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 im Maßstab des Sonnensystems experimentell getestet wurden und auf eine bestimmte Theorie hinweisen – die Allgemeine Relativitätstheorie (GR).

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist nicht nur eine Sammlung 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 Schwerkraft.

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“ nachzuweisen.

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 einander an, dreht sich 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 verschmelzen eines.

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. Bei Entfernung von der Quelle fällt die Amplitude der Schwingung umgekehrt proportional zum Abstand. 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.

Hier 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 des Energieverlusts durch die 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 dazu 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 seine eigene Installation am Baksan-Observatorium und wird übrigens in einem populärwissenschaftlichen Dokumentarfilm von Dmitry Zavilgelsky beschrieben "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 wurde 2002 ins Leben gerufen 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 zeigten, dass in dem Teil des Universums, auf den der Detektor damals „lauschte“, die Wahrscheinlichkeit einer ausreichend starken Katastrophe gering war: etwa einmal alle paar Jahrzehnte.

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 offen 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, wird man von Menschen um einen herum an ihre Existenz erinnert. 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".

Öffnung

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 eine erste Analyse durch, welche Implikationen diese Beobachtung für 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 war bereits der dritte Fall in den letzten Jahren, als Physiker endlich alle Hindernisse durchbrachen und zu den bisher unbekannten Feinheiten des Aufbaus 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.

Valentin Nikolaevich Rudenko erzählt die Geschichte seines Besuchs in der Stadt Kashina (Italien), wo er eine Woche an der neu gebauten „Gravitationsantenne“ – Michelsons optischem Interferometer – verbrachte. Auf dem Weg zum Ziel interessiert sich der Taxifahrer dafür, wofür die Anlage gebaut wurde. „Die Leute hier denken, es sei für ein Gespräch mit Gott“, gibt der Fahrer zu.

– Was sind Gravitationswellen?

– Eine Gravitationswelle ist einer der „Träger astrophysikalischer Informationen“. Es gibt sichtbare Kanäle astrophysikalischer Informationen, eine besondere Rolle beim „Fernsehen“ kommt den Teleskopen zu. Astronomen beherrschen auch Niederfrequenzkanäle – Mikrowelle und Infrarot sowie Hochfrequenz – Röntgen und Gamma. Neben elektromagnetischer Strahlung können wir Teilchenströme aus dem Kosmos registrieren. Dazu werden Neutrino-Teleskope eingesetzt – großformatige Detektoren kosmischer Neutrinos – Teilchen, die schwach mit Materie wechselwirken und daher schwer zu registrieren sind. Nahezu alle theoretisch vorhergesagten und im Labor untersuchten Arten von „Trägern astrophysikalischer Informationen“ werden in der Praxis zuverlässig beherrscht. Die Ausnahme war die Gravitation – die schwächste Wechselwirkung im Mikrokosmos und die stärkste Kraft im Makrokosmos.

Schwerkraft ist Geometrie. Gravitationswellen sind geometrische Wellen, d. h. Wellen, die die geometrischen Eigenschaften des Raums verändern, wenn sie sich durch diesen Raum bewegen. Grob gesagt sind das Wellen, die den Raum verformen. Verformung ist die relative Abstandsänderung zwischen zwei Punkten. Gravitationsstrahlung unterscheidet sich von allen anderen Strahlungsarten gerade dadurch, dass sie geometrisch sind.

Hat Einstein Gravitationswellen vorhergesagt?

- Formal wird angenommen, dass Gravitationswellen von Einstein als eine der Folgen seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden, aber tatsächlich wird ihre Existenz bereits in der speziellen Relativitätstheorie offensichtlich.

Die Relativitätstheorie legt nahe, dass aufgrund der Anziehungskraft der Schwerkraft ein Gravitationskollaps möglich ist, dh die Kontraktion eines Objekts infolge des Kollapses, grob gesagt, zu einem Punkt. Dann ist die Schwerkraft so stark, dass ihr nicht einmal Licht entkommen kann, daher wird ein solches Objekt bildlich als Schwarzes Loch bezeichnet.

- Was ist die Besonderheit der gravitativen Wechselwirkung?

Ein Merkmal der Gravitationswechselwirkung ist das Äquivalenzprinzip. Ihm zufolge hängt die dynamische Reaktion eines Testkörpers in einem Gravitationsfeld nicht von der Masse dieses Körpers ab. Einfach ausgedrückt fallen alle Körper mit der gleichen Beschleunigung.

Die Gravitationskraft ist die schwächste, die wir heute kennen.

- Wer hat als erster versucht, eine Gravitationswelle einzufangen?

