Schwingungen in der Raumzeit wurden ein Jahrhundert nach ihrer Vorhersage durch Einstein entdeckt. Eine neue Ära in der Astronomie beginnt.
Wissenschaftler konnten Raum-Zeit-Schwankungen feststellen, die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern verursacht wurden. Dies geschah hundert Jahre, nachdem Albert Einstein diese "Gravitationswellen" in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte, und hundert Jahre, nachdem Physiker begonnen hatten, nach ihnen zu suchen.
Diese wegweisende Entdeckung wurde heute von Forschern des LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory berichtet. Sie bestätigten die Gerüchte, die die Analyse der ersten Daten, die sie seit Monaten gesammelt hatten, umgaben. Astrophysiker sagen, dass die Entdeckung von Gravitationswellen einen neuen Blick auf das Universum ermöglicht und es ermöglicht, entfernte Ereignisse zu erkennen, die mit optischen Teleskopen nicht gesehen werden können, aber man kann ihr schwaches Zittern fühlen und sogar hören, das uns durch den Weltraum erreicht.
„Wir haben Gravitationswellen entdeckt. Wir haben es geschafft! kündigte David Reitze, Geschäftsführer des 1.000-köpfigen Forschungsteams, heute auf einer Pressekonferenz in Washington bei der National Science Foundation an.
Gravitationswellen sind vielleicht das schwer fassbare Phänomen aus Einsteins Vorhersagen. Der Wissenschaftler diskutierte dieses Thema jahrzehntelang mit seinen Zeitgenossen. Nach seiner Theorie bilden Raum und Zeit Dehnungsmaterie, die sich unter dem Einfluss schwerer Objekte biegt. Die Schwerkraft zu fühlen bedeutet, in die Kurven dieser Materie zu gelangen. Aber kann diese Raumzeit wie die Haut einer Trommel zittern? Einstein war verwirrt, er wusste nicht, was seine Gleichungen bedeuteten. Und er änderte wiederholt seinen Standpunkt. Aber selbst die überzeugten Befürworter seiner Theorie glaubten, dass Gravitationswellen zu schwach seien, um ohnehin beobachtet zu werden. Sie kaskadieren nach bestimmten Kataklysmen nach außen und dehnen sich während ihrer Bewegung abwechselnd aus und ziehen sich in Raum-Zeit zusammen. Aber bis diese Wellen die Erde erreichen,Sie dehnen und komprimieren jeden Kilometer des Weltraums um einen winzigen Bruchteil des Durchmessers eines Atomkerns.
LIGO-Observatoriumsdetektor in Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Treffpunkt
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Es bedurfte Geduld und Vorsicht, um diese Wellen zu erkennen. Das LIGO-Observatorium startete Laserstrahlen entlang der vier Kilometer langen Ellbogen zweier Detektoren im rechten Winkel, einer in Hanford, Washington und der andere in Livingston, Louisiana. Dies geschah auf der Suche nach zusammenfallenden Ausdehnungen und Kontraktionen dieser Systeme während des Durchgangs von Gravitationswellen. Mit modernsten Stabilisatoren, Vakuuminstrumenten und Tausenden von Sensoren haben die Wissenschaftler Änderungen in der Länge dieser Systeme gemessen, die nur ein Tausendstel der Größe eines Protons betragen. Eine solche Empfindlichkeit von Instrumenten war vor hundert Jahren undenkbar. Es schien auch 1968 unglaublich, als Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology ein Experiment namens LIGO konzipierte.
„Es ist ein großes Wunder, dass es ihnen am Ende gelungen ist. Sie konnten diese winzigen Schwingungen erkennen! - sagte der theoretische Physiker an der Universität von Arkansas, Daniel Kennefick, der 2007 das Buch Reisen mit der Geschwindigkeit des Denkens schrieb: Einstein und die Suche nach Gravitationswellen.
