Strahlen unvollständig und der Photodetektor nimmt das Licht auf. Und je stärker die Vorspannung, desto heller wird das Licht vom Fotosensor gesehen.

Die Worte „mikroskopische Verschiebung“ können nicht einmal annähernd die ganze Subtilität des Effekts vermitteln. Die Verschiebung von Spiegeln um die Wellenlänge des Lichts, also um Mikrometer, ist auch ohne Tricks leicht zu erkennen. Bei einer Schulterlänge von 4 km entspricht dies aber Raum-Zeit-Oszillationen mit einer Amplitude von 10 −10 . Es ist auch kein Problem, die Verschiebung von Spiegeln um den Durchmesser eines Atoms zu bemerken - es reicht aus, einen Laserstrahl zu starten, der tausendfach hin und her läuft und den gewünschten Phaseneinbruch erhält. Aber auch das ergibt eine Stärke von 10 −14 . Und wir müssen noch millionenfach die Verschiebungsskala hinuntergehen, das heißt lernen, die Spiegelverschiebung nicht einmal um ein Atom, sondern um Tausendstel eines Atomkerns zu registrieren!

Auf dem Weg zu dieser wirklich erstaunlichen Technologie mussten die Physiker viele Schwierigkeiten überwinden. Einige von ihnen sind rein mechanisch: Sie müssen massive Spiegel an eine Aufhängung hängen, die an einer anderen Aufhängung hängt, diesen an einer dritten Aufhängung und so weiter - und das alles, um Fremdschwingungen so weit wie möglich zu beseitigen. Andere Probleme sind ebenfalls instrumenteller, aber optischer Natur. Je stärker beispielsweise der im optischen System umlaufende Strahl ist, desto schwächer kann die Verschiebung der Spiegel durch den Fotosensor erfasst werden. Aber ein zu starker Strahl erwärmt die optischen Elemente ungleichmäßig, was die Eigenschaften des Strahls selbst nachteilig beeinflusst. Dieser Effekt muss irgendwie kompensiert werden, und dafür wurde in den 2000er Jahren ein ganzes Forschungsprogramm gestartet (eine Geschichte zu dieser Studie finden Sie in den Nachrichten. Ein Hindernis auf dem Weg zu einem hochempfindlichen Gravitationswellendetektor wurde überwunden, "Elemente", 27.06.2006 ). Schließlich gibt es rein grundlegende physikalische Einschränkungen in Bezug auf das Quantenverhalten von Photonen in einem Resonator und die Unschärferelation. Sie begrenzen die Empfindlichkeit des Sensors auf einen Wert, der als Standardquantengrenze bezeichnet wird. Physiker haben jedoch bereits gelernt, wie man es mit Hilfe eines raffiniert präparierten Quantenzustands von Laserlicht überwindet (J. Aasi et al., 2013. Enhanced sensitive of the LIGO gravitational wave Detector by using komprimierte Lichtzustände).

Es gibt eine Liste von Ländern im Rennen um Gravitationswellen; Russland hat eine eigene Installation am Baksan-Observatorium, die übrigens in einem populärwissenschaftlichen Dokumentarfilm von Dmitry Zavilgelsky beschrieben wird "Warten auf Wellen und Teilchen". An der Spitze dieses Rennens stehen nun zwei Labors – das amerikanische Projekt LIGO und der italienische Virgo-Detektor. LIGO umfasst zwei identische Detektoren, die sich in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) befinden und 3000 km voneinander entfernt sind. Zwei Setups zu haben ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens gilt ein Signal nur dann als registriert, wenn es von beiden Detektoren gleichzeitig gesehen wird. Und zweitens kann man durch den Unterschied in der Ankunft eines Gravitationswellenausbruchs an zwei Anlagen - und er kann 10 Millisekunden erreichen - ungefähr bestimmen, aus welchem ​​Teil des Himmels dieses Signal kam. Mit zwei Detektoren wird der Fehler zwar sehr groß, aber wenn Virgo in Betrieb geht, wird die Genauigkeit deutlich zunehmen.