– Das Gravitationswellenexperiment wurde erstmals von Joseph Weber von der University of Maryland (USA) durchgeführt. Er schuf den Gravitationsdetektor, der heute im Smithsonian Museum in Washington aufbewahrt wird. In den Jahren 1968-1972 führte Joe Weber eine Reihe von Beobachtungen mit zwei voneinander beabstandeten Detektoren durch, um Fälle von "Zufällen" zu isolieren. Die Rezeption von Zufällen ist der Kernphysik entlehnt. Die geringe statistische Signifikanz der von Weber empfangenen Gravitationssignale führte zu einer kritischen Haltung gegenüber den Ergebnissen des Experiments: Es gab keine Gewissheit, dass Gravitationswellen nachgewiesen werden konnten. In Zukunft versuchten Wissenschaftler, die Empfindlichkeit von Weber-Detektoren zu erhöhen. Es dauerte 45 Jahre, einen Detektor zu entwickeln, dessen Empfindlichkeit der astrophysikalischen Vorhersage entsprach.

Während des Beginns des Experiments vor der Fixierung fanden viele andere Experimente statt, während dieser Zeit wurden Impulse aufgezeichnet, aber sie hatten eine zu geringe Intensität.

- Warum wurde die Fixierung des Signals nicht sofort angekündigt?

– Bereits im September 2015 wurden Gravitationswellen aufgezeichnet. Aber selbst wenn ein Zufall aufgezeichnet wurde, muss bewiesen werden, bevor erklärt wird, dass es sich nicht um einen Zufall handelt. In dem von jeder Antenne abgenommenen Signal gibt es immer Rauschbursts (kurzzeitige Bursts), und einer von ihnen kann versehentlich gleichzeitig mit einem Rauschburst auf einer anderen Antenne auftreten. Dass die Koinzidenz kein Zufall war, lässt sich nur mit Hilfe statistischer Schätzungen nachweisen.

– Warum sind Entdeckungen im Bereich der Gravitationswellen so wichtig?

– Die Fähigkeit, den Gravitationshintergrund des Relikts zu registrieren und seine Eigenschaften wie Dichte, Temperatur usw. zu messen, ermöglicht es uns, uns dem Beginn des Universums zu nähern.

Das Attraktive ist, dass Gravitationsstrahlung schwer nachzuweisen ist, weil sie sehr schwach mit Materie wechselwirkt. Aber dank derselben Eigenschaft geht es ohne Absorption von den entferntesten Objekten von uns mit den mysteriösesten Eigenschaften aus Sicht der Materie über.

Wir können sagen, dass Gravitationsstrahlungen ohne Verzerrung passieren. Das ehrgeizigste Ziel ist die Untersuchung der Gravitationsstrahlung, die in der Urknalltheorie, die im Moment der Entstehung des Universums entstand, von der Primärmaterie getrennt wurde.

– Schließt die Entdeckung der Gravitationswellen die Quantentheorie aus?

Die Gravitationstheorie geht von der Existenz eines Gravitationskollaps aus, d. h. der Kontraktion massiver Objekte zu einem Punkt. Gleichzeitig legt die von der Kopenhagener Schule entwickelte Quantentheorie nahe, dass es dank der Unbestimmtheitsrelation unmöglich ist, Parameter wie Position, Geschwindigkeit und Impuls eines Körpers gleichzeitig genau anzugeben. Hier gibt es ein Unschärfeprinzip, es ist unmöglich, die Flugbahn genau zu bestimmen, weil die Flugbahn sowohl eine Koordinate als auch eine Geschwindigkeit ist usw. Es ist möglich, innerhalb dieses Fehlers, der mit den Prinzipien verbunden ist, nur einen bestimmten bedingten Vertrauenskorridor zu bestimmen der Ungewissheit. Die Quantentheorie verneint kategorisch die Möglichkeit von Punktobjekten, beschreibt sie aber statistisch probabilistisch: Sie gibt nicht konkret die Koordinaten an, sondern gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass sie bestimmte Koordinaten hat.

Die Frage der Vereinigung von Quantentheorie und Gravitationstheorie ist eine der Grundfragen bei der Schaffung einer einheitlichen Feldtheorie.

Sie arbeiten jetzt weiter daran, und die Worte „Quantengravitation“ meinen ein völlig fortgeschrittenes Gebiet der Wissenschaft, die Grenze von Wissen und Unwissenheit, an der jetzt alle Theoretiker der Welt arbeiten.

– Was kann die Entdeckung in der Zukunft bringen?

Gravitationswellen müssen als eine der Komponenten unseres Wissens unweigerlich die Grundlage der modernen Wissenschaft bilden. Ihnen wird eine bedeutende Rolle in der Evolution des Universums zugeschrieben und mit Hilfe dieser Wellen soll das Universum erforscht werden. Die Entdeckung trägt zur allgemeinen Entwicklung von Wissenschaft und Kultur bei.

Wenn man sich entschließt, über den Rahmen der heutigen Wissenschaft hinauszugehen, dann ist es zulässig, sich Telekommunikations-Gravitationskommunikationsleitungen, Strahlapparate auf Gravitationsstrahlung, Gravitationswellen-Introskopiegeräte vorzustellen.

- Haben Gravitationswellen irgendeine Beziehung zu außersinnlicher Wahrnehmung und Telepathie?

