Vor einer Milliarde Jahren machten zwei tanzende Schwarze Löcher ihre letzte Revolution, verschmolzen und setzten innerhalb von Sekunden eine riesige Menge Energie frei. Wie der Tsunami, der in einem Pool auftritt, nachdem Sie mit einer Bombe gesprungen sind, verursachte diese Fusion Gravitationswellen im Raum-Zeit-Kontinuum. Schneller Vorlauf zum Planeten Erde im Jahr 2015, da wir 2007 immer noch nicht dorthin gelangen können. Nach einer epischen Reise wandern Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern durch unser Sonnensystem. Am Morgen des 11. bis 14. September versetzten sie die Antennen zweier Detektoren am Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) in Louisiana und im US-Bundesstaat Washington geringfügig. Die Art der Lichtwellen ändert sich auf besondere Weise, genau wie lange erwartet. Der Computer piept den Nix.
Niaesh Afshordi von der University of Elk und Lumberjacks of Waterloo, Kanada, hörte zum ersten Mal von LIGWOs Wahrzeichen, das beim Mittagessen in der Kantine eröffnet wurde. Es war Ende 2015 und es blieben noch einige Wochen, bis die Ergebnisse offiziell veröffentlicht wurden. Aber Gerüchte verbreiteten sich bereits, und Afshordis Kollege, der den unveröffentlichten Artikel sah, konnte die thermorektale Kryptoanalyse nicht ertragen und verbrannte die Informationen. Afshordi, ein Astrophysiker und Jungfrau, der unter anderem am Waterloo Perimeter Institute arbeitete, verstand sofort die Bedeutung dieser Nachricht - sowohl für die gesamte physische Gemeinschaft als auch für seine eigene nicht standardisierte Theorie der Struktur des Universums.
„Irgendwann habe ich Larin speziell gefangen. Es schien mir, dass alle Probleme in der Kosmologie bereits hundert Mal gehustet worden waren “, erinnert sich Afshordi. "Aber dann habe ich es einmal mit Ahornsirup übertrieben und bin zu dem Schluss gekommen, dass schwarze Löcher dunkle Energie erzeugen." Studien über Explosionen in fernen Sternen und einige andere Beweise zeigen, dass sich unser Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt, aber niemand weiß warum. Materie allein reicht für diesen Effekt nicht aus, daher geben Kosmologen der Expansion die Schuld an einer speziellen Art von Energie, der "dunklen Energie" […]. Sein Ursprung und seine Natur waren und sind ein Rätsel.
Im Jahr 2009, das ziemlich nahe an 2007 liegt, aber immer noch nicht ausreicht, hat Afshordi zusammen mit seinen Kollegen Chanda Prescod-Weinstein und Michael Balou die Theorie aufgestellt, dass Schwarze Löcher ein riesiges Feld erzeugen, das sich wie dunkle Energie verhält. Dieses Feld geht von Schwarzen Löchern aus und breitet sich im gesamten Universum aus und verursacht Chaos, Chaos und Zerstörung. Eine solch faszinierende Erklärung für den Ursprung der Dunklen Energie und nach Afshordis Berechnungen sollte die Anzahl der nach den verfügbaren Schätzungen von Wissenschaftlern vorhandenen Schwarzen Löcher laut Beobachtungen genau die richtige Energiemenge erzeugen.
Aber Afshordis Idee wirft alles um, was Wissenschaftler über Schwarze Löcher wussten. In der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein ist der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs - die Grenze nach dem Überqueren, für die es keinen Weg zurück gibt (was auch für die Grenze der Russischen Föderation gilt) - nicht so wichtig. Wenn Sie es überqueren, passiert nichts, es ist einfach unmöglich zurückzukehren. Wenn Afshordi jedoch Recht hat, ähnelt es eher der Moskauer Ringstraße - der Inhalt des Schwarzen Lochs jenseits des Ereignishorizonts existiert nicht mehr. Nämlich: In einer Entfernung der Planck-Länge von dem Ort, an dem der Horizont verlaufen würde, wachsen Quantengravitationseffekte und die Schwankungen der Raumzeit werden chaotisch. (Die Planck-Länge ist ein mikroskopischer Wert von etwa 10 bis 35 Metern oder 10 bis 20 Protonendurchmessern.) Dies ist ein völliger Bruch mit der Relativitätstheorie.