Genau genommen wurde die Idee der interferometrischen Erfassung von Gravitationswellen bereits 1962 von den sowjetischen Physikern M. E. Gertsenshtein und V. I. Pustovoit vorgeschlagen. Damals war gerade der Laser erfunden worden, und Weber begann mit der Entwicklung seiner Resonanzdetektoren. Dieser Artikel wurde jedoch im Westen nicht wahrgenommen und hat, um die Wahrheit zu sagen, keinen Einfluss auf die Entwicklung realer Projekte (siehe den historischen Überblick Physik der Gravitationswellendetektion: resonante und interferometrische Detektoren).

Die Schaffung des Gravitationsobservatoriums LIGO war die Initiative von drei Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des California Institute of Technology (Caltech). Dies sind Rainer Weiss, der die Idee eines interferometrischen Gravitationswellendetektors umsetzte, Ronald Drever, der eine für die Registrierung ausreichende Stabilität des Laserlichts erreichte, und Kip Thorne, der Theoretiker und Inspirator des Projekts, der heute der breiten Öffentlichkeit bekannt ist als wissenschaftlicher Berater Film Interstellar. Die frühe Geschichte von LIGO kann in einem aktuellen Interview mit Rainer Weiss und in den Memoiren von John Preskill nachgelesen werden.

Die Aktivitäten rund um das Projekt der interferometrischen Detektion von Gravitationswellen begannen Ende der 1970er Jahre, und zunächst wurde auch die Realität dieses Vorhabens von vielen bezweifelt. Nach der Demonstration einer Reihe von Prototypen wurde das aktuelle LIGO-Projekt jedoch geschrieben und genehmigt. Es wurde während des gesamten letzten Jahrzehnts des 20. Jahrhunderts gebaut.

Obwohl die Vereinigten Staaten dem Projekt den Anstoß gegeben haben, ist das LIGO-Observatorium ein wirklich internationales Projekt. 15 Länder haben finanziell und intellektuell darin investiert, und über tausend Menschen sind Mitglieder der Kollaboration. Eine wichtige Rolle bei der Umsetzung des Projekts spielten sowjetische und russische Physiker. An der Umsetzung des LIGO-Projekts war von Anfang an die bereits erwähnte Gruppe von Vladimir Braginsky von der Moskauer Staatsuniversität aktiv beteiligt, später schloss sich auch das Institut für Angewandte Physik aus Nischni Nowgorod der Zusammenarbeit an.

Das LIGO-Observatorium nahm 2002 seinen Betrieb auf und beherbergte bis 2010 sechs wissenschaftliche Beobachtungssitzungen. Es wurden keine Gravitationswellenausbrüche zuverlässig nachgewiesen, und die Physiker konnten nur Obergrenzen für die Häufigkeit solcher Ereignisse festlegen. Dies überraschte sie jedoch nicht allzu sehr: Schätzungen zufolge war in dem Teil des Universums, auf den der Detektor damals „lauschte“, die Wahrscheinlichkeit einer ausreichend starken Katastrophe gering: etwa alle paar Jahrzehnte einmal.

Ziellinie

Von 2010 bis 2015 haben die Kooperationen LIGO und Virgo die Ausrüstung grundlegend modernisiert (Virgo ist jedoch noch in Vorbereitung). Und nun war das lang ersehnte Ziel in direkter Sichtlinie. LIGO - oder besser gesagt aLIGO ( Fortgeschrittenes LIGO) - war nun bereit, Ausbrüche einzufangen, die von Neutronensternen in einer Entfernung von 60 Megaparsec und Schwarzen Löchern - Hunderte von Megaparsec - erzeugt wurden. Das Volumen des Universums, das für das Abhören von Gravitationswellen geöffnet ist, hat sich im Vergleich zu früheren Sitzungen verzehnfacht.

