Nach einem Jahrhundert der Suche haben wir endlich Gravitationswellen entdeckt

Wissenschaftler haben die Arie der Schwerkraft zum ersten Mal gehört.

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Während zwei schwarze Löcher sich spiralförmig aufeinander zu bewegten und verschmolzen, erzeugten sie Wellen im Gewebe des Kosmos in genau der Form, die die Physiker für ein Jahrhundert vorhergesagt hatten: Gravitationswellen. Das Signal, das heute während einer Reihe internationaler Pressekonferenzen enthüllt wurde, ebnet den Weg für ein völlig neues Verständnis des Universums.

"Dies ist das erste Mal, dass das Universum durch Gravitationswellen zu uns gesprochen hat. Bis jetzt waren wir taub", sagte LIGO-Laborleiter David Reitze von der University of Florida heute auf einer Presseveranstaltung in Washington, DC

Die Wurzel der Gravitationswellen ist Albert Einsteins Gravitationstheorie, die besagt, dass alles, was mit Masse zu tun hat, das eigentliche Gefüge der Raum-Zeit verzerrt. Wenn sich massive Objekte bewegen, verursachen sie Verzerrungen im kosmischen Gewebe und erzeugen Gravitationswellen. Diese Wellen plätschern durch das Universum wie Schallwellen, die durch die Luft pulsieren.

Einsteins Theorie sagt voraus, dass das Universum von Gravitationswellen wimmelt, aber bis jetzt konnten wir sie nicht entdecken, zum Teil, weil die Wellen außergewöhnlich schwach sind. Doch noch bevor die aufgerüsteten Instrumente im vergangenen Jahr offiziell online gingen, hat das Laser-Interferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) ein deutliches Signal von der starken Kollision zweier 1, 3 Milliarden Lichtjahre entfernter Schwarzer Löcher empfangen.

„Es ist erstaunlich, ein Gravitationswellensignal zu erfassen, während LIGO noch nicht in der Nähe der Entwurfssensitivität im ersten wissenschaftlichen Lauf ist. Es ist in guter Weise umwerfend“, sagt Joan Centrella, Leiterin des Gravitationsastrophysiklabors am Goddard Space Flight der NASA Center, bevor er stellvertretender Direktor der Astrophysics Science Division bei Goddard wurde.

Diese Erheiterung erfüllte das LIGO-Observatorium in Livingston, Louisiana, und den Rest der Welt, als das Team seine Ankündigung machte. Fast alles, was Astronomen über den Kosmos gelernt haben, stammt aus verschiedenen Lichtformen, wie sichtbar, Radiowellen und Röntgenstrahlen. Aber so wie seismische Wellen tief in der Erde verborgene Strukturen aufdecken können, tragen Gravitationswellen Informationen über verborgene Eigenschaften des Universums mit sich, die selbst Licht nicht aufdecken kann.

"Wir begannen mit einem risikoreichen Job, der sich sehr auszahlt", sagte Kip Thorne, LIGO-Mitbegründer und Gravitationsphysiker am California Institute of Technology, während der Presseveranstaltung. "Und wir sind heute hier mit einem großen Triumph - eine ganz neue Art, das Universum zu beobachten."

Frühe Hinweise

Die Jagd nach Gravitationswellen begann vor einem Jahrhundert mit der Veröffentlichung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Mitte der 1970er Jahre gelang es den Physikern Russell A. Hulse und Joseph H. Taylor Jr., äußerst überzeugende Beweise dafür zu sammeln, dass diese Wellen existieren. Sie maßen die Zeit, die zwei dichte Neutronensterne - die zerkleinerten Kerne einst massereicher Sterne - brauchten, um sich gegenseitig zu umkreisen.

Basierend auf Einsteins Arbeit wussten sie, dass diese Sterne Gravitationsenergie ausstrahlen sollten, wenn sie sich drehen, und dass verlorene Energie dazu führen würde, dass sie sich gegenseitig zuwenden. Nachdem sie die beiden Sterne für die nächsten Jahre untersucht hatten, stellten sie fest, dass sich die Umlaufbahn genau um den Betrag verringerte, der durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wurde.