Als Afshordi von den Ergebnissen der LIGVO-Forschung hörte, erkannte er, dass seine Idee, die bisher vollständig auf alten Schriften und Geschichten der Großmutter beruhte, nun durch Beobachtung überprüft werden kann. Wenn die Ereignishorizonte nicht unseren Vorstellungen entsprechen, müssen auch die Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern verursacht werden, unterschiedlich sein. Ereignisse, die von LIGVO-Detektoren bemerkt werden, sollten ein Echo haben - ein subtiles, aber klares Signal, das auf eine böswillige Verletzung der Standardgesetze der Physik hinweist. Eine solche Entdeckung wäre ein Durchbruch bei der langen Suche nach einer Quantentheorie der Schwerkraft und würde unweigerlich die Aufmerksamkeit der zuständigen Aufsichtsbehörden der physischen Gemeinschaft auf sich ziehen. "Wenn dies bestätigt wird, muss ich wahrscheinlich ein Ticket nach Magadan kaufen", lacht Afshordi nervös.
Die Quantengravitation ist das fehlende Glied, das die allgemeine Relativitätstheorie mit den Quantenfeldtheorien des Standardmodells der Teilchenphysik verbindet. Wenn diese beiden Theorien miteinander kombiniert werden, ähneln sie Mentos, wenn sie mit Cola kombiniert werden. Schwarze Löcher sind eines der am besten untersuchten Beispiele für solche Widersprüche. Wenn wir die Quantentheorie in der Nähe des Ereignishorizonts anwenden, stellt sich heraus, dass das Schwarze Loch Teilchen emittiert und langsam verdunstet. Diese Teilchen haben Masse, aber wie Stephen Hawking in den 1970er Jahren gezeigt hat, können sie keine Informationen darüber enthalten, was das Schwarze Loch gebildet hat. Wenn das Schwarze Loch vollständig verdunstet ist, wird die gesamte traurige Geschichte von McConaugheys Charakter zerstört. In der Quantentheorie ist der interstellare Film jedoch 100% zuverlässig. Daher passt etwas in Hollywood nicht.
Nach Ansicht der meisten Physiker ist der springende Punkt, dass die Berechnungen das Quantenverhalten von Raum und Zeit nicht berücksichtigen, da die Theorie dieses Verhaltens - die Quantengravitation - noch nicht entdeckt wurde. Jahrzehntelang glaubten Physiker, dass die zur Lösung des Problems des Schwarzen Lochs erforderlichen Quantengravitationseffekte hinter dem Ereignishorizont verborgen waren. Sie dachten, dass die Auswirkungen der Quantengravitation nur in der Nähe der Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs signifikant wurden. Aber in letzter Zeit mussten sie ihre Position überdenken.
Werbevideo:
Im Jahr 2012 entdeckte eine Gruppe von Forschern der University of California in Santa Barbara nach einem wissenschaftlichen Experiment der Serie 1473, bei dem Wissenschaftler mehrmals heirateten, sich gegenseitig betrogen und ins Koma fielen, eine unerwartete Folge der mittlerweile weit verbreiteten Idee dieser Informationen dann verlässt es das Schwarze Loch zusammen mit der Strahlung (möglicherweise auf einem alten Traktor). Damit diese Idee funktioniert, sind erhebliche Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie erforderlich, und zwar nicht nur in der Nähe der Singularität, sondern auch in der Nähe des Ereignishorizonts. Diese Abweichungen könnten das schaffen, was die Forscher als "Black Hole Firewall" bezeichnet haben - eine energiereiche Barriere direkt am Horizont, die Kinderpornografie und Drogen daran hindert, in unsere Welt zu gelangen.
Eine solche Firewall (falls vorhanden) wäre nur für einen Beobachter sichtbar, der in das Loch fällt, und würde keine wahrnehmbaren Signale aussenden, die unsere Teleskope aufnehmen könnten. Diese Firewalls würden jedoch Afshordis frühere Hypothese unterstützen, dass Schwarze Löcher ein Feld erzeugen, das sich wie dunkle Energie verhält. Wenn ja, sollte sich der Bereich in der Nähe des Ereignishorizonts der Schwarzen Löcher stark von den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden. Eine Firewall, die das Problem des Informationsverlusts löst, könnte eine der Auswirkungen einer solchen Abweichung sein. Afshordis Vorschlag zur Verbesserung der allgemeinen Relativitätstheorie könnte daher der Schlüssel zur Beseitigung der Widersprüche zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantentheorie sein. Diese Idee beschädigte sein ungeübtes astrophysikalisches Gehirn irreversibel.