Natürlich ist es unmöglich vorherzusagen, wann und wo der nächste Gravitationswellen-„Knall“ stattfinden wird. Doch die Empfindlichkeit der aktualisierten Detektoren ließ mit mehreren Neutronensternverschmelzungen pro Jahr rechnen, sodass bereits während der ersten viermonatigen Beobachtungssitzung mit dem ersten Ausbruch zu rechnen war. Wenn wir über das gesamte mehrere Jahre dauernde aLIGO-Projekt sprechen, dann war das Urteil äußerst eindeutig: Entweder werden Bursts nacheinander fallen, oder irgendetwas in der Allgemeinen Relativitätstheorie funktioniert im Prinzip nicht. Beides werden große Entdeckungen sein.

Vom 18. September 2015 bis 12. Januar 2016 fand die erste aLIGO-Beobachtungssitzung statt. Während dieser ganzen Zeit kursierten Gerüchte über die Registrierung von Gravitationswellen im Internet, aber die Zusammenarbeit schwieg: „Wir sammeln und analysieren Daten und sind noch nicht bereit, die Ergebnisse zu melden.“ Eine zusätzliche Faszination entstand dadurch, dass die Mitglieder der Kollaboration im Analyseprozess selbst nicht ganz sicher sein können, einen echten Gravitationswellenstoß zu sehen. Tatsache ist, dass in LIGO gelegentlich ein am Computer erzeugter Burst künstlich in den Strom echter Daten eingefügt wird. Es heißt "Blindinjektion", blinde Injektion, und von der gesamten Gruppe haben nur drei Personen (!) Zugang zu einem System, das es zu einem beliebigen Zeitpunkt durchführt. Das Team muss diesen Anstieg verfolgen, verantwortungsbewusst analysieren, und erst in den allerletzten Phasen der Analyse werden „Karten geöffnet“ und die Mitglieder der Kollaboration werden herausfinden, ob dies ein echtes Ereignis oder ein Wachsamkeitstest war. Übrigens kam es in einem solchen Fall im Jahr 2010 sogar zum Verfassen eines Artikels, doch das damals entdeckte Signal entpuppte sich nur als „blinde Füllung“.

Lyrischer Exkurs

Um noch einmal die Feierlichkeit des Augenblicks zu spüren, schlage ich vor, diese Geschichte von der anderen Seite zu betrachten, aus dem Inneren der Wissenschaft. Wenn sich eine komplexe, undurchdringliche wissenschaftliche Aufgabe nicht für mehrere Jahre eignet, ist dies ein normaler Arbeitsmoment. Wenn es länger als eine Generation nicht nachgibt, wird es ganz anders wahrgenommen.

Als Schüler liest man populärwissenschaftliche Bücher und lernt dieses schwer zu lösende, aber unheimlich interessante wissenschaftliche Rätsel kennen. Als Student studiert man Physik, hält Präsentationen und manchmal, angemessen oder nicht, erinnern die Menschen um einen herum an ihre Existenz. Dann machen Sie selbst Wissenschaft, arbeiten in einem anderen Bereich der Physik, hören aber regelmäßig von erfolglosen Lösungsversuchen. Natürlich verstehen Sie, dass irgendwo aktiv an der Lösung gearbeitet wird, aber das Endergebnis für Sie als Außenstehender bleibt unverändert. Das Problem wird als statischer Hintergrund, als Dekoration, als ewiges und fast unverändertes Element der Physik im Maßstab Ihres wissenschaftlichen Lebens wahrgenommen. Als eine Aufgabe, die es schon immer gegeben hat und immer geben wird.

Und dann - es ist gelöst. Und plötzlich, im Ausmaß von mehreren Tagen, haben Sie das Gefühl, dass sich das physische Bild der Welt geändert hat und dass es jetzt anders formuliert und andere Fragen gestellt werden muss.