Während dieses Ergebnis dem Duo 1993 den Nobelpreis für Physik einbrachte, würden die meisten Physiker es nicht als direkten Nachweis von Gravitationswellen bezeichnen.

Im Jahr 2001 nahm LIGO seinen Betrieb an zwei Standorten auf, die 1.875 Meilen voneinander entfernt sind - einer in Livingston, Louisiana, und einer in Hanford, Washington. Einige Jahre später ging auch das europäische Gravitationswellenteleskop Virgo online. Beide waren bis 2010 bzw. 2011 in Betrieb, bevor sie für Upgrades offline gingen.

Obwohl die Wissenschaftler gehofft hatten, dass diese ersten Observatorien Gravitationswellen erfassen würden, wussten sie, dass dies ein langer Schuss war. Diese Wellen sind sehr schwache Signale, und die Instrumente waren nicht empfindlich genug, um ihr Flüstern zu hören. Die ersten Durchläufe dienen jedoch als Test der Technologie für die Instrumente der nächsten Generation.

Virgo wird noch weiter verbessert, aber das LIGO-Team hat seine Arbeit an beiden Detektoren im Jahr 2015 abgeschlossen. Die Observatorien in Louisiana und Washington, die nun Advanced LIGO heißen, haben während des ersten wissenschaftlichen Beobachtungslaufs zwischen dem 18. September 2015 und dem 12. Januar 2015 auf Gravitationswellen gewartet. 2016. Das heute angekündigte Signal wurde kurz vor diesem ersten offiziellen Lauf aufgenommen, da das Team Betriebstests der Detektoren durchführte.

Laser Präzision

Um eine Welle auf ihrem Weg durch die Erde zu spüren, waren viel geschickte Technik, Computerleistung und mehr als 1.000 Wissenschaftler auf der ganzen Welt erforderlich.

In jedem L-förmigen LIGO-Observatorium sitzt ein Laser am Treffpunkt zweier senkrechter Röhren. Der Laser durchläuft ein Instrument, das das Licht so aufteilt, dass zwei Strahlen die etwa 4 km langen Röhren entlang wandern. Spiegel an den Enden der Röhren reflektieren das Licht zurück zu seiner Quelle, wo ein Detektor wartet.

Normalerweise landet kein Licht auf dem Detektor. Aber wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht, sollte sie sich in einem vorhersagbaren Muster in der Raum-Zeit-Richtung dehnen und zerdrücken und dabei die Länge der Röhren um einen winzigen Betrag verändern - in der Größenordnung eines Tausendstels des Durchmessers eines Protons. Dann fällt etwas Licht auf den Detektor.

Um die unglaublich geringe Veränderung zu berücksichtigen, sind die Spiegel des Instruments an komplexen Systemen angebracht, die sie gegen die meisten Vibrationen isolieren. Die Wissenschaftler des LIGO verfügen außerdem über spezielle Computerprogramme, die verschiedene Arten von Hintergrundgeräuschen wie gelegentliches Zittern filtern und feststellen können, ob ein eingehendes Signal mit möglichen astronomischen Quellen übereinstimmt, die unter Verwendung der allgemeinen Relativitätstheorie berechnet wurden.

Die Standorte in Louisiana und Washington arbeiten zusammen, um eine Sichtung zu überprüfen. „Wir glauben nicht, dass wir eine Gravitationswelle sehen, es sei denn, beide Detektoren sehen das gleiche Signal innerhalb der Zeit, die die Gravitationswelle benötigt, um sich zwischen den beiden Standorten zu bewegen“, sagt Amber Stuver, LIGO-Teammitglied der Louisiana State University. In diesem Fall passierte die Welle die Erde und traf die beiden Detektoren im Abstand von nur sieben Millisekunden.