Nicht haben. Die beschriebenen Effekte sind die Effekte der Quantenwelt, die Effekte der Optik.

Interview mit Anna Utkina

„In letzter Zeit hat eine Reihe von Langzeitexperimenten zur direkten Beobachtung von Gravitationswellen starkes wissenschaftliches Interesse geweckt“, schrieb der theoretische Physiker Michio Kaku in seinem 2004 erschienenen Buch Einstein’s Cosmos. - Das LIGO-Projekt (Laser Interferometer for Observing Gravitational Waves) könnte das erste sein, das Gravitationswellen „sieht“, höchstwahrscheinlich von der Kollision zweier schwarzer Löcher im Weltraum. LIGO ist der wahrgewordene Traum eines Physikers, die erste Anlage mit genügend Leistung, um Gravitationswellen zu messen."

Kakus Vorhersage bewahrheitete sich: Am Donnerstag gab eine Gruppe internationaler Wissenschaftler des LIGO-Observatoriums die Entdeckung von Gravitationswellen bekannt.

Gravitationswellen sind Schwankungen in der Raumzeit, die von massiven Objekten (wie schwarzen Löchern) „weglaufen“, die sich mit Beschleunigung bewegen. Mit anderen Worten, Gravitationswellen sind eine sich ausbreitende Störung der Raumzeit, eine laufende Deformation der absoluten Leere.

Ein Schwarzes Loch ist eine Region in der Raumzeit, deren Anziehungskraft so stark ist, dass selbst Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (einschließlich Licht selbst), sie nicht verlassen können. Die Grenze, die ein Schwarzes Loch vom Rest der Welt trennt, wird Ereignishorizont genannt: Alles, was innerhalb des Ereignishorizonts passiert, ist vor den Augen eines externen Beobachters verborgen.

Erin Ryan Foto des Kuchens online gestellt von Erin Ryan.

Wissenschaftler begannen vor einem halben Jahrhundert, Gravitationswellen zu fangen: Damals interessierte sich der amerikanische Physiker Joseph Weber für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (GR), nahm sich eine Auszeit und begann, Gravitationswellen zu untersuchen. Weber erfand das erste Gerät zum Nachweis von Gravitationswellen und behauptete bald, „den Klang von Gravitationswellen“ aufgezeichnet zu haben. Die wissenschaftliche Gemeinschaft dementierte seine Botschaft jedoch.

Aber es war Joseph Weber zu verdanken, dass viele Wissenschaftler zu „Wellenjägern“ wurden. Heute gilt Weber als Vater der Wissenschaftsrichtung Gravitationswellenastronomie.

"Dies ist der Beginn einer neuen Ära der Gravitationsastronomie"

Das LIGO-Observatorium, an dem Wissenschaftler Gravitationswellen aufzeichneten, besteht aus drei Laserinstallationen in den Vereinigten Staaten: zwei befinden sich im Bundesstaat Washington und eine in Louisiana. So beschreibt Michio Kaku die Funktionsweise von Laserdetektoren: „Der Laserstrahl wird in zwei getrennte Strahlen aufgeteilt, die dann senkrecht zueinander verlaufen. Dann, vom Spiegel reflektiert, verbinden sie sich wieder. Durchläuft eine Gravitationswelle das Interferometer (Messgerät), werden die Weglängen der beiden Laserstrahlen gestört, was sich in ihrem Interferenzmuster widerspiegelt. Um sicherzustellen, dass das vom Lasersystem registrierte Signal nicht zufällig ist, sollten die Detektoren an verschiedenen Punkten auf der Erde platziert werden.

Nur unter dem Einfluss einer riesigen Gravitationswelle, viel größer als unser Planet, werden alle Detektoren gleichzeitig arbeiten.

Jetzt hat die LIGO-Kollaboration Gravitationsstrahlung nachgewiesen, die durch die Verschmelzung eines Doppelsystems aus Schwarzen Löchern mit Massen von 36 und 29 Sonnenmassen zu einem Objekt mit einer Masse von 62 Sonnenmassen verursacht wird. „Dies ist die erste direkte (es ist sehr wichtig, dass es direkt ist!) Messung der Wirkung von Gravitationswellen“, kommentierte Sergei Vyatchanin, Professor an der Fakultät für Physik der Moskauer Staatsuniversität, gegenüber dem Korrespondenten der naturwissenschaftlichen Fakultät von Gazeta.Ru. - Das heißt, es wurde ein Signal von der astrophysikalischen Katastrophe der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher empfangen. Und dieses Signal wird identifiziert - das ist auch sehr wichtig! Es ist klar, dass dies von zwei Schwarzen Löchern stammt. Und dies ist der Beginn einer neuen Ära der Gravitationsastronomie, die es ermöglichen wird, Informationen über das Universum nicht nur durch optische, Röntgen-, elektromagnetische und Neutrinoquellen, sondern auch durch Gravitationswellen zu erhalten.