Für Menschen, die direkt an der Suche nach Gravitationswellen arbeiten, ist diese Aufgabe natürlich nicht unverändert geblieben. Sie sehen das Ziel, sie wissen, was erreicht werden muss. Natürlich hoffen sie, dass die Natur sie auch auf halbem Weg treffen und einen mächtigen Ausbruch in eine nahe gelegene Galaxie werfen wird, aber gleichzeitig verstehen sie, dass die Natur, selbst wenn sie nicht so günstig ist, sich nicht länger vor Wissenschaftlern verstecken kann. Die Frage ist nur, wann genau sie ihre technischen Ziele erreichen können. Eine Geschichte über dieses Gefühl von einem Menschen, der seit mehreren Jahrzehnten nach Gravitationswellen sucht, ist in dem bereits erwähnten Film zu hören. "Warten auf Wellen und Teilchen".

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Auf Abb. 7 zeigt das Hauptergebnis: den Verlauf des von beiden Detektoren aufgezeichneten Signals. Es ist ersichtlich, dass vor dem Hintergrund des Rauschens die Schwingung der gewünschten Form zunächst schwach erscheint und dann in Amplitude und Frequenz zunimmt. Durch den Vergleich mit den Ergebnissen numerischer Simulationen konnte herausgefunden werden, welche Objekte wir bei der Verschmelzung beobachtet haben: Es waren Schwarze Löcher mit Massen von etwa 36 und 29 Sonnenmassen, die zu einem einzigen Schwarzen Loch mit einer Masse von 62 Sonnenmassen verschmolzen (der Fehler aller dieser Zahlen, was einem 90-Prozent-Konfidenzintervall entspricht, 4 Sonnenmassen). Die Autoren bemerken nebenbei, dass das resultierende Schwarze Loch das schwerste Schwarze Loch mit stellarer Masse ist, das jemals beobachtet wurde. Der Unterschied zwischen der Gesamtmasse der beiden ursprünglichen Objekte und dem endgültigen Schwarzen Loch beträgt 3 ± 0,5 Sonnenmassen. Dieser gravitative Massendefekt wurde in etwa 20 Millisekunden vollständig in die Energie abgestrahlter Gravitationswellen umgewandelt. Berechnungen zeigten, dass die Spitzenleistung der Gravitationswelle 3,6·10 56 erg/s erreichte, oder, bezogen auf die Masse, ungefähr 200 Sonnenmassen pro Sekunde.

Die statistische Signifikanz des detektierten Signals beträgt 5,1σ. Mit anderen Worten, wenn wir davon ausgehen, dass sich diese statistischen Schwankungen überlagerten und rein zufällig einen solchen Anstieg erzeugten, müsste ein solches Ereignis 200.000 Jahre warten. Dies ermöglicht es uns, mit Zuversicht zu sagen, dass das erfasste Signal keine Schwankung ist.

Die Zeitverzögerung zwischen den beiden Detektoren betrug etwa 7 Millisekunden. Dadurch konnte die Einfallsrichtung des Signals abgeschätzt werden (Abb. 9). Da es nur zwei Detektoren gibt, erwies sich die Lokalisierung als sehr ungefähr: Die Parameterfläche der Himmelskugel beträgt 600 Quadratgrad.

Die LIGO-Kollaboration beschränkte sich nicht nur auf die Feststellung der Tatsache der Registrierung von Gravitationswellen, sondern führte auch die erste Analyse durch, welche Auswirkungen diese Beobachtung auf die Astrophysik hat. In dem Artikel Astrophysical Implikationen der Verschmelzung binärer Schwarzer Löcher GW150914, der am selben Tag in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Die Briefe des astrophysikalischen Journals schätzten die Autoren die Häufigkeit, mit der solche Verschmelzungen von Schwarzen Löchern auftreten. Es stellte sich heraus, dass mindestens eine Fusion in einem kubischen Gigaparsec pro Jahr stattfindet, was mit den Vorhersagen der optimistischsten Modelle in dieser Hinsicht übereinstimmt.

Worum geht es bei Gravitationswellen?