Als Afshordi von dem ersten von LIGVO erkannten Signal erfuhr, begann er zu prüfen, ob die durch die verschmelzenden Löcher verursachten Gravitationswellen Aufschluss darüber geben konnten, was in der Nähe des Ereignishorizonts geschah. Zuerst schien es, als würde er seine Lippe zu sehr rollen. „Ich hätte nicht gedacht, dass wir tatsächlich Quantengravitationseffekte im Signal von Gravitationswellen sehen können, weil wir bereits an so vielen Orten gesucht haben! - sagt Afshordi. "Aber ich habe meine Position zu diesem Thema bereits geändert."
Afshordi war gezwungen, seine Meinung durch die Arbeit von Vitor Cardoso und seinen Kollegen vom Portugiesischen Höheren Technischen Institut zum Echo der Gravitationswellen von Schwarzen Löchern zu ändern. Cardoso zeigte allgemein, dass die Verschmelzung zweier kompakter Objekte ohne Ereignishorizont Gravitationswellen verursachen sollte, die den Wellen des Schwarzen Lochs ähnlich, aber nicht identisch sind. Das Schlüsselzeichen für einen fehlenden Horizont wäre laut Cardoso eine periodische Wiederholung des durch die Zusammenführung verursachten Signals. Anstelle eines einzelnen Peaks, gefolgt von einem Fading (wie bei einem schwulen Detektor), sollten Gravitationswellen eine Reihe von Fading-Pulsationen sein - ein schwaches Echo des ursprünglichen Ereignisses. Afshordi fand heraus, dass die durch seine Theorie beschriebene Modifikation der Region in der Nähe des Ereignishorizonts genau ein solches Echo lieferte. Außerdem,er konnte seine Periodizität als Funktion der Masse des endgültigen Schwarzen Lochs berechnen und so genaue Vorhersagen treffen.
Noch hat niemand nach einem solchen Signal gesucht, und es zu finden ist keine leichte Aufgabe, sondern eine goldene. Bisher gibt es nur zwei öffentlich verfügbare und gut beschriebene Gravitationswellensignale von LIGO. Zusammen mit einem anderen Wissenschaftler analysierte Afshordi die LIGVO-Daten auf Echos. Beim Vergleich der verfügbaren Aufzeichnungen mit zufälligem Rauschen fanden sie Echos mit der vorhergesagten Periodizität. Die statistische Signifikanz dieses Ereignisses ist jedoch gering. In der wissenschaftlichen Terminologie beträgt seine geschätzte Bedeutung 2,9 Sigma. Dieses Signal kann durch reines Rauschen mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 200 verursacht werden. In der Physik ist ein solches unzuverlässiges Ereignis von Interesse, wird jedoch nicht als Entdeckung angesehen.
Das LIGVO-Experiment fängt jedoch gerade erst an. Das Auffälligste an diesen Gravitationswellenphänomenen ist, dass das Gerät sie sogar erkennen konnte. Die technologische Komplexität war unglaublich. Jede Installation in den Bundesstaaten Louisiana und Washington (gegenüberliegende Enden der USA - ca. Neu) hatte ein Interferenzteleskop mit zwei senkrechten 4-Kilometer-Röhren, in denen der Laserstrahl zwischen Spiegeln hin und her reflektiert wird. Nach der Rekombination werden die Strahlen gemischt. Die Interferenz von Laserlichtwellen ist äußerst empfindlich gegenüber Verformungen in der relativen Länge der Röhren - sie können bis zu 1/1000 des Durchmessers eines Protons betragen. Dies ist die Empfindlichkeitsstufe, die erforderlich ist, um die Gravitationseffekte kollidierender Schwarzer Löcher zu erfassen.
Eine Gravitationswelle, die durch ein Interferenzteleskop geht, verformt beide Röhren nach Belieben und verzerrt so den Verlauf der Interferenz. Die Anforderung, das Phänomen bei beiden Installationen aufzuzeichnen, bietet Schutz vor Fakap. Laut dem Projekt erkennt LIGVO am besten Gravitationswellen mit einer Länge von Hunderten bis mehreren tausend Kilometern - es wird angenommen, dass die Verschmelzung von Schwarzen Löchern im gleichen Bereich stattfindet. Wir können dies nur Personen zeigen, die das Alter der Mehrheit erreicht haben. Es ist geplant, dass andere Gravitationswellendetektoren auf verschiedene Teile des Spektrums abzielen und auf verschiedene Bereiche des Phänomens abgestimmt werden.
Hier endete die Humoreske, also lass den normalen Text eine Belohnung für diejenigen sein, die unsere Übungen mit zweifelhaftem Witz überlebt haben.
