Jetzt leben wir in einem Universum voller Gravitationswellen.
Vor der historischen Erklärung der National Science Foundation (NSF) in Washington am Donnerstagmorgen gab es nur Gerüchte, wonach das Laserinterferometrische Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) eine Schlüsselkomponente von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie eröffnet hat. Jetzt wissen wir, dass die Realität tiefer liegt als wir dachten.
Mit erstaunlicher Klarheit konnte LIGO den Moment vor dem Zusammenführen des binären Systems von Schwarzen Löchern (zwei schwarze Löcher, die sich umeinander drehen) zu einem Ganzen „hören“ und so ein so klares Gravitationswellensignal erzeugen, wie es nach einem theoretischen Modell nicht möglich ist erforderliche Diskussion. LIGO erlebte die „Wiedergeburt“ eines mächtigen Schwarzen Lochs, das vor etwa 1,3 Milliarden Jahren stattfand.
Gravitationswellen waren schon immer und werden es immer sein, die unseren Planeten durchdringen (tatsächlich durch uns hindurch), aber erst jetzt wissen wir, wie wir sie finden können. Jetzt haben wir unsere Augen für verschiedene kosmische Signale geöffnet, Vibrationen, die durch bekannte Energieereignisse verursacht werden, und wir erleben die Geburt eines völlig neuen Feldes der Astronomie.
Der Klang zweier schwarzer Löcher, die verschmelzen:
"Jetzt können wir das Universum hören", sagte Gabriela González, Physikerin und Vertreterin von LIGO, während des Triumphtreffens am Donnerstag, "die Entdeckung markiert den Beginn einer neuen Ära: Das Feld der Gravitationsastronomie ist jetzt Realität."
Unser Platz im Universum verändert sich sehr und diese Entdeckung kann grundlegend sein, wie die Entdeckung von Radiowellen und das Verständnis, dass sich das Universum ausdehnt.
Die Relativitätstheorie wird vernünftiger
Versuche zu erklären, was Gravitationswellen sind und warum sie so wichtig sind, so komplex wie die sie beschreibenden Gleichungen, aber ihre Entdeckung stärkt nicht nur Einsteins Theorie der Natur der Raumzeit, sondern wir haben jetzt ein Werkzeug, um einen Teil des Universums zu erfassen, der für unsichtbar war uns Jetzt können wir kosmische Wellen untersuchen, die durch die energiereichsten Ereignisse im Universum erzeugt wurden, und möglicherweise Gravitationswellen für neue physikalische Entdeckungen verwenden und neue astronomische Phänomene erforschen.
"Jetzt müssen wir beweisen, dass wir über die Technologie verfügen, die über die Entdeckung von Gravitationswellen hinausgeht, da sie viele Möglichkeiten eröffnet", sagte Lewis Lehner vom Institut für Theoretische Physik in Ontario in einem Interview nach der Erklärung am Donnerstag.
Leners Forschung konzentriert sich auf dichte Objekte (wie Schwarze Löcher), die starke Gravitationswellen erzeugen. Obwohl er nicht an der Zusammenarbeit von LIGO beteiligt ist, erkannte Lehner schnell die Bedeutung dieser historischen Entdeckung. "Es gibt keine besseren Signale", sagte er.
Die Entdeckung basiert auf drei Wegen, argumentiert er. Erstens wissen wir jetzt, dass Gravitationswellen existieren, und wir wissen, wie wir sie erkennen können. Zweitens ist das von LIGO-Stationen am 14. September 2015 festgestellte Signal ein deutlicher Hinweis auf die Existenz eines binären Systems von Schwarzen Löchern, und jedes Schwarze Loch wiegt mehrere zehn Sonnenmassen. Das Signal ist genau das, was wir als Ergebnis der harten Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erwartet hatten, von denen eines das 29-fache und das 36-fache der Sonne wiegt. Drittens und vielleicht am wichtigsten ist „die Möglichkeit, in ein Schwarzes Loch zu schicken“ definitiv der stärkste Beweis für die Existenz von Schwarzen Löchern.
Kosmische Intuition
Diese Veranstaltung war, wie viele andere wissenschaftliche Entdeckungen, mit Glück verbunden. LIGO ist das größte von der National Science Foundation finanzierte Projekt, das ursprünglich im Jahr 2002 ins Leben gerufen wurde. Es stellte sich heraus, dass LIGO nach vielen Jahren der Suche nach dem schwer fassbaren Signal der Gravitationswellen nicht empfindlich genug ist und 2010 die Observatorien eingefroren sind, während die internationale Zusammenarbeit daran arbeitet, ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Fünf Jahre später, im September 2015, wurde der „verbesserte LIGO“ geboren.
Zu dieser Zeit war Kip Thorn, Mitbegründer von LIGO und Schwergewicht in der theoretischen Physik, vom Erfolg von LIGO überzeugt und sagte der BBC: „Wir sind hier. Wir haben das Großwild getroffen. Und es ist ziemlich klar, dass wir den Schleier der Geheimhaltung aufheben werden. “Und er hatte Recht, ein paar Tage nach dem Wiederaufbau rollten Gravitationswellen durch unseren Planeten, und LIGO war empfindlich genug, um sie zu entdecken.
Diese Schwarzlochfusionen gelten nicht als etwas Besonderes; Nach groben Schätzungen treten solche Ereignisse alle 15 Minuten irgendwo im Universum auf. Aber genau diese Fusion fand zur richtigen Zeit (vor 1,3 Milliarden Jahren) am richtigen Ort (in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren) statt, um von den LIGO-Observatorien eingefangen zu werden. Es war ein reines Signal aus dem Universum, und Einstein sagte es voraus, und seine Gravitationswellen erwiesen sich als real und beschrieben ein kosmisches Ereignis, das 50-mal stärker war als die Kraft aller Sterne im Universum zusammen. Diese gewaltige Explosion von Gravitationswellen wurde von LIGO als Hochfrequenzsignal mit linearer Frequenzmodulation aufgezeichnet, während sich spiralförmig bewegende Schwarze Löcher zu einem verschmolzen. Um die Ausbreitung von Gravitationswellen zu bestätigen, besteht LIGO aus zwei Beobachtungsstationen, eine in Louisiana und eine in Washington. Um Fehlalarme auszuschließen, sollte das Gravitationswellensignal an beiden Stationen erfasst werden. Am 14. September wurde das Ergebnis zuerst in Louisiana und nach 7 Millisekunden in Washington erhalten. Die Signale passten zusammen, und mithilfe der Triangulation konnten die Physiker feststellen, dass sie aus dem himmlischen Raum der südlichen Hemisphäre stammten.
Gravitationswellen: Wie können sie nützlich sein?
Wir haben also eine Bestätigung des Schwarzloch-Fusionssignals, und was nun? Dies ist eine historische Entdeckung, die durchaus verständlich ist - vor 100 Jahren konnte Einstein nicht einmal davon träumen, diese Wellen zu finden, aber es passierte immer noch.
Die allgemeine Relativitätstheorie war eine der tiefgreifendsten wissenschaftlichen und philosophischen Wahrnehmungen des 20. Jahrhunderts und bildet die Grundlage für die intelligenteste Forschung in der Realität. In der Astronomie sind Anwendungen der Allgemeinen Relativitätstheorie klar: von der Gravitationslinse bis zur Messung der Expansion des Universums. Die praktische Anwendung von Einsteins Theorien ist jedoch überhaupt nicht klar, aber die meisten modernen Technologien verwenden Lehren aus der Relativitätstheorie in einigen Dingen, die als einfach angesehen werden. Nehmen wir zum Beispiel globale Navigationssatelliten, sie sind nicht genau genug, wenn Sie keine einfache Zeitdilatationsanpassung anwenden (vorhergesagt durch die Relativitätstheorie).
Es ist klar, dass die allgemeine Relativitätstheorie in der realen Welt Anwendung findet, aber als Einstein 1916 seine Theorie vorstellte, war ihre Anwendung höchst fragwürdig, was offensichtlich schien. Er verband das Universum einfach so, wie er es sah, und die allgemeine Relativitätstheorie war geboren. Und jetzt ist eine weitere Komponente der Relativitätstheorie bewiesen worden, aber wie können Gravitationswellen verwendet werden? Astrophysiker und Kosmologen sind definitiv fasziniert. "Nachdem wir Daten von Paaren von Schwarzen Löchern gesammelt hatten, die die Rolle von Leuchttürmen spielen werden, die über das Universum verstreut sind", sagte der theoretische Physiker Neil Turok, Direktor des Instituts für Theoretische Physik, am Donnerstag während einer Videopräsentation Die Ausdehnung des Universums oder die Menge der dunklen Energie mit äußerster Präzision ist viel genauer als wir es heute können. “
„Einstein entwickelte seine Theorie mit einigen Hinweisen auf die Natur, jedoch auf der Grundlage einer logischen Abfolge. Nach 100 Jahren sehen Sie sehr genaue Beweise für seine Vorhersagen. “
Darüber hinaus weist die Veranstaltung am 14. September einige Merkmale der Physik auf, die noch untersucht werden müssen. Lehner stellte beispielsweise fest, dass man aus der Analyse eines Gravitationswellensignals die „Rotation“ oder den Drehimpuls eines Schwarzen Lochs messen kann. "Wenn Sie lange an der Theorie gearbeitet haben, sollten Sie wissen, dass das Schwarze Loch eine sehr, sehr spezielle Rotation hat", sagte er.
Die Entstehung von Gravitationswellen bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher:
Aus irgendeinem Grund ist die endgültige Drehung des Schwarzen Lochs langsamer als erwartet, was darauf hinweist, dass die Schwarzen Löcher mit geringer Geschwindigkeit kollidieren oder sich in einer Kollision befanden, die einen gemeinsamen Drehimpuls verursachte, der sich gegenüberstand. "Es ist sehr interessant, warum hat die Natur das getan?", Sagte Lehner.
Dieses jüngste Rätsel könnte zu einigen Grundlagen der Physik zurückkehren, die nicht berücksichtigt wurden, aber auf faszinierende Weise eine „neue“, ungewöhnliche Physik aufdecken, die nicht in die allgemeine Relativitätstheorie passt. Und dies offenbart andere Anwendungen von Gravitationswellen: Da sie durch starke Gravitationsphänomene erzeugt werden, haben wir die Möglichkeit, dieses Medium aus der Ferne mit möglichen Überraschungen auf dem Weg zu untersuchen. Darüber hinaus könnten Beobachtungen astrophysikalischer Phänomene mit elektromagnetischen Kräften kombiniert werden, um die Struktur des Universums besser zu verstehen.
Bewerbung?
Natürlich sind nach den riesigen Ankündigungen aus einem Komplex wissenschaftlicher Entdeckungen viele Menschen außerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft daran interessiert, wie sie sich auf sie auswirken können. Die Tiefe der Entdeckung kann verloren gehen, was natürlich Gravitationswellen betrifft. Aber denken Sie an einen anderen Fall, in dem Wilhelm Roentgen 1895 bei Experimenten mit Kathodenstrahlröhren Röntgenstrahlen entdeckte. Nur wenige Menschen wissen, dass diese elektromagnetischen Wellen nur wenige Jahre später eine Schlüsselkomponente in der alltäglichen Medizin von der Diagnose bis zur Behandlung werden. In ähnlicher Weise bestätigte Heinrich Hertz bei der ersten experimentellen Erzeugung von Radiowellen im Jahr 1887 die bekannten elektromagnetischen Gleichungen von James Clerk Maxwell. Erst in den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts hat Guglielmo Marconi, der einen Funksender und einen Funkempfänger entwickelte, seine praktische Anwendung bewiesen. Auch die Schrödinger-Gleichungen, die die komplexe Welt der Quantendynamik beschreiben, werden jetzt bei der Entwicklung des ultraschnellen Quantencomputers verwendet.
Ingenieur LIGO bewertet die Verschmutzung des Interferometers.
Alle wissenschaftlichen Entdeckungen sind nützlich und viele haben letztendlich den alltäglichen Gebrauch, den wir für selbstverständlich halten. Derzeit beschränkt sich die praktische Anwendung von Gravitationswellen auf Astrophysik und Kosmologie - jetzt haben wir ein Fenster im „dunklen Universum“, das für elektromagnetische Strahlung nicht sichtbar ist. Ohne Zweifel werden Wissenschaftler und Ingenieure eine andere Verwendung für diese kosmischen Pulsationen finden, zusätzlich zur Wahrnehmung des Universums. Um diese Wellen zu erkennen, muss die optische Technologie in LIGO jedoch gute Fortschritte machen, da mit der Zeit neue Technologien auftauchen werden. Natürlich die Entdeckung von Gravitationswellen - der Triumph der Menschheit, der dazu beitragen wird, unser Universum für zukünftige Generationen zu erforschen. Dies ist definitiv ein goldenes Zeitalter für die Wissenschaft, in dem historische Entdeckungen alltäglich geworden sind. Und wir haben das intellektuelle Potenzial, ein Modell des Universums zu erstellen und unseren Fall experimentell zu beweisen.
Für mich ist es am aufregendsten, die ersten Gravitationskarten des Weltraums zu sehen, auf denen das periodische Brummen von Neutronensternen und impulsive Eruptionen von Supernovae aufgezeichnet werden, was ein neues Universum voller kosmischer Wellen eröffnet.