Die Entdeckung eines neuen Phänomens nach jahrzehntelanger Suche ist nicht das Ende, sondern nur der Beginn eines neuen Zweigs der Physik. Natürlich ist die Registrierung von Gravitationswellen aus der Verschmelzung der Schwarzen Zwei an sich schon wichtig. Dies ist ein direkter Beweis für die Existenz von Schwarzen Löchern und von binären Schwarzen Löchern und für die Realität von Gravitationswellen und im Allgemeinen ein Beweis für die Richtigkeit der geometrischen Herangehensweise an die Schwerkraft, auf der die allgemeine Relativitätstheorie basiert . Aber für Physiker ist es nicht weniger wertvoll, dass die Gravitationswellenastronomie zu einem neuen Forschungswerkzeug wird, das es ermöglicht, das zu untersuchen, was zuvor unzugänglich war.

Erstens ist es eine neue Art, das Universum zu betrachten und kosmische Katastrophen zu studieren. Für Gravitationswellen gibt es keine Hindernisse, sie passieren problemlos alles im Universum. Sie sind autark: Ihr Profil enthält Informationen über den Prozess, der sie generiert hat. Wenn schließlich eine grandiose Explosion sowohl einen optischen als auch einen Neutrino- und einen Gravitationsausbruch hervorruft, können Sie versuchen, sie alle einzufangen, sie miteinander zu vergleichen und zuvor unzugängliche Details dessen, was dort passiert ist, zu klären. Solche unterschiedlichen Signale eines Ereignisses einfangen und vergleichen zu können, ist das Hauptziel der All-Signal-Astronomie.

Wenn Gravitationswellendetektoren noch empfindlicher werden, werden sie in der Lage sein, das Zittern der Raumzeit nicht im Moment der Verschmelzung, sondern einige Sekunden davor zu erkennen. Sie werden automatisch ihr Warnsignal an das allgemeine Netzwerk von Beobachtungsstationen senden, und astrophysikalische Satellitenteleskope, die die Koordinaten der geplanten Fusion berechnet haben, werden in diesen Sekunden Zeit haben, in die richtige Richtung zu drehen und vor dem Start in den Himmel zu schießen des optischen Bursts.

Zweitens ermöglicht Ihnen der Gravitationswellenausbruch, neue Dinge über Neutronensterne zu lernen. Die Neutronensternverschmelzung ist in der Tat das neueste und extremste Neutronensternexperiment, das die Natur für uns bereithält, und wir als Zuschauer müssen nur die Ergebnisse beobachten. Die Beobachtungsfolgen einer solchen Verschmelzung können variiert werden (Abb. 10), und durch das Sammeln ihrer Statistiken werden wir in der Lage sein, das Verhalten von Neutronensternen unter solch exotischen Bedingungen besser zu verstehen. Eine Übersicht über den aktuellen Stand der Dinge in dieser Richtung findet sich in der aktuellen Veröffentlichung von S. Rosswog, 2015. Multi-Messenger-Bild kompakter binärer Fusionen.

Drittens wird die Registrierung eines Ausbruchs, der von einer Supernova ausging, und sein Vergleich mit optischen Beobachtungen es endlich ermöglichen, die Details dessen zu klären, was im Inneren vor sich geht, ganz am Anfang des Einsturzes. Nun haben Physiker noch Schwierigkeiten mit der numerischen Simulation dieses Prozesses.

Viertens verfügen Physiker, die sich mit der Gravitationstheorie beschäftigen, über ein begehrtes „Labor“, um die Auswirkungen starker Gravitation zu untersuchen. Bisher waren alle Wirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die wir direkt beobachten konnten, mit der Gravitation in schwachen Feldern verbunden. Was unter Bedingungen starker Schwerkraft passiert, wenn die Verzerrungen der Raumzeit beginnen, stark mit sich selbst zu interagieren, können wir nur durch indirekte Manifestationen durch das optische Echo kosmischer Katastrophen erraten.