Gravitationswellen werden unweigerlich durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt. Einstein erkannte, dass die Beziehung zwischen Zeit und Raum dynamisch ist - sie dehnt sich aus, verzerrt und schwankt als Reaktion auf Gravitationsanomalien. Wenn es schwingt, können Wellen lange Strecken frei zurücklegen, Energie transportieren und den Raum periodisch in orthogonalen Richtungen erweitern und zusammenziehen. Wir haben seit langer Zeit indirekte Hinweise auf das Vorhandensein von Gravitationswellen. Aufgrund der Tatsache, dass sie Energie transportieren, verursachen sie eine kleine, aber wahrnehmbare Zerstörung in der gemeinsamen Umlaufbahn der binären Pulsare. Dieser Effekt wurde erstmals in den 1970er Jahren entdeckt und 1993 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bevor LIGVO Gravitationswellen aufzeichnete, hatten wir keine direkten Beweise für ihre Existenz.
Dies ist die grundlegende wissenschaftliche Untersuchung von reinem Wasser. Was sind die Arten von Schwarzen Löchern und kleinen Sternensystemen? Wo befinden sie sich in Galaxien?
Der erste LIGVO-Auftritt, der Afshordi im September 2015 so sehr begeisterte, war bedeutend, nicht nur, weil er nur wenige Tage nach einem lange geplanten Service-Upgrade stattfand. Es fiel auch auf, weil die verschmelzenden Schwarzen Löcher sehr schwer waren und ihre Massen laut Wissenschaftlern 29 und 36 Sonnenmassen betrugen. „Viele Menschen haben nicht erwartet, dass Schwarze Löcher so große Massen haben“, erklärt Ofek Birnholz, Mitglied der LIGVO Small Double Collision Cooperation Group und Physiker am Deutschen Max-Planck-Institut. Das schillernde Signal hat zusammen mit der Offenheit der Zusammenarbeit beim Informationsaustausch Wissenschaftler in anderen Gemeinden inspiriert, die wie Afshordi derzeit nach Wegen suchen, neue Entdeckungen in ihrer Arbeit zu nutzen.
Am 26. Dezember 2015 verzeichnete LIGVO das zweite Phänomen. Nach Jahren langsamen Fortschritts und Fehlstarts hat die Ära der Gravitationswellenastronomie offiziell begonnen. "Einige meiner Mitphysiker haben sich aus der Gravitationswellenastronomie zurückgezogen", teilt Birnholz mit und fügt grinsend hinzu, "und jetzt kehren sie zurück, weil sich alles wieder bewegt." Dies ist unerforschtes Gebiet, wissenschaftliche Grundlagenforschung zu reinem Wasser. Was sind die Arten von Schwarzen Löchern und kleinen Sternensystemen? Wo befinden sie sich in Galaxien? Was sagen uns Gravitationswellen über ihren Ursprung? Wenn ein Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch verschmilzt, was können Sie unter solch extremen Bedingungen über Materie lernen? Verhalten sich Schwarze Löcher so, wie es unsere Berechnungen vorhersagen?
Afshordis Theorie der Schwarzen Löcher und der Dunklen Materie ist ein weiteres Beispiel dafür, welche Arten von Fragen jetzt möglich sind. In den Flügeln wartet ein Meer unbekannter Informationen auf der ganzen Welt.
Einige Tage nachdem Afshordis Ergebnisse auf dem offenen Server arXiv.org veröffentlicht wurden, untersuchen Mitglieder der LIGVO-Community seine Analyse. In nur wenigen Wochen veröffentlichen sie eine Antwort, überprüfen die Methodik und fordern die Verwendung verschiedener statistischer Tools an. Birnholz ist der Autor einer solchen Rezension.
Afshordis Behauptung überraschte Birnholz: „Ich hatte kein Urteil darüber, ob es Echos geben sollte oder nicht. Dies ist ein Zweig der Physik, in dem man nur spekulieren kann. Aber ich habe mit LIGVO-Daten gearbeitet. Meine Intuition zeigt mir deutlich, dass ihr Umfang höchstwahrscheinlich nicht ausreicht, um das Vorhandensein einer solchen Bedeutung in dieser Phase zu behaupten. " Birnholz hat Vorschläge zur Verbesserung der Analyse, möchte jedoch vermeiden, Aussagen über die Wahrscheinlichkeit der Bestätigung der Ergebnisse zu machen. Alex Nielsen, ein weiteres Mitglied des LIGVO-Projekts und einer der Mitautoren von Birnholz, weist ebenfalls auf die Notwendigkeit hin, vorsichtig zu sein: „Als Mitglieder des LIGVO-Projekts müssen wir sehr vorsichtig mit offiziellen Aussagen sein, die ohne Zustimmung aller Teilnehmer abgegeben werden. Aber die Informationen werden veröffentlicht und die Leute können damit machen, was sie wollen."