Diese Entdeckung markierte den Beginn einer neuen Ära in der Gravitationswellenastronomie. Es ist zu hoffen, dass wir genauere Vorstellungen über die Bildung, Zusammensetzung und galaktische Rolle von Schwarzen Löchern haben - diese überdichten Massenkugeln, die die Raumzeit so dramatisch verzerren, dass selbst Licht von dort nicht entweichen kann. Wenn sich Schwarze Löcher nähern und verschmelzen, erzeugen sie ein Impulssignal - Raum-Zeit-Schwingungen, deren Amplitude und Ton zunehmen und die dann abrupt enden. Die Signale, die vom Observatorium aufgezeichnet werden können, liegen im Schallbereich - sie sind jedoch zu schwach, um vom bloßen Ohr gehört zu werden. Sie können diesen Sound wiederherstellen, indem Sie mit den Fingern über die Klaviertasten fahren. "Beginnen Sie mit der tiefsten Note und arbeiten Sie bis zur dritten Oktave", sagte Weiss. "Das hören wir."
Die Physiker sind bereits erstaunt über die Anzahl und Stärke der derzeit aufgezeichneten Signale. Dies bedeutet, dass es auf der Welt mehr Schwarze Löcher gibt als bisher angenommen. "Wir haben Glück, aber ich habe immer mit diesem Glück gerechnet", sagte der Caltech-Astrophysiker Kip Thorne, der LIGO mit Weiss und Ronald Drever, die ebenfalls von Caltech stammen, gegründet hat. "Dies geschieht normalerweise, wenn sich im Universum ein ganz neues Fenster öffnet."
Wenn wir Gravitationswellen belauscht haben, können wir uns völlig andere Vorstellungen vom Raum machen, und vielleicht werden wir unvorstellbare kosmische Phänomene entdecken.
"Ich kann dies mit dem Moment vergleichen, als wir zum ersten Mal ein Teleskop in den Himmel richteten", sagte die theoretische Astrophysikerin Janna Levin vom Barnard College der Columbia University. "Die Leute haben erkannt, dass da etwas ist, und man kann es sehen, aber sie konnten die unglaublichen Möglichkeiten, die es im Universum gibt, nicht vorhersagen." Ebenso, so Levin, könnte die Entdeckung von Gravitationswellen zeigen, dass das Universum "voller dunkler Materie ist, die wir nicht einfach mit einem Teleskop erkennen können".
Die Geschichte der Entdeckung der ersten Gravitationswelle begann am Montagmorgen im September und begann mit einem Klatschen. Das Signal war so klar und laut, dass Weiss dachte: "Nein, das ist Unsinn, nichts wird daraus."
Intensität der Emotionen
Diese erste Gravitationswelle fegte während eines simulierten Laufs am frühen Morgen des 14. September, zwei Tage vor dem offiziellen Beginn der Datenerfassung, über die verbesserten LIGO-Detektoren - zuerst in Livingston und sieben Millisekunden später in Hanford.
Die Detektoren wurden nach einem fünfjährigen Upgrade, das 200 Millionen US-Dollar kostete, "eingefahren". Sie sind mit neuen Spiegeln zur Geräuschunterdrückung und einem aktiven Rückkopplungssystem ausgestattet, um Fremdvibrationen in Echtzeit zu unterdrücken. Durch das Upgrade erhielt das verbesserte Observatorium eine höhere Empfindlichkeit als das alte LIGO, das zwischen 2002 und 2010, wie Weiss es ausdrückte, „absolute und reine Null“fand.
Als das starke Signal im September kam, begannen Wissenschaftler in Europa, wo es gerade Morgen war, ihre amerikanischen Kollegen hastig mit E-Mails zu bombardieren. Als der Rest der Gruppe aufwachte, verbreiteten sich die Nachrichten sehr schnell. Fast alle seien diesbezüglich skeptisch, sagte Weiss, besonders als sie das Signal sahen. Es war ein echter Lehrbuchklassiker, und so dachten einige Leute, es sei eine Fälschung.
Seit den späten 1960er Jahren, als Joseph Weber von der University of Maryland glaubte, Resonanzschwingungen in einem Aluminiumzylinder mit Sensoren als Reaktion auf Wellen entdeckt zu haben, wurden Missverständnisse bei der Suche nach Gravitationswellen viele Male wiederholt. 2014 fand ein Experiment namens BICEP2 statt, nach dessen Ergebnissen bekannt gegeben wurde, dass die ursprünglichen Gravitationswellen erfasst wurden - die Raum-Zeit-Schwingungen des Urknalls, die sich inzwischen ausgedehnt und dauerhaft in der Geometrie des Universums eingefroren haben. Wissenschaftler des BICEP2-Teams kündigten ihre Entdeckung mit großer Begeisterung an, aber dann wurden ihre Ergebnisse unabhängig überprüft, wobei sich herausstellte, dass sie falsch lagen und dass dieses Signal von kosmischem Staub stammte.
Als der Kosmologe der Arizona State University, Lawrence Krauss, von der Entdeckung des LIGO-Teams hörte, dachte er zuerst, es sei ein "blindes Zeug". Während des Betriebs des alten Observatoriums wurden simulierte Signale heimlich in Datenströme eingefügt, um die Reaktion zu testen, und die meisten Teammitglieder wussten nichts davon. Als Krauss aus einer sachkundigen Quelle erfuhr, dass es sich diesmal nicht um "blindes Füllen" handelte, konnte er seine freudige Aufregung kaum unterdrücken.
Am 25. September twitterte er seinen 200.000 Twitter-Followern: „Gerüchte über eine Gravitationswelle, die auf dem LIGO-Detektor entdeckt wurde. Erstaunlich, wenn es wahr ist. Ich gebe dir die Details, wenn es keine Linde ist. " Es folgt ein Eintrag vom 11. Januar: „Frühere Gerüchte über LIGO wurden von unabhängigen Quellen bestätigt. Folgen Sie den Nachrichten. Vielleicht werden Gravitationswellen entdeckt!"
Die offizielle Position der Wissenschaftler lautete wie folgt: Verbreiten Sie das empfangene Signal erst, wenn eine hundertprozentige Sicherheit besteht. Thorne, der durch diese Verpflichtung zur Geheimhaltung an Hand und Fuß gebunden war, sagte seiner Frau nicht einmal etwas. "Ich habe alleine gefeiert", sagte er. Zunächst beschlossen die Wissenschaftler, zum Anfang zurückzukehren und alles bis ins kleinste Detail zu analysieren, um herauszufinden, wie sich das Signal durch die Tausenden von Messkanälen verschiedener Detektoren ausbreitete, und um zu verstehen, ob zum Zeitpunkt der Signalerkennung etwas Seltsames vorhanden war. Sie fanden nichts Außergewöhnliches. Sie eliminierten auch die Hacker, die während des Experiments am besten über die Tausenden von Datenströmen Bescheid wissen sollten. "Selbst wenn das Team einspringt, sind sie nicht perfekt genug und hinterlassen viele Fußabdrücke", sagte Thorne. "Und hier gab es keine Spuren."
In den folgenden Wochen hörten sie ein weiteres, schwächeres Signal.
Wissenschaftler analysierten die ersten beiden Signale und erhielten immer mehr. Im Januar präsentierten sie ihre Forschungsarbeiten in Physical Review Letters. Dieses Problem ist heute im Internet. Nach ihren Schätzungen übersteigt die statistische Signifikanz des ersten, stärksten Signals das "5-Sigma", was bedeutet, dass die Forscher zu 99,9999% von seiner Authentizität überzeugt sind.
Auf die Schwerkraft hören
Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sind so komplex, dass die meisten Physiker 40 Jahre gebraucht haben, um zuzustimmen: Ja, Gravitationswellen existieren und können erkannt werden - sogar theoretisch.
Zuerst dachte Einstein, dass Objekte keine Energie in Form von Gravitationsstrahlung freisetzen könnten, aber dann änderte er seinen Standpunkt. In seiner historischen Arbeit aus dem Jahr 1918 zeigte er, welche Objekte dies können: hantelförmige Systeme, die sich gleichzeitig um zwei Achsen drehen, zum Beispiel Binärdateien und Supernovae, die wie Feuerwerkskörper explodieren. Sie können Wellen in der Raumzeit erzeugen.
Computermodell zur Veranschaulichung der Natur von Gravitationswellen im Sonnensystem
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Aber Einstein und seine Kollegen zögerten weiter. Einige Physiker haben argumentiert, dass selbst wenn Wellen existieren, die Welt mit ihnen vibrieren wird und es unmöglich sein wird, sie zu fühlen. Erst 1957 schloss Richard Feynman diese Frage, indem er in einem Gedankenexperiment demonstrierte, dass Gravitationswellen theoretisch nachgewiesen werden können, wenn sie existieren. Aber niemand wusste, wie häufig diese Hantelsysteme im Weltraum waren oder wie stark oder schwach die resultierenden Wellen waren. "Letztendlich war die Frage: Können wir sie jemals finden?" Sagte Kennefick.