Fünftens gibt es eine neue Gelegenheit, exotische Gravitationstheorien zu testen. Es gibt bereits viele solcher Theorien in der modernen Physik, siehe zum Beispiel das ihnen gewidmete Kapitel aus dem populären Buch von A. N. Petrov "Gravity". Einige dieser Theorien ähneln der konventionellen allgemeinen Relativitätstheorie im Grenzbereich schwacher Felder, können sich jedoch stark davon unterscheiden, wenn die Gravitation sehr stark wird. Andere gehen von einer neuen Art der Polarisation für Gravitationswellen aus und sagen eine geringfügig von der Lichtgeschwindigkeit abweichende Geschwindigkeit voraus. Schließlich gibt es Theorien, die zusätzliche räumliche Dimensionen beinhalten. Was man anhand von Gravitationswellen über sie sagen kann, ist eine offene Frage, aber es ist klar, dass hier einige Informationen gewonnen werden können. Wir empfehlen auch, die Meinung der Astrophysiker selbst darüber zu lesen, was sich mit der Entdeckung der Gravitationswellen in der Auswahl auf Postnauka ändern wird.

Zukunftspläne

Die Aussichten für die Gravitationswellenastronomie sind am ermutigendsten. Nur die erste, kürzeste Beobachtungssitzung des aLIGO-Detektors ist nun beendet – und in dieser kurzen Zeit wurde bereits ein deutliches Signal eingefangen. Richtiger wäre es, Folgendes zu sagen: Das erste Signal wurde noch vor dem offiziellen Start empfangen, und die Zusammenarbeit hat noch nicht über alle vier Monate Arbeit berichtet. Wer weiß, vielleicht gibt es ja schon ein paar zusätzliche Bursts? So oder so, aber weiter, wenn die Empfindlichkeit der Detektoren zunimmt und der für Gravitationswellenbeobachtungen zugängliche Teil des Universums wächst, wird die Zahl der registrierten Ereignisse wie eine Lawine wachsen.

Der erwartete Zeitplan der Sitzungen des LIGO-Virgo-Netzwerks ist in Abb. 2 dargestellt. 11. Die zweite sechsmonatige Sitzung wird Ende dieses Jahres beginnen, die dritte Sitzung wird fast das gesamte Jahr 2018 dauern, und in jeder Phase wird die Empfindlichkeit des Detektors zunehmen. Um 2020 herum sollte aLIGO seine geplante Empfindlichkeit erreichen, die es dem Detektor ermöglichen wird, das Universum nach Verschmelzungen von Neutronensternen zu untersuchen, die bis zu 200 Mpc von uns entfernt sind. Bei noch energiereicheren Verschmelzungsereignissen von Schwarzen Löchern kann die Empfindlichkeit fast eine Gigaparsec erreichen. Auf die eine oder andere Weise wird das zur Beobachtung verfügbare Volumen des Universums im Vergleich zur ersten Sitzung um das Zehnfache zunehmen.

Ende dieses Jahres wird auch das aktualisierte italienische Labor Virgo ins Spiel kommen. Es hat etwas weniger Empfindlichkeit als LIGO, aber es ist auch ziemlich anständig. Durch die Triangulationsmethode wird es ein Trio von im Raum verteilten Detektoren ermöglichen, die Position von Quellen auf der Himmelskugel viel besser wiederherzustellen. Wenn jetzt mit zwei Detektoren der Ortungsbereich Hunderte von Quadratgrad erreicht, dann reduzieren drei Detektoren ihn auf zehn. Darüber hinaus wird derzeit in Japan eine ähnliche Gravitationswellenantenne KAGRA gebaut, die in zwei bis drei Jahren in Betrieb gehen soll, und in Indien soll etwa 2022 der Detektor LIGO-India starten. Infolgedessen wird in einigen Jahren ein ganzes Netzwerk von Gravitationswellendetektoren in Betrieb sein und regelmäßig Signale aufzeichnen (Abb. 13).

Schließlich gibt es Pläne, Gravitationswelleninstrumente in den Weltraum zu bringen, insbesondere das eLISA-Projekt. Vor zwei Monaten wurde der erste Versuchssatellit in die Umlaufbahn gebracht, dessen Aufgabe es sein wird, Technologien zu testen. Von einem echten Nachweis von Gravitationswellen ist man noch weit entfernt. Aber wenn diese Konstellation von Satelliten beginnt, Daten zu sammeln, wird sie ein weiteres Fenster ins Universum öffnen – durch niederfrequente Gravitationswellen. Ein solcher All-Wellen-Ansatz für Gravitationswellen ist das langfristige Hauptziel dieses Gebiets.

Parallelen

Die Entdeckung von Gravitationswellen ist der dritte Fall in den letzten Jahren, in dem Physiker endlich alle Hindernisse durchbrachen und zu den bisher unbekannten Feinheiten der Struktur unserer Welt gelangten. 2012 wurde das Higgs-Boson entdeckt – ein Teilchen, das vor fast einem halben Jahrhundert vorhergesagt wurde. 2013 bewies der Neutrino-Detektor IceCube die Realität astrophysikalischer Neutrinos und begann, auf völlig neue, bisher unzugängliche Weise „das Universum zu betrachten“ – durch hochenergetische Neutrinos. Und jetzt ist die Natur erneut dem Menschen erlegen: Ein Gravitationswellen-„Fenster“ hat sich für die Beobachtung des Universums geöffnet, und gleichzeitig sind die Auswirkungen der starken Schwerkraft für direkte Studien verfügbar geworden.

Ich muss sagen, nirgendwo gab es ein „Werbegeschenk“ aus der Natur. Die Suche wurde sehr lange geführt, aber sie gab nicht auf, weil die Geräte damals, vor Jahrzehnten, das Ergebnis in Bezug auf Energie, Umfang oder Empfindlichkeit nicht erreichten. Zum Ziel führte die stetige, zielgerichtete Weiterentwicklung der Technik, die weder durch technische Schwierigkeiten noch durch die negativen Ergebnisse der vergangenen Jahre aufgehalten wurde.

Und in allen drei Fällen war die Entdeckung selbst nicht das Ende, sondern im Gegenteil der Beginn einer neuen Forschungsrichtung, wurde zu einem neuen Werkzeug zur Erforschung unserer Welt. Die Eigenschaften des Higgs-Bosons sind messbar geworden – und in diesen Daten versuchen Physiker die Auswirkungen der Neuen Physik zu erkennen. Dank der erhöhten Statistik hochenergetischer Neutrinos unternimmt die Neutrino-Astrophysik ihre ersten Schritte. Von der Gravitationswellenastronomie wird nun zumindest das Gleiche erwartet, und es gibt allen Grund zum Optimismus.

Quellen:
1) LIGO Scientific Col. und Jungfrau Coll. Beobachtung von Gravitationswellen bei der Verschmelzung eines binären Schwarzen Lochs // Phys. Rev. Lette. Veröffentlicht am 11. Februar 2016.
2) Entdeckungspapiere – eine Liste von technischen Papieren, die das Hauptentdeckungspapier begleiten.
3) E. Berti. Standpunkt: Die ersten Geräusche der Verschmelzung Schwarzer Löcher // Physik. 2016. V. 9. Nr. 17.

Überprüfungsmaterialien:
1) David Blairet al. Gravitationswellenastronomie: der aktuelle Stand // arXiv:1602.02872 .
2) Benjamin P. Abbott und LIGO Scientific Collaboration und Virgo Collaboration. Aussichten für die Beobachtung und Lokalisierung von Gravitationswellentransienten mit Advanced LIGO und Advanced Virgo // Lebende Rev. Relativität. 2016. V. 19. Nr. 1.
3) OD Aguiar. Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Gravitationswellendetektoren mit resonanter Masse // Auflösung Astron. Astrophie. 2011. V. 11. Nr. 1.
4) Die Suche nach Gravitationswellen – eine Auswahl von Materialien auf der Website der Zeitschrift Wissenschaft auf der Suche nach Gravitationswellen.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Gravitationswellenerkennung durch Interferometrie (Boden und Weltraum) // arXiv:1102.3355 .
6) V. B. Braginsky. Gravitationswellenastronomie: neue Messmethoden // UFN. 2000, Bd. 170, S. 743–752.
7) Peter R. Saulson.