Wir können sagen, dass 90 Prozent der Schwarzen Löcher aufgehört haben, hypothetische Objekte zu sein. Es bleiben einige Zweifel, aber dennoch passt das eingefangene Signal schmerzhaft gut zu dem, was von unzähligen Simulationen der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird.

Dies ist ein starkes Argument dafür, dass Schwarze Löcher existieren. Eine andere Erklärung für ein solches Signal gibt es noch nicht. Daher wird angenommen, dass Schwarze Löcher existieren.“

"Einstein würde sich sehr freuen"

Gravitationswellen wurden von Albert Einstein (der übrigens der Existenz von Schwarzen Löchern skeptisch gegenüberstand) im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Zeit zu drei räumlichen Dimensionen hinzugefügt, und die Welt wird vierdimensional. Nach einer Theorie, die die Physik auf den Kopf gestellt hat, ist die Schwerkraft eine Folge der Krümmung der Raumzeit unter dem Einfluss von Masse.

Einstein bewies, dass jede Materie, die sich mit Beschleunigung bewegt, eine Störung der Raumzeit erzeugt – eine Gravitationswelle. Diese Störung ist umso größer, je höher Beschleunigung und Masse des Objekts sind.

Aufgrund der Schwäche der Gravitationskräfte im Vergleich zu anderen fundamentalen Wechselwirkungen sollten diese Wellen eine sehr kleine Größe haben, die schwer zu registrieren ist.

Wenn Physiker den Geisteswissenschaften die allgemeine Relativitätstheorie erklären, bitten sie sie oft, sich eine gespannte Gummiplatte vorzustellen, auf der massive Kugeln abgesenkt werden. Die Kugeln drücken sich durch das Gummi, und die gedehnte Folie (die die Raumzeit darstellt) wird deformiert. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das gesamte Universum Gummi, auf dem jeder Planet, jeder Stern und jede Galaxie Dellen hinterlassen. Unsere Erde dreht sich um die Sonne wie eine kleine Kugel, die um den Kegel eines Trichters gerollt wird, der durch das „Durchschlagen“ der Raumzeit durch eine schwere Kugel entsteht.

HANDOUT/Reuters

Der schwere Ball ist die Sonne

Es ist wahrscheinlich, dass die Entdeckung der Gravitationswellen, die die Hauptbestätigung von Einsteins Theorie darstellt, den Nobelpreis für Physik beansprucht. „Einstein wäre sehr glücklich“, sagte Gabriella Gonzalez, Sprecherin der LIGO-Kollaboration.

Laut Wissenschaftlern ist es noch zu früh, um über die praktische Anwendbarkeit der Entdeckung zu sprechen. „Hat Heinrich Hertz (ein deutscher Physiker, der die Existenz elektromagnetischer Wellen bewiesen hat. - Gazeta.Ru) gedacht, dass es ein Mobiltelefon geben würde? Nein! Wir können uns im Moment nichts vorstellen“, sagte Valery Mitrofanov, Professor an der Fakultät für Physik der Staatlichen Universität Moskau. MV Lomonossow. - Ich lasse mich vom Film "Interstellar" leiten. Er wird kritisiert, ja, aber selbst ein wilder Mann könnte sich einen fliegenden Teppich vorstellen. Und der fliegende Teppich verwandelte sich in ein Flugzeug, und das war's. Und hier ist es schon notwendig, sich etwas sehr Komplexes vorzustellen. In Interstellar hängt einer der Momente mit der Tatsache zusammen, dass eine Person von einer Welt in eine andere reisen kann. Wenn ja, glauben Sie, dass eine Person von einer Welt in eine andere reisen kann, dass es viele Universen geben kann – irgendetwas? Ich kann nicht nein sagen. Denn eine solche Frage kann ein Physiker nicht mit „nein“ beantworten! Nur wenn es irgendwelchen Erhaltungssätzen widerspricht! Es gibt Möglichkeiten, die bekannten physikalischen Gesetzen nicht widersprechen. So kann Weltreisen sein!

Gestern wurde die Welt von einer Sensation erschüttert: Wissenschaftler haben endlich Gravitationswellen entdeckt, deren Existenz Einstein vor hundert Jahren vorhersagte. Das ist ein Durchbruch. Die Verzerrung der Raumzeit (das sind Gravitationswellen – jetzt werden wir erklären, was was ist) wurde am LIGO-Observatorium entdeckt, und einer ihrer Gründer ist – wer würden Sie denken? - Kip Thorne, Autor des Buches.

Wir erzählen, warum die Entdeckung von Gravitationswellen so wichtig ist, was Mark Zuckerberg sagte und natürlich teilen wir die Geschichte aus der ersten Person. Kip Thorne weiß wie kein anderer, wie das Projekt funktioniert, was es außergewöhnlich macht und welche Bedeutung LIGO für die Menschheit hat. Ja, ja, alles ist so ernst.