Sobald die Standorte in Louisiana und Washington eine mögliche Schwerkraft erkennen, können Wissenschaftler an der Analyse arbeiten. LIGO hat dieses Signal am 14. September aufgenommen, kann aber erst jetzt mit hoher Sicherheit sagen, dass sie Gravitationswellen gesehen haben.

"Es hat Monate gedauert, bis wir alle Daten überprüft, erneut überprüft und analysiert hatten, um die Sichtung sicherzustellen", sagte Reitze während des DC-Events. "Und wir haben uns davon überzeugt." Die Ergebnisse erscheinen diese Woche in Physical Review Letters .

Das Gravitationswellensignal, das die Astronomen aus den jüngsten Beobachtungen gezogen hatten, entsprach den Erwartungen an zwei aufeinander zu gewundene Schwarze Löcher. Der Tanz sendet Gravitationswellen mit einer vorhersehbaren Häufigkeit und Stärke aus, je nachdem, wie weit die Objekte voneinander entfernt sind und wie groß sie sind.

Wenn sie näher zu tanzen beginnen, schrumpfen die Wellenlängen der Gravitationswellen und ihr Lied erreicht höhere Tonhöhen. Wenn sich die Schwarzen Löcher für die endgültige Umarmung nähern, hat das Gravitationswellensignal eine letzte hohe Note oder ein „Zwitschern“, wie es die Astronomen nennen.

Das September-Signal passt hervorragend zu dem, was das Team von zwei Schwarzen Löchern mit einer Masse erwartet, die etwa dem 29- und 36-fachen der Sonnenmasse entspricht. Diese schwarzen Löcher wurden zusammengeschlagen, um ein neues Schwarzes Loch zu erzeugen, das 62-mal so groß ist wie die Sonnenmasse. Dabei wurden 3 Sonnenmassen mit Gravitationsenergie abgestrahlt.

Erwarte das Unerwartete

Nach dieser ersten Entdeckung sind die Astronomen zuversichtlich, dass Advanced LIGO weiterhin Gravitationswellen erfassen und Daten für alle Arten von wissenschaftlichen Studien aufbauen wird, angefangen von der Ermittlung der Funktionsweise von Supernovas bis hin zum Erlernen der ersten Momente des Universums. Während kein anderes astronomisches Teleskop Anzeichen für diese Kollision mit Schwarzen Löchern sah, sollten einige der anderen Quellen, nach denen Advanced LIGO sucht, Gegenstücke haben, die für Teleskope sichtbar sind, die Licht einfangen.

Dies erscheint besonders vielversprechend, wenn man bedenkt, dass Advanced LIGO noch nicht die volle Empfindlichkeit aufweist. Das wird in den nächsten Jahren kommen, sagt Stuver.

Jedes dieser Signale gibt den Astronomen das, was sie noch nie zuvor hatten: eine Möglichkeit, extreme Fälle von Schwerkraft und die Bewegungen unsichtbarer Objekte zu untersuchen. Noch aufregender ist, dass Astronomen wissen, dass das Universum uns mit jedem technologischen Fortschritt überrascht.

"Jedes Mal, wenn wir auf eine neue Art und Weise und mit einer anderen Art von Licht ausgesehen haben, entdecken wir etwas, was wir nicht erwartet hatten", sagt Stuver. "Und es ist diese unerwartete Sache, die unser Verständnis des Universums revolutioniert." Nicht lange Nachdem Astronomen Radioantennen in den Himmel gedreht hatten, entdeckten sie eine unerwartete Art von Neutronenstern, einen Pulsar. Und, vielleicht poetisch, war es ein Pulsar- und Neutronenstern, der in den 1970er Jahren einen Orbital-Tanz durchführte, den Hulse und Taylor studierten.

Mit dem Beginn der Gravitationswellenastronomie haben die Wissenschaftler ein neues Werkzeug für die Probenahme im Kosmos. Und vom Klang her erwarten wir wunderschöne Musik.

Anmerkung der Redaktion: Joan Centrellas Zugehörigkeit wurde korrigiert.