Die erste direkte Detektion von Gravitationswellen wird voraussichtlich am 11. Februar von Wissenschaftlern des Advanced Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatoriums (LIGO) angekündigt. Mit zwei riesigen LIGO-Detektoren - einem in Livingston, Louisiana und einem in Hanford, Washington - haben Wissenschaftler die Wellen in der Raumzeit gemessen, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher entstehen, und scheinen endlich gefunden zu haben, wonach sie gesucht haben.
Eine solche Aussage würde die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen bestätigen, die er vor 100 Jahren in seine allgemeine Relativitätstheorie aufgenommen hat, aber die Konsequenzen werden dort nicht enden. Als Schwingung des Raum-Zeit-Gewebes werden Gravitationswellen oft mit Schall verglichen und sogar in Schallspuren umgewandelt. Gravitationswellenteleskope würden es Wissenschaftlern ermöglichen, Phänomene auf die gleiche Weise zu "hören", wie Lichtteleskope sie "sehen".
Als LIGO Anfang der neunziger Jahre um die Finanzierung durch die US-Regierung kämpfte, waren Astronomen die Hauptkonkurrenten bei Anhörungen im Kongress. "Damals wurde angenommen, dass LIGO nichts mit Astronomie zu tun hat", sagt Clifford Will, ein allgemeiner Relativitätstheoretiker an der Universität von Florida in Gainesville und einer der frühen Befürworter von LIGO. Aber seitdem hat sich viel geändert.
Willkommen auf dem Gebiet der Gravitationswellenastronomie. Lassen Sie uns die Probleme und Phänomene durchgehen, die sie enthüllen konnte.
Gibt es wirklich schwarze Löcher?
Das von der LIGO-Ankündigung erwartete Signal wurde möglicherweise von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt. Ereignisse wie diese sind die energischsten bekannten; Die Kraft der von ihnen emittierten Gravitationswellen kann alle Sterne des beobachteten Universums insgesamt kurz in den Schatten stellen. Das Zusammenführen von Schwarzen Löchern ist auch aus sehr reinen Gravitationswellen recht einfach zu interpretieren.
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Das von der LIGO-Ankündigung erwartete Signal wurde möglicherweise von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt. Ereignisse wie diese sind die energischsten bekannten; Die Kraft der von ihnen emittierten Gravitationswellen kann alle Sterne des beobachteten Universums insgesamt kurz in den Schatten stellen. Das Zusammenführen von Schwarzen Löchern ist auch aus sehr reinen Gravitationswellen recht einfach zu interpretieren.
Das Zusammenführen von Schwarzen Löchern tritt auf, wenn zwei Schwarze Löcher sich umeinander drehen und Energie in Form von Gravitationswellen emittieren. Diese Wellen haben einen charakteristischen Klang (Zwitschern), mit dem die Masse dieser beiden Objekte gemessen werden kann. Danach verschmelzen normalerweise schwarze Löcher.
„Stellen Sie sich zwei Seifenblasen vor, die nahe genug kommen, um eine Blase zu bilden. Die größere Blase ist deformiert “, sagt Tybalt Damour, Gravitationstheoretiker am Institut für fortgeschrittene wissenschaftliche Forschung in der Nähe von Paris. Das endgültige Schwarze Loch ist perfekt kugelförmig, muss jedoch zuerst Gravitationswellen eines vorhersagbaren Typs aussenden.
Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Implikationen der Entdeckung von Fusionen von Schwarzen Löchern wird die Bestätigung der Existenz von Schwarzen Löchern sein - zumindest perfekt kreisförmige Objekte, die aus reiner, leerer, gekrümmter Raumzeit bestehen, wie dies durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird. Eine weitere Konsequenz ist, dass die Fusion wie von den Wissenschaftlern vorhergesagt verläuft. Astronomen haben viele indirekte Bestätigungen für dieses Phänomen, aber bisher waren dies Beobachtungen von Sternen und überhitztem Gas in der Umlaufbahn von Schwarzen Löchern und nicht von Schwarzen Löchern selbst.
„Die wissenschaftliche Gemeinschaft, auch ich, mag keine Schwarzen Löcher. Wir halten sie für selbstverständlich “, sagt Frans Pretorius, Spezialist für allgemeine Relativitätssimulationen an der Princeton University in New Jersey. "Aber wenn Sie darüber nachdenken, was für eine erstaunliche Vorhersage dies ist, brauchen wir wirklich erstaunliche Beweise."
Bewegen sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit?
Wenn Wissenschaftler beginnen, LIGO-Beobachtungen mit denen anderer Teleskope zu vergleichen, prüfen sie zunächst, ob das Signal zur gleichen Zeit eingetroffen ist. Physiker glauben, dass die Schwerkraft von Gravitonenpartikeln übertragen wird, dem Gravitationsanalogon von Photonen. Wenn diese Teilchen wie Photonen keine Masse haben, bewegen sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit, was mit der Vorhersage der Geschwindigkeit von Gravitationswellen in der klassischen Relativitätstheorie übereinstimmt. (Ihre Geschwindigkeit kann durch die beschleunigte Expansion des Universums beeinflusst werden, dies sollte sich jedoch in Entfernungen manifestieren, die deutlich über denen von LIGO liegen.)
Es ist jedoch durchaus möglich, dass Gravitonen eine geringe Masse haben, was bedeutet, dass sich Gravitationswellen mit einer Geschwindigkeit bewegen, die geringer als die von Licht ist. Wenn beispielsweise LIGO und Virgo Gravitationswellen erfassen und herausfinden, dass die Wellen später auf der Erde eintreffen als mit einem kosmischen Ereignis von Gammastrahlen verbunden, könnte dies fatale Folgen für die Grundlagenphysik haben.
Besteht die Raumzeit aus kosmischen Strings?
Eine noch seltsamere Entdeckung könnte eintreten, wenn Gravitationswellenausbrüche von "kosmischen Strings" ausgehen. Diese hypothetischen Raum-Zeit-Krümmungsdefekte, die mit Stringtheorien zusammenhängen können oder nicht, sollten unendlich dünn sein, aber auf kosmische Entfernungen ausgedehnt werden. Wissenschaftler sagen voraus, dass sich kosmische Strings, wenn sie existieren, versehentlich verbiegen könnten; Wenn sich die Saite biegt, verursacht dies einen Gravitationsschub, den Detektoren wie LIGO oder Virgo messen können.
Können Neutronensterne gezackt werden?
Neutronensterne sind die Überreste großer Sterne, die unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrachen und so dicht wurden, dass Elektronen und Protonen zu Neutronen verschmolzen. Wissenschaftler haben wenig Verständnis für die Physik von Neutronenlöchern, aber Gravitationswellen könnten viel über sie erzählen. Zum Beispiel führt die intensive Schwerkraft auf ihrer Oberfläche dazu, dass Neutronensterne nahezu perfekt kugelförmig werden. Einige Wissenschaftler haben jedoch vorgeschlagen, dass sie möglicherweise auch "Berge" haben - einige Millimeter hoch -, die diese dichten Objekte mit einem Durchmesser von nicht mehr als 10 Kilometern leicht asymmetrisch machen. Neutronensterne neigen dazu, sich sehr schnell zu drehen, so dass eine asymmetrische Massenverteilung die Raumzeit verzerrt und ein konstantes sinusförmiges Gravitationswellensignal erzeugt, das die Rotation des Sterns verlangsamt und Energie ausstrahlt.
Paare von Neutronensternen, die sich umeinander drehen, erzeugen ebenfalls ein konstantes Signal. Wie schwarze Löcher drehen sich diese Sterne und verschmelzen schließlich zu einem unverwechselbaren Klang. Seine Spezifität unterscheidet sich jedoch von der Spezifität des Klangs von Schwarzen Löchern.
Warum explodieren Sterne?
Schwarze Löcher und Neutronensterne bilden sich, wenn massive Sterne aufhören zu leuchten und in sich zusammenfallen. Astrophysiker glauben, dass dieser Prozess das Herzstück aller gängigen Arten von Supernova-Explosionen vom Typ II ist. Simulationen solcher Supernovae haben noch nicht gezeigt, warum sie sich entzünden, aber es wird angenommen, dass das Hören der von einer echten Supernova emittierten Gravitationswellenausbrüche eine Antwort liefert. Abhängig davon, wie die Burst-Wellen aussehen, wie laut sie sind, wie oft sie auftreten und wie sie mit Supernovae korrelieren, die von elektromagnetischen Teleskopen verfolgt werden, könnten diese Daten dazu beitragen, eine Reihe vorhandener Modelle auszuschließen.
Wie schnell expandiert das Universum?
Das expandierende Universum bedeutet, dass entfernte Objekte, die sich von unserer Galaxie entfernen, roter erscheinen als sie tatsächlich sind, da das Licht, das sie aussenden, während ihrer Bewegung ausgestreckt wird. Kosmologen schätzen die Expansionsrate des Universums, indem sie die Rotverschiebung von Galaxien damit vergleichen, wie weit sie von uns entfernt sind. Diese Entfernung wird jedoch normalerweise anhand der Helligkeit von Supernovae vom Typ Ia geschätzt, und diese Technik hinterlässt viele Unsicherheiten.
Wenn mehrere Gravitationswellendetektoren auf der ganzen Welt Signale aus der Fusion derselben Neutronensterne erfassen, können sie zusammen die Lautstärke des Signals sowie die Entfernung, in der die Fusion stattgefunden hat, absolut genau abschätzen. Sie können auch die Richtung beurteilen und damit die Galaxie identifizieren, in der das Ereignis aufgetreten ist. Durch Vergleichen der Rotverschiebung dieser Galaxie mit der Entfernung zu den verschmelzenden Sternen kann eine unabhängige Rate der kosmischen Expansion erhalten werden, die möglicherweise genauer ist, als es derzeitige Methoden zulassen.