Entdeckung von Gravitationswellen

Der 11. Februar 2016 wird der Wissenschaftswelt für immer in Erinnerung bleiben. An diesem Tag gaben die Teilnehmer des LIGO-Projekts bekannt: Nach so vielen vergeblichen Versuchen wurden Gravitationswellen gefunden. Das ist die Realität. Tatsächlich wurden sie etwas früher entdeckt: im September 2015, aber gestern wurde die Entdeckung offiziell anerkannt. Der Guardian glaubt, dass Wissenschaftler mit Sicherheit den Nobelpreis für Physik erhalten werden.

Die Ursache von Gravitationswellen ist die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die bereits passiert ist ... eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Stellen Sie sich vor, wie riesig unser Universum ist! Da Schwarze Löcher sehr massive Körper sind, kräuseln sie sich durch die Raumzeit und verzerren sie ein wenig. So entstehen Wellen, ähnlich denen, die sich von einem ins Wasser geworfenen Stein ausbreiten.

So kann man sich Gravitationswellen vorstellen, die zum Beispiel aus einem Wurmloch auf die Erde kommen. Zeichnung aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Die dabei entstehenden Schwingungen wurden in Schall umgewandelt. Interessanterweise hat das Signal von Gravitationswellen etwa die gleiche Frequenz wie unsere Sprache. So können wir mit eigenen Ohren hören, wie Schwarze Löcher kollidieren. Hören Sie, wie Gravitationswellen klingen.

Und weisst du was? In jüngerer Zeit sind Schwarze Löcher anders angeordnet als bisher angenommen. Aber schließlich gab es überhaupt keine Beweise dafür, dass sie im Prinzip existierten. Und jetzt gibt es sie. Schwarze Löcher "leben" wirklich im Universum.

Laut Wissenschaftlern sieht eine Katastrophe also aus wie - eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern, -.

Am 11. Februar fand eine grandiose Konferenz statt, die mehr als tausend Wissenschaftler aus 15 Ländern zusammenbrachte. Auch russische Wissenschaftler waren anwesend. Und natürlich nicht ohne Kip Thorne. „Diese Entdeckung ist der Beginn einer erstaunlichen, großartigen Suche nach Menschen: die Suche und Erforschung der gekrümmten Seite des Universums – Objekte und Phänomene, die aus einer verzerrten Raumzeit geschaffen wurden. Die Kollision von Schwarzen Löchern und Gravitationswellen sind unsere ersten bemerkenswerten Proben“, sagte Kip Thorne.

Die Suche nach Gravitationswellen war eines der Hauptprobleme der Physik. Jetzt sind sie gefunden. Und Einsteins Genie wird erneut bestätigt.

Im Oktober interviewten wir Sergei Popov, einen russischen Astrophysiker und bekannten Popularisierer der Wissenschaft. Er sah ins Wasser! Herbst: „Mir scheint, dass wir jetzt kurz vor neuen Entdeckungen stehen, was hauptsächlich auf die Arbeit der Gravitationswellendetektoren LIGO und VIRGO zurückzuführen ist (Kip Thorne hat gerade einen großen Beitrag zur Schaffung des LIGO-Projekts geleistet). ” Erstaunlich, oder?

Gravitationswellen, Wellendetektoren und LIGO

Nun, jetzt zu etwas Physik. Für diejenigen, die wirklich verstehen wollen, was Gravitationswellen sind. Hier ist eine künstlerische Darstellung der Tendexlinien von zwei Schwarzen Löchern, die sich gegen den Uhrzeigersinn umkreisen und dann kollidieren. Tendex-Linien erzeugen Gezeitengravitation. Mach weiter. Die Linien, die von den zwei am weitesten entfernten Punkten auf den Oberflächen zweier schwarzer Löcher ausgehen, dehnen alles auf ihrem Weg aus, einschließlich des Freundes des Künstlers, der in die Zeichnung geraten ist. Die Linien, die aus dem Kollisionsbereich kommen, komprimieren alles.

Während sich die Löcher umeinander drehen, folgen sie ihren Tendexlinien, die wie Wasserstrahlen aus einem sich drehenden Rasensprenger sind. Abgebildet aus dem Buch Interstellar. Die Wissenschaft hinter den Kulissen ist ein Paar schwarzer Löcher, die kollidieren und sich gegen den Uhrzeigersinn umeinander drehen, und ihre Tendexlinien.

Schwarze Löcher verschmelzen zu einem großen Loch; Es wird verformt und dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, wobei es die Sehnenlinien mit sich zieht. Ein stationärer Beobachter, der weit entfernt vom Loch ist, wird die Vibrationen spüren, wenn die Sehnenlinien durch sie hindurchgehen: dehnen, dann quetschen, dann strecken – die Sehnenlinien werden zu einer Gravitationswelle. Während sich die Wellen ausbreiten, nimmt die Verformung des Schwarzen Lochs allmählich ab und auch die Wellen werden schwächer.

Wenn diese Wellen die Erde erreichen, haben sie die oben in der Abbildung unten gezeigte Form. Sie dehnen sich in eine Richtung und stauchen sich in die andere. Die Dehnungen und Quetschungen schwanken (von rot rechts-links über blau rechts-links bis rot rechts-links usw.), wenn die Wellen den Detektor unten in der Abbildung passieren.

Gravitationswellen passieren den LIGO-Detektor.

Der Detektor besteht aus vier großen Spiegeln (40 Kilogramm, 34 Zentimeter Durchmesser), die an den Enden zweier senkrecht stehender Röhren, den sogenannten Detektorarmen, befestigt sind. Tendexlinien von Gravitationswellen dehnen eine Schulter, während sie die zweite komprimieren, und dann im Gegenteil die erste komprimieren und die zweite dehnen. Und so immer wieder. Durch periodisches Ändern der Länge der Arme bewegen sich die Spiegel relativ zueinander, und diese Verschiebungen werden mithilfe von Laserstrahlen auf eine als Interferometrie bezeichnete Weise verfolgt. Daher der Name LIGO: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory.

Das LIGO-Kontrollzentrum, von wo aus sie Befehle an den Detektor senden und die empfangenen Signale überwachen. Die Gravitationsdetektoren von LIGO befinden sich in Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana. Foto aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Jetzt ist LIGO ein internationales Projekt, an dem 900 Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern beteiligt sind und das seinen Hauptsitz am California Institute of Technology hat.

Die verdrehte Seite des Universums

Schwarze Löcher, Wurmlöcher, Singularitäten, Gravitationsanomalien und Dimensionen höherer Ordnung sind mit der Krümmung von Raum und Zeit verbunden. Deshalb nennt Kip Thorne sie die „gekrümmte Seite des Universums“. Die Menschheit hat immer noch sehr wenige experimentelle und Beobachtungsdaten von der gekrümmten Seite des Universums. Aus diesem Grund widmen wir Gravitationswellen so viel Aufmerksamkeit: Sie bestehen aus gekrümmtem Raum und bieten uns die zugänglichste Möglichkeit, die gekrümmte Seite zu erkunden.

Stellen Sie sich vor, Sie müssten das Meer nur sehen, wenn es ruhig ist. Sie wüssten nichts von Strömungen, Strudeln und Sturmwellen. Dies erinnert an unser heutiges Wissen über die Krümmung von Raum und Zeit.

Wir wissen fast nichts darüber, wie sich verzerrter Raum und verzerrte Zeit "in einem Sturm" verhalten - wenn die Form des Raums heftig schwankt und wenn die Geschwindigkeit des Zeitflusses schwankt. Dies ist eine ungewöhnlich verlockende Grenze des Wissens. Der Wissenschaftler John Wheeler prägte für diese Veränderungen den Begriff „Geometrodynamik“.

Von besonderem Interesse im Bereich der Geometrodynamik ist die Kollision zweier Schwarzer Löcher.

Kollision zweier nicht rotierender schwarzer Löcher. Modell aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Die obige Abbildung zeigt den Moment, in dem zwei Schwarze Löcher kollidieren. Gerade ein solches Ereignis ermöglichte es Wissenschaftlern, Gravitationswellen aufzuzeichnen. Dieses Modell ist für nicht rotierende Schwarze Löcher gebaut. Oben: Bahnen und Schatten von Löchern, von unserem Universum aus gesehen. Mitte: gekrümmter Raum und Zeit, vom Strahl aus gesehen (hochdimensionaler Hyperraum); Die Pfeile zeigen, wie der Raum in Bewegung versetzt wird, und die wechselnden Farben zeigen, wie die Zeit gebogen wird. Unten: Die Form der ausgesendeten Gravitationswellen.

Gravitationswellen vom Urknall

Wort an Kip Thorne. „1975 machte Leonid Grischuk, mein guter Freund aus Russland, eine sensationelle Aussage. Er sagte, dass im Moment des Urknalls viele Gravitationswellen entstanden, und der Mechanismus für ihr Auftreten (bisher unbekannt) war folgender: Quantenfluktuationen (zufällige Schwankungen - Hrsg.) Die Gravitationsfelder beim Urknall wurden durch die anfängliche Expansion des Universums stark verstärkt und wurden so zu den ursprünglichen Gravitationswellen. Diese Wellen können uns, wenn sie nachgewiesen werden können, sagen, was im Moment der Geburt unseres Universums geschah.“

Wenn Wissenschaftler die ursprünglichen Gravitationswellen finden, wissen wir, wie das Universum begann.

Die Menschen haben alle Mysterien des Universums weit enträtselt. Immer noch voraus.

In den folgenden Jahren, als sich unser Verständnis des Urknalls verbesserte, wurde klar, dass diese anfänglichen Wellen bei Wellenlängen stark sein müssen, die der Größe des sichtbaren Universums entsprechen, dh bei Längen von Milliarden von Lichtjahren. Können Sie sich vorstellen, wie viel es ist?.. Und bei Wellenlängen, die LIGO-Detektoren abdecken (Hunderte und Tausende von Kilometern), sind die Wellen wahrscheinlich zu schwach, um sie zu erkennen.

Jamie Bocks Team baute den BICEP2-Apparat, der eine Spur ursprünglicher Gravitationswellen fand. Das Nordpolschiff wird hier während der Dämmerung gezeigt, die dort nur zweimal im Jahr auftritt.

BICEP2-Gerät. Bild aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Es ist von Schilden umgeben, die das Schiff vor der Strahlung der umgebenden Eisdecke schützen. In der oberen rechten Ecke befindet sich eine in der Reliktstrahlung gefundene Spur - ein Polarisationsmuster. Elektrische Feldlinien werden entlang kurzer Lichtstriche gelenkt.

Spur des Anfangs des Universums

In den frühen 1990er Jahren erkannten Kosmologen, dass diese Milliarden Lichtjahre langen Gravitationswellen einen einzigartigen Eindruck auf den elektromagnetischen Wellen hinterlassen haben müssen, die das Universum erfüllen – den sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund oder CMB. Damit begann die Suche nach dem Heiligen Gral. Denn wenn man diese Spur findet und daraus die Eigenschaften der ursprünglichen Gravitationswellen ableitet, kann man herausfinden, wie das Universum entstanden ist.

Im März 2014, als Kip Thorne dieses Buch schrieb, fand das Team von Jamie Bok, einem Caltech-Kosmologen, dessen Büro neben dem von Thorne liegt, schließlich diese Spur im CMB.

Das ist eine absolut erstaunliche Entdeckung, aber es gibt einen umstrittenen Punkt: Die von Jamies Team gefundene Spur könnte nicht durch Gravitationswellen verursacht worden sein, sondern durch etwas anderes.

Wenn tatsächlich eine Spur von Gravitationswellen vom Urknall gefunden wird, dann hat es eine kosmologische Entdeckung einer Ebene gegeben, die vielleicht einmal alle 50 Jahre vorkommt. Es gibt die Möglichkeit, die Ereignisse zu berühren, die eine Billionstel von einer Billionstel von einer Billionstel Sekunde nach der Geburt des Universums stattgefunden haben.

Diese Entdeckung bestätigt Theorien, dass die Expansion des Universums in diesem Moment extrem schnell war, im Jargon der Kosmologen - inflationäre Geschwindigkeit. Und kündigt den Beginn einer neuen Ära in der Kosmologie an.

Gravitationswellen und Interstellar

Gestern, auf einer Konferenz über die Entdeckung von Gravitationswellen, stellte Valery Mitrofanov, Leiter der Moskauer Kollaboration von Wissenschaftlern LIGO, zu der 8 Wissenschaftler der Moskauer Staatsuniversität gehören, fest, dass die Handlung des Films Interstellar zwar fantastisch, aber nicht so weit entfernt ist Wirklichkeit. Und das alles, weil der wissenschaftliche Berater Kip Thorne war. Thorne selbst äußerte die Hoffnung, dass er an zukünftige bemannte Flüge zu einem Schwarzen Loch glaubt. Lass sie nicht so schnell geschehen, wie wir möchten, und doch ist es heute viel realer als zuvor.

Der Tag ist nicht mehr fern, an dem die Menschen die Grenzen unserer Galaxie verlassen werden.

Das Ereignis erschütterte die Gedanken von Millionen von Menschen. Der berüchtigte Mark Zuckerberg schrieb: „Die Entdeckung von Gravitationswellen ist die größte Entdeckung in der modernen Wissenschaft. Albert Einstein ist einer meiner Helden, deshalb bin ich der Entdeckung so nahe gekommen. Vor einem Jahrhundert sagte er im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) die Existenz von Gravitationswellen voraus. Aber sie sind so klein, um entdeckt zu werden, dass sie an den Ursprüngen von Ereignissen wie dem Urknall, Sternexplosionen und Kollisionen mit Schwarzen Löchern gesucht werden. Wenn Wissenschaftler die gewonnenen Daten analysieren, eröffnet sich uns eine völlig neue Sicht auf den Weltraum. Und vielleicht wird dies Aufschluss über den Ursprung des Universums, die Geburt und Entwicklung von Schwarzen Löchern geben. Es ist sehr inspirierend, darüber nachzudenken, wie viele Leben und Bemühungen in die Enthüllung dieses Mysteriums des Universums geflossen sind. Dieser Durchbruch wurde möglich dank des Talents brillanter Wissenschaftler und Ingenieure, Menschen verschiedener Nationalitäten sowie der neuesten Computertechnologien, die erst vor kurzem erschienen sind. Herzlichen Glückwunsch an alle Beteiligten. Einstein wäre stolz auf dich."

So ist die Rede. Und das ist ein Mann, der sich einfach für Wissenschaft interessiert. Man kann sich vorstellen, was für ein Sturm der Emotionen über die Wissenschaftler fegte, die zu der Entdeckung beigetragen haben. Es scheint, als würden wir Zeugen einer neuen Ära, Freunde. Es ist wunderbar.