Im Jahr 1968 war Rainer Weiss ein junger Professor am Massachusetts Institute of Technology und wurde beauftragt, einen Kurs in allgemeiner Relativitätstheorie zu unterrichten. Als Experimentator wusste er wenig darüber, aber plötzlich gab es Neuigkeiten über Webers Entdeckung von Gravitationswellen. Weber baute drei Resonanzdetektoren in Schreibtischgröße aus Aluminium und platzierte sie in verschiedenen amerikanischen Bundesstaaten. Jetzt sagte er, dass alle drei Detektoren "den Schall von Gravitationswellen" aufzeichneten.
Die Schüler von Weiss wurden gebeten, die Natur der Gravitationswellen zu erklären und ihre Meinung zu der Botschaft zu äußern. Als er die Details studierte, war er erstaunt über die Komplexität der mathematischen Berechnungen. „Ich konnte nicht herausfinden, was zum Teufel Weber tat, wie die Sensoren mit der Gravitationswelle interagieren. Ich saß lange da und fragte mich: "Was ist das Primitivste, was ich mir vorstellen kann, um Gravitationswellen zu erfassen?" Und dann kam mir eine Idee, die ich die konzeptionelle Basis von LIGO nenne."
Stellen Sie sich drei Objekte in Raum-Zeit vor, beispielsweise Spiegel an den Ecken eines Dreiecks. "Senden Sie ein Lichtsignal von einem zum anderen", sagte Weber. "Sehen Sie, wie lange es dauert, um von einer Masse zur anderen zu gelangen, und prüfen Sie, ob sich die Zeit geändert hat." Der Wissenschaftler stellte fest, dass dies schnell möglich ist. „Ich habe dies meinen Schülern als wissenschaftliche Aufgabe anvertraut. Im wahrsten Sinne des Wortes konnte die gesamte Gruppe diese Berechnungen durchführen."
In den folgenden Jahren, als andere Forscher versuchten, die Ergebnisse von Webers Experiment mit einem Resonanzdetektor zu replizieren, aber ständig versagten (es ist nicht klar, was er beobachtete, aber dies waren keine Gravitationswellen), begann Weiss, ein viel genaueres und ehrgeizigeres Experiment vorzubereiten: das Gravitationswelleninterferometer. Der Laserstrahl wird von drei L-förmigen Spiegeln reflektiert, um zwei Strahlen zu bilden. Der Abstand der Spitzen und Täler von Lichtwellen gibt genau die Länge der „G“-Knie an, die die X- und Y-Achse der Raumzeit erzeugen. Wenn die Skala stationär ist, prallen die beiden Lichtwellen von den Ecken ab und heben sich gegenseitig auf. Das Signal im Detektor ist Null. Wenn jedoch eine Gravitationswelle durch die Erde geht, streckt sie die Länge eines Arms des Buchstabens "G" und komprimiert die Länge des anderen (und umgekehrt). Die Nichtübereinstimmung der beiden Lichtstrahlen erzeugt ein Signal im Detektor, das leichte Schwankungen in der Raumzeit zeigt.
Anfangs waren andere Physiker skeptisch, aber bald fand das Experiment Unterstützung in der Person von Thorne, dessen Gruppe von Theoretikern von Caltech Schwarze Löcher und andere potenzielle Quellen von Gravitationswellen sowie die von ihnen erzeugten Signale untersuchte. Thorne ließ sich von Webers Experiment und ähnlichen Bemühungen russischer Wissenschaftler inspirieren. Nachdem ich 1975 auf einer Konferenz mit Weiss gesprochen hatte, „begann ich zu glauben, dass die Detektion von Gravitationswellen erfolgreich sein würde“, sagte Thorne. "Und ich wollte, dass Caltech auch daran beteiligt ist." Er arrangierte mit dem Institut die Einstellung des schottischen Experimentators Ronald Driever, der auch ankündigte, ein Gravitationswelleninterferometer zu bauen. Im Laufe der Zeit begannen Thorne, Driver und Weiss, als Team zu arbeiten. Jedes von ihnen löste seinen eigenen Anteil an unzähligen Problemen, um sich auf ein praktisches Experiment vorzubereiten. Das Trio gründete LIGO im Jahr 1984 und als Prototypen gebaut wurden und ein wachsendes Team zusammenarbeitete, erhielten sie Anfang der neunziger Jahre 100 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation. Es wurden Pläne für den Bau eines Paares riesiger L-förmiger Detektoren erstellt. Ein Jahrzehnt später begannen die Detektoren zu arbeiten.
