Vor mehr als einer Milliarde Jahren führten in einer weit entfernten Galaxie zwei Schwarze Löcher die letzten Schritte in einem rasanten Pas de Deux durch und endeten mit einer so heftigen Umarmung, dass mehr Energie freigesetzt wurde als von jedem Stern in der Galaxie jede Galaxie im beobachtbaren Universum. Im Gegensatz zum Sternenlicht war die Energie jedoch dunkel und wurde von der unsichtbaren Schwerkraft getragen. Am 14. September 2015, um 5:51 Uhr Eastern Daylight Time, erreichte ein Fragment dieser Energie in Form einer „Gravitationswelle“ die Erde, die durch ihren weiten Transit durch Raum und Zeit zu einem bloßen Flüstern ihres Donners reduziert wurde Anfang.
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Das elegante Universum
KaufenSoweit wir wissen, ist die Erde zuvor in diese Art von Gravitationsstörung getaucht worden. Häufig. Der Unterschied besteht diesmal darin, dass zwei erstaunlich genaue Detektoren, einer in Livingston, Louisiana, und der andere in Hanford, Washington, bereitstanden. Als die Gravitationswelle vorbeizog, kitzelte sie die Detektoren, was die unverkennbare Signatur der Kollision von Schwarzen Löchern auf der anderen Seite des Universums darstellte und den Beginn eines neuen Kapitels in der Erforschung des Kosmos durch die Menschheit markierte.
Als im Januar Gerüchte über die Entdeckung in Umlauf kamen, verdrehte ich die Augen, was eindeutig ein falscher Alarm oder ein Trick war, um ein wenig Aufsehen zu erregen. Die Jagd nach Gravitationswellen war als Forschungsprogramm bis weit in das fünfte Jahrzehnt hinein längst die große Entdeckung, die sich immer am Horizont abzeichnete. Die Physiker hatten sich damit abgefunden, auf ihren Gravitationsgott zu warten.
Aber der menschliche Einfallsreichtum und die menschliche Ausdauer haben gesiegt. Es ist einer dieser Siege, die sogar diejenigen von uns von der Seitenlinie jubeln lassen.
Hier ist die Geschichte auf den Punkt gebracht.
Im vergangenen November feierte die Welt den 100. Geburtstag von Einsteins größter Entdeckung, der allgemeinen Relativitätstheorie, die ein neues Paradigma für das Verständnis der Schwerkraft enthüllte. Isaac Newtons Ansatz sagt die Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Objekten korrekt voraus, gibt jedoch keinen Einblick, wie etwas hier über den leeren Raum greifen und dort an etwas ziehen kann . Einstein verbrachte ein Jahrzehnt damit, herauszufinden, wie die Schwerkraft kommuniziert, und kam schließlich zu dem Schluss, dass Raum und Zeit die unsichtbare Hand bilden, die die Schwerkraft zum Ziel hat.
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Diese Geschichte ist eine Auswahl aus der April-Ausgabe des Smithsonian-Magazins
KaufenDie Metapher der Wahl, überstrapaziert, aber beschwörend, ist, sich den Raum als Trampolin vorzustellen. Platzieren Sie eine Bowlingkugel in der Mitte des Trampolins, damit es sich krümmt. Ein Marmor wird angestoßen, um sich entlang einer gekrümmten Flugbahn zu bewegen. In ähnlicher Weise bekannte Einstein, dass sich die Raumzeitumgebung in der Nähe eines astronomischen Körpers wie der Sonne krümmt, was erklärt, warum die Erde ähnlich wie der Marmor einer gekrümmten Bahn folgt. Bis 1919 bestätigten astronomische Beobachtungen diese bemerkenswerte Vision und machten Einstein zu Einstein.
Einstein trieb seine bedeutsame Entdeckung weiter voran. Bis zu diesem Punkt hatte er sich auf statische Situationen konzentriert: die Bestimmung der festen Form einer Region der Raumzeit, die sich aus einer bestimmten Menge an Materie ergibt. Doch dann wandte sich Einstein dynamischen Situationen zu: Was würde mit dem Raumzeitgewebe passieren, wenn sich die Materie bewegen und zittern würde? Er erkannte, dass Kinder, die auf einem Trampolin springen, Wellen in der Oberfläche erzeugen, die sich nach außen kräuseln, Materie, die sich in diese Richtung bewegt, und Wellen im Gewebe der Raumzeit erzeugen, die sich auch nach außen kräuseln. Und da gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie die gekrümmte Raumzeit die Schwerkraft ist, ist eine Welle der gekrümmten Raumzeit eine Welle der Schwerkraft.
Gravitationswellen repräsentieren die bedeutendste Abweichung der Allgemeinen Relativitätstheorie von der Newtonschen Gravitation. Die flexible Raumzeit ist sicherlich eine tiefgreifende Neugestaltung der Schwerkraft, doch in bekannten Zusammenhängen wie der Anziehungskraft der Sonne oder der Erde unterscheiden sich Einsteins Vorhersagen kaum von denen von Newton. Da die Newtonsche Schwerkraft jedoch keine Aussage darüber macht, wie die Schwerkraft übertragen wird, ist der Begriff der Schwerkraftstörung in der Newtonschen Theorie unbegründet.
Einstein selbst hatte Bedenken hinsichtlich seiner Vorhersage von Gravitationswellen. Wenn man zum ersten Mal auf die subtilen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie stößt, ist es schwierig, abstrakte Mathematik von messbarer Physik zu trennen. Einstein war der erste, der sich auf diese Auseinandersetzung einließ, und es gab Merkmale, die selbst er, der Zynismus der Relativitätstheorie, nicht vollständig verstand. In den 1960er Jahren stellten Wissenschaftler mit verfeinerten mathematischen Methoden zweifelsfrei fest, dass Gravitationswellen ein charakteristisches Merkmal der allgemeinen Relativitätstheorie waren.
Ein Beispiel für Gravitationswellen (John Hersey) Wie könnte diese ikonische Vorhersage dann getestet werden? Im Jahr 1974 entdeckten Joseph Taylor und Russell Hulse mit dem Arecibo-Radioteleskop einen binären Pulsar: zwei umlaufende Neutronensterne, deren Umlaufzeit mit großer Genauigkeit verfolgt werden konnte. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie erzeugen die umlaufenden Sterne einen stetigen Marsch von Gravitationswellen, die Energie ableiten, wodurch die Sterne enger