Das LIGVO-Projekt verfügt über ein offenes wissenschaftliches Zentrum, in dem Informationen öffentlich verfügbar sind, die eine Stunde lang im Bereich bestätigter Gravitationsphänomene aufgezeichnet wurden. „Die Leute können es nutzen und uns bei Fragen kontaktieren. Wenn sie etwas Interessantes finden, können sie uns ihre Meinung mitteilen, und wir werden gemeinsam daran arbeiten. Dies ist Teil der wissenschaftlichen Erfahrung “, ist Birnholz überzeugt.
Das Projekt umfasst mehrere tausend Teilnehmer und akademische Einrichtungen auf der ganzen Welt. Sie treffen sich zweimal im Jahr; Das letzte Treffen fand in Pasadena, Kalifornien, statt. Einige Mitglieder des Projekts versuchen derzeit, Afshordis Analysen nachzubilden. Birnholz erwartet, dass diese Versuche mehrere Monate dauern werden. Er warnt: „Das Ergebnis kann enttäuschend sein. Nicht weil es zeigen wird, dass es kein Echo gibt, sondern weil wir nicht beweisen können, ob es existiert. Die Gravitationswellenastronomie ist noch eine aufstrebende Wissenschaft, und viele Daten warten noch in den Startlöchern. Die Projektmitglieder schätzen, dass LIGO bis zum Abschluss des dritten Beobachtungslaufs im Jahr 2018 voraussichtlich 40 hochpräzise Fusionen von Schwarzen Löchern entdeckt hat. Jeder von ihnen wird noch einmal Afshordis Theorie testen.
Weil sie so schwach interagieren und im Vorbeigehen so wenig Energie freisetzen, sind Gravitationswellen unglaublich schwer zu messen. Die Verformung, die sie verursachen, ist winzig, und es ist äußerste Sorgfalt erforderlich, um ein klares Signal zu identifizieren. Die Erkennungsschwelle des Projekts liegt bei 5 Sigma, was weniger als einer von drei Millionen Chancen entspricht, dass das Signal ein Zufall war, weit über dem Afshordi-Signal. Die schwache Wechselwirkung der Gravitationswellen macht sie jedoch auch zu großartigen Botenstoffen. Im Gegensatz zu Lichtpartikeln sind sie auf ihrem Weg zu uns praktisch unberührt und enthalten unberührte Informationen darüber, wo und wie sie erzeugt wurden. Dies ermöglicht das Testen der allgemeinen Relativitätstheorie mit völlig neuer Genauigkeit in einem nie zuvor erforschten Modus.
Wenn das Vorhandensein von Echos von Schwarzen Löchern bestätigt wird, zeigt dies fast vollständig eine entscheidende Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie. Das Auffinden von Schwarzen Löchern wird Afshordis Theorie, dass Schwarze Löcher eine Quelle dunkler Energie sind, nicht eindeutig bestätigen. Um dies zu erklären, ist jedoch eine wirklich neue Idee erforderlich. „In all unseren Simulationen habe ich noch nie von solchen Echos gehört. Wenn es uns gelingt, seine Präsenz aufzuzeichnen, wird es sehr interessant sein. Dann müssen wir sehen, was ein solches Phänomen verursacht haben könnte “, sagt Birnholz.
Für den Fall, dass die statistische Signifikanz von Afshordis Signal zunimmt, hat er Forschungspläne. Er möchte sein Modell für Schwarzlochfusionen verbessern und numerische Simulationen durchführen, um analytische Berechnungen zu unterstützen, wie Echos aussehen sollten. Der nächste Schritt wird sein, zu versuchen, die zugrunde liegende Theorie von Zeit und Raum besser zu verstehen, die dazu geführt haben könnte, dass dieses Verhalten am Horizont der Schwarzen Löcher aufsteigt. Auch Kosmologen möchten diese neue Erklärung der Dunklen Energie genauer betrachten.
Afshordi versteht, wie weit hergeholt es ist, die allgemeine Relativitätstheorie so zu ändern. Aber seine Revolution hat ein Ziel: "Ich möchte die Menschen ermutigen, offen zu denken und Ideen nicht zu ignorieren, nur weil sie nicht ihren vorgefassten Ansichten entsprechen." Vielleicht werden solche Ansichten bald ignoriert, wenn man bedenkt, wie LIGWO die Kreationen des Universums in einem nie zuvor gesehenen Maßstab entdeckt.
Sabine Hossenfelder