In Hanford und Livingston befindet sich in der Mitte jeder der vier Kilometer langen Biegungen der Detektoren ein Vakuum, durch das der Laser, sein Strahl und seine Spiegel maximal von den konstanten Schwingungen des Planeten isoliert sind. Um noch mehr zu gewährleisten, überwachen LIGO-Wissenschaftler ihre Detektoren während des Betriebs mit Tausenden von Instrumenten und messen alles, was sie können: seismische Aktivität, atmosphärischer Druck, Blitzschlag, kosmische Strahlung, Vibrationen der Geräte, Geräusche im Bereich des Laserstrahls usw. Sie filtern dann dieses unerwünschte Hintergrundrauschen aus ihren Daten heraus. Vielleicht ist die Hauptsache, dass sie zwei Detektoren haben, und dies ermöglicht es Ihnen, die empfangenen Daten zu vergleichen und sie auf das Vorhandensein von übereinstimmenden Signalen zu überprüfen.
Selbst wenn die Laser und Spiegel vollständig isoliert und stabilisiert sind, passieren im Vakuum "ständig seltsame Dinge", sagt Marco Cavaglià, stellvertretender Sprecher des LIGO-Projekts. Wissenschaftler müssen diese "Goldfische", "Geister", "unverständlichen Seeungeheuer" und andere fremde Schwingungsphänomene verfolgen und ihre Quelle herausfinden, um sie zu beseitigen. Ein schwieriger Fall trat während der Validierungsphase auf, sagte Jessica McIver, eine Wissenschaftlerin des LIGO-Teams, die solche fremden Signale und Interferenzen untersucht. In den Daten trat häufig eine Reihe von periodischen Einzelfrequenzrauschen auf. Als sie und ihre Kollegen die Vibrationen der Spiegel in Audiodateien umwandelten, „klingelte das Telefon deutlich“, sagte McIver. "Es stellte sich herausdass es die Werbekunden waren, die im Laserraum telefonierten."
In den nächsten zwei Jahren werden die Wissenschaftler die Empfindlichkeit der Detektoren des modernisierten laserinterferometrischen Gravitationswellenobservatoriums LIGO weiter verbessern. In Italien wird ein drittes Interferometer namens Advanced Virgo seine Arbeit aufnehmen. Eine Antwort, die die erhaltenen Daten geben, ist, wie schwarze Löcher gebildet werden. Sind sie das Produkt des Zusammenbruchs der frühesten massereichen Sterne oder das Ergebnis von Kollisionen innerhalb dichter Sternhaufen? "Dies sind nur zwei Annahmen, ich nehme an, es wird mehr geben, wenn sich alle beruhigen", sagt Weiss. Während LIGO im Laufe seiner bevorstehenden Arbeit neue Statistiken sammelt, werden Wissenschaftler anfangen, Geschichten über die Entstehung von Schwarzen Löchern zu hören, die ihnen der Weltraum zuflüstern wird.
In Form und Größe entstand das erste, lauteste gepulste Signal 1,3 Milliarden Lichtjahre, in denen nach einer Ewigkeit langsamen Tanzes unter dem Einfluss gegenseitiger Anziehungskraft zwei Schwarze Löcher, jeweils etwa 30-mal so groß wie die Sonnenmasse, schließlich verschmolzen. Schwarze Löcher kreisten immer schneller wie ein Whirlpool und kamen allmählich näher. Dann kam es zu einer Fusion, und im Handumdrehen setzten sie Gravitationswellen mit einer Energie frei, die mit der von drei Sonnen vergleichbar war. Diese Fusion wurde zum stärksten energetischen Phänomen, das jemals aufgezeichnet wurde.
"Es ist, als hätten wir den Ozean während eines Sturms noch nie gesehen", sagte Thorne. Seit den 1960er Jahren wartet er in der Raumzeit auf diesen Sturm. Das Gefühl, das Thorne beim Einrollen der Wellen empfand, war nicht gerade aufregend, sagt er. Es war etwas anderes: ein Gefühl tiefster Befriedigung.