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Am 11. Februar 2016 gab eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, darunter aus Russland, auf einer Pressekonferenz in Washington eine Entdeckung bekannt, die früher oder später die Entwicklung der Zivilisation verändern wird. In der Praxis konnten Gravitationswellen oder Wellen der Raumzeit nachgewiesen werden. Ihre Existenz wurde vor 100 Jahren von Albert Einstein in seinem vorausgesagt.

Niemand zweifelt daran, dass diese Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wird. Wissenschaftler haben es nicht eilig, über ihre praktische Anwendung zu sprechen. Aber sie erinnern daran, dass die Menschheit bis vor kurzem auch nicht genau wusste, was sie mit elektromagnetischen Wellen anfangen sollte, was schließlich zu einer echten wissenschaftlichen und technologischen Revolution führte.

Was sind Gravitationswellen in einfachen Worten

Gravitation und universelle Gravitation sind ein und dasselbe. Gravitationswellen sind eine der OTS-Lösungen. Sie müssen sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Es wird von jedem Körper emittiert, der sich mit variabler Beschleunigung bewegt.

Beispielsweise dreht es sich auf seiner Umlaufbahn mit variabler Beschleunigung in Richtung des Sterns. Und diese Beschleunigung ändert sich ständig. Das Sonnensystem strahlt Energie in der Größenordnung von mehreren Kilowatt in Form von Gravitationswellen ab. Das ist eine winzige Menge, vergleichbar mit 3 alten Farbfernsehern.

Eine andere Sache sind zwei umeinander rotierende Pulsare (Neutronensterne). Sie bewegen sich auf sehr engen Bahnen. Ein solches "Paar" wurde von Astrophysikern entdeckt und seit langem beobachtet. Die Objekte waren bereit, aufeinander zu fallen, was indirekt darauf hinwies, dass Pulsare Raum-Zeit-Wellen ausstrahlen, also Energie in ihrem Feld.

Die Schwerkraft ist die Anziehungskraft. Wir werden vom Boden angezogen. Und das Wesen einer Gravitationswelle ist eine Veränderung in diesem Feld, extrem schwach, wenn es um uns geht. Nehmen Sie zum Beispiel den Wasserstand in einem Reservoir. Die Intensität des Gravitationsfeldes ist die Beschleunigung des freien Falls an einem bestimmten Punkt. Eine Welle läuft über unseren Stausee, und plötzlich ändert sich die Beschleunigung des freien Falls ein wenig.

Solche Experimente begannen in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts. Damals haben sie sich das ausgedacht: Sie haben einen riesigen Aluminiumzylinder aufgehängt, gekühlt, um interne thermische Schwankungen zu vermeiden. Und sie warteten darauf, dass uns plötzlich eine Welle aus einer Kollision von beispielsweise zwei massiven Schwarzen Löchern erreicht. Die Forscher waren begeistert und sagten, dass der gesamte Globus von einer aus dem Weltraum kommenden Gravitationswelle betroffen sein könnte. Der Planet beginnt zu schwingen und diese seismischen Wellen (Druck-, Scher- und Oberflächenwellen) können untersucht werden.

Ein wichtiger Artikel über das Gerät im Klartext und wie die Amerikaner und LIGO die Idee der sowjetischen Wissenschaftler stahlen und die Introferometer bauten, die die Entdeckung ermöglichten. Niemand spricht darüber, alle schweigen!

Übrigens ist die Gravitationsstrahlung interessanter vom Standpunkt der Reliktstrahlung, die sie zu finden versuchen, indem sie das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung verändern. Relikte und elektromagnetische Strahlung erschienen 700.000 Jahre nach dem Urknall, damals im Zuge der Expansion des mit heißem Gas gefüllten Universums mit reisenden Stoßwellen, die sich später in Galaxien verwandelten. In diesem Fall hätte natürlich eine gigantische, atemberaubende Anzahl von Raumzeitwellen ausgesandt werden müssen, die die Wellenlänge der damals noch optischen kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung beeinflussten. Der einheimische Astrophysiker Sazhin schreibt und veröffentlicht regelmäßig Artikel zu diesem Thema.

Fehlinterpretation der Entdeckung von Gravitationswellen

„Ein Spiegel hängt, eine Gravitationswelle wirkt darauf ein und er beginnt zu schwingen. Und selbst kleinste Schwankungen mit einer Amplitude von weniger als der Größe eines Atomkerns werden von Instrumenten wahrgenommen“ – eine solche Fehlinterpretation wird beispielsweise im Wikipedia-Artikel verwendet. Seien Sie nicht faul, finden Sie einen Artikel von sowjetischen Wissenschaftlern aus dem Jahr 1962.

Erstens muss der Spiegel massiv sein, um die "Wellen" zu spüren. Zweitens muss es fast auf den absoluten Nullpunkt (Kelvin) gekühlt werden, um seine eigenen thermischen Schwankungen zu vermeiden. Höchstwahrscheinlich wird es nicht nur im 21. Jahrhundert, sondern generell nie möglich sein, ein Elementarteilchen - den Träger von Gravitationswellen - nachzuweisen: