Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Was ist das?

Am Donnerstag (11. Februar) um 10:30 Uhr wird die National Science Foundation in Washington Wissenschaftler aus Caltech, MIT und der Scientific Collaboration der LEU zusammenbringen, um der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Ergebnisse der Bemühungen des Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) zur Detektion von Gravitationswellen bekannt zu geben .

Aufgrund einiger sehr spezifischer Gerüchte, die auf die mögliche Entdeckung dieser schwer fassbaren Welligkeit im Weltraum abzielen, besteht die große Hoffnung, dass die wissenschaftliche Zusammenarbeit von LIGO das fieberhafte Denken endlich beenden und die Entdeckung von Gravitationswellen ankündigen wird.

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Aber warum ist das so wichtig? Und was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen im allgemeinsten Sinne sind Pulsationen im Weltraum. Albert Einstein vermutete vor etwas mehr als 100 Jahren, dass diese Pulsationen Gravitationsenergie aus der Beschleunigung von massiven Objekten im Weltraum ableiten. Wir können uns Gravitationswellen als Wellen auf der Oberfläche eines Teiches vorstellen. Werfen Sie einen Kieselstein ins Wasser und die Wellen werden über die Oberfläche eines gefallenen Objekts gehen. Gravitationswellen sind ähnlich: Sie sehen sich zwei schwarzen Löchern gegenüber (als Beispiel), und die „Welligkeit“ bewegt sich im Weltraum und überträgt Energie mit Lichtgeschwindigkeit vom Kollisionsort. Es gibt keine nachgewiesenen Beobachtungen des Vorhandenseins von Gravitationswellen, aber ihre Identifizierung wurde bis vor kurzem nicht für möglich gehalten.

Was macht sie aus?

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Schwarze Löcher sind die massereichsten und dichtesten Objekte im Universum und wahrscheinlich Zentren der Gravitationswellenaktivität, insbesondere wenn sie kollidieren und verschmelzen. Die Verschmelzung von Schwarzen Löchern gilt als Schlüssel zum Wachstumsmechanismus dieser Gravitationsriesen. Wenn zwei Galaxien ihre zentralen, sehr schweren schwarzen Löcher zusammenführen, beginnen sie sich spiralförmig zu drehen und kollidieren dann zu einem großen schwarzen Loch. In diesem Fall entstehen Gravitationswellen aus spiralförmigen Schwarzen Löchern, bevor sie kollidieren. Je mehr Objekte sich nähern, desto stärker steigt die Gravitationsenergie der Wellen, die immer mehr Energie von den Schwarzen Löchern zu ihrer Kollision bringt und nach ihrer Verschmelzung wie eine „Glocke“ läutet. Ein weiteres Energiephänomen, das einen raschen Ausbruch von Gravitationswellen hervorruft, sind Supernovae. Nachdem einem massiven Stern der Wasserstoff ausgeht, explodiert er und es entsteht ein massiver Gravitationsdruck. Infolge der Explosion kommt es zu einem Pulsieren der Gravitationswellen, die durch den Weltraum gehen.

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Gravitationswellen können auch durch schnell rotierende Objekte erzeugt werden, aber es gibt einen Trick. Nur asymmetrische (dh nicht symmetrische) große rotierende Objekte können Gravitationswellen in periodischer Form aussenden. Zum Beispiel wird ein schnell rotierender Neutronenstern mit einer konvexen Ansammlung von Substanzen auf einer Seite der Hemisphäre die Raumzeit „aufrühren“, um Gravitationswellen zu erzeugen. Ein perfekt symmetrischer Neutronenstern erzeugt jedoch keine Gravitationswellen. Der einfachste Weg, dies zu verstehen, besteht darin, sich eine ovale Kugel vorzustellen, die sich auf der Oberfläche eines Beckens dreht. Während sich der Ball dreht, erzeugt er große Wellen auf der Wasseroberfläche. Andererseits erzeugt eine runde Kugel feine Wellen auf der Oberfläche.

Der Urknall verursachte vermutlich auch einen starken Strom von Gravitationswellen am Ursprung des Universums vor etwa 14 Milliarden Jahren. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass diese anfänglichen Gravitationswellen erfasst werden, da ihr Signal im modernen Universum zu schwach ist. Es wird jedoch versucht, sie im „Hintergrundglühen“ des Urknalls zu erkennen. Ein solches Projekt ist das BICEP2-Teleskop am Südpol, das nach einer ganz bestimmten Art der Polarisation im kosmischen Mikrowellenhintergrund sucht, die vermutlich durch primäre Gravitationswellen verursacht wird. Trotz jüngster Ankündigungen wurden diese Signale noch nicht erkannt.

Wie können wir sie erkennen?

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Im Jahr 2002 begann das Laserinterferometrische Gravitationswellenobservatorium (LIGO) mit einer spezifischen Aufgabe: der direkten Detektion von Gravitationswellen, die unser lokales Raumvolumen durchdringen. Gravitationswellen werden im Weltraum übertragen und können in jedem Teil des Himmels bei Nacht und Tag erfasst werden, und zwar durch Nebel, Sterne und sogar feste Planeten. Diese Wellen durchlaufen theoretisch ständig den Weltraum und bewegen sich absolut frei. Diese Wellen können überall sein, aber ihre Wirkung ist überraschend schwach, und LIGO wurde entwickelt, um ihre mögliche Existenz zu untersuchen. LIGO besteht aus zwei Beobachtungsstationen, die sich in einer Entfernung von 2.000 Meilen voneinander befinden - eine in Washington, die andere in Louisiana. Beide Stationen sind identisch und haben zwei lange L-förmige Tunnel. Jeder Tunnel ist 4 km lang. Der "L" -Winkel enthält ein ausgeklügeltes optisches Labor, das mithilfe von Lasern winzige Abstandsschwankungen erkennt, die durch den Durchgang einer Gravitationswelle verursacht werden. Durch wiederholtes Prellen von Lasern entlang des Tunnels und anschließendes Vergleichen der Strahlen können LIGO-Geräte kleinste Phasenänderungen erkennen. Diese äußerst genaue Technik wird als Interferometrie bezeichnet. Jede Phasenänderung kann eine leichte Raum-Zeit-Krümmung bedeuten - eine winzige Abstandsänderung, die 1/1000 der Breite eines Protons entspricht.

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Bisher konnte LIGO keine Signale von Gravitationswellen erkennen, aber mit dem Upgrade auf Advanced LIGO kann sich die Situation ändern.

Für Advanced LIGO ist es entscheidend, zwei Stationen zu haben. Wenn eine Station eine Änderung in der Raumzeit feststellt und die andere nicht, können Wissenschaftler die Ausbreitung von Gravitationswellen eliminieren. Diese Fehlalarme können durch Vibrationen eines vorbeifahrenden Lastwagens oder bei starkem Wind während eines Sturms verursacht werden. Nur wenn zwei Stationen dasselbe Ereignis aufzeichnen, wird das Vorhandensein eines Gravitationswellensignals bestätigt.

Andere terrestrische Gravitationswellendetektoren wie Virgo (Italien) und GEO 600 (Deutschland) verwenden ebenfalls Interferometrie, um diese winzigen Oszillationen der Raumzeit zu erfassen. Vor kurzem wurde die Mission LISA Pathfinder gestartet, um Schlüsseltechnologien mit dem Evolved Laser Interferometer Space Interferometer (eLISA) der nächsten Generation zu testen, das die Europäische Weltraumagentur im Jahr 2034 einführen will.

Warum sind sie so wichtig?

Was Sie über Gravitationswellen wissen sollten

Die Bestätigung der Detektion von Gravitationswellen wird die endgültige Verschmelzung von theoretischer Physik und technologischer Entwicklung sein. Gravitationswellen entstehen direkt aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die die Natur von Raum und Zeit beschreibt. Es ist überraschend, dass Einstein vor 100 Jahren, ein Jahr im Jahr, Samen für diese Störungen in der Raumzeit säte, nur damit wir in einem Jahrhundert Technologie entwickeln und versuchen konnten, sie tatsächlich zu entdecken. Ihre Entdeckung wird eine weitere Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie bestätigen und uns in Zukunft helfen, Antworten auf einige der unangenehmsten Rätsel zu finden, mit denen Astrophysiker und Kosmologen konfrontiert sind.

Die direkte Detektion von Gravitationswellen ist zweifellos ein Ereignis, das den Nobelpreis verdient, und die wissenschaftliche Gemeinschaft hat keinen Zweifel daran, dass diese Leistung mit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 und möglicherweise sogar mit dem Konzept von Edwin Hubble zur Erweiterung des Universums im Jahr 1929 gleichzusetzen sein wird.

Es ist merkwürdig, dass er vorschlug, dass verschiedene kosmische Phänomene Gravitationswellen unterschiedlicher Frequenz erzeugen. Die moderne Astronomie konzentriert sich auf die Nutzung des elektromagnetischen Spektrums zur Erforschung des Universums. Traditionell wurde der sichtbare Teil des Lichts des elektromagnetischen Spektrums von Astronomen genutzt, um Planeten zu öffnen und sogar in benachbarte Galaxien zu schauen. Mit der Entwicklung astronomischer Methoden und der Modernisierung der Technologie begannen die Astronomen, Wellen unterschiedlicher Frequenzen wie Röntgenstrahlen zu untersuchen, Energieereignisse um Schwarze Löcher zu beobachten und Infrarotstrahlung in die sternbildenden Nebel zu blicken.

Die direkte Detektion von Gravitationswellen wird jedoch ein Paradigmenwechsel sein. Mit einer ausreichenden Anzahl von Detektoren für Gravitationswellen können wir Objekte „sehen“ und Objekte, die für das elektromagnetische Spektrum unsichtbar bleiben. Beispielsweise können zwei kollidierende Schwarze Löcher nicht viel elektromagnetische Strahlung erzeugen, aber sie können ein großes Gravitationswellensignal erzeugen. Und wie bei elektromagnetischer Strahlung beschreibt die Frequenz der Gravitationswellen die Art der Phänomene, die sie erzeugen. Letztendlich werden wir in der Lage sein, eine Gravitationskarte des nahegelegenen Universums mit temporären Phänomenen wie Supernovas und periodischen Pulsationen aus der Rotation von Schwarzen Löchern zu erstellen. Astronomische Gravitationswellen werden unsere Wahrnehmung des Universums revolutionieren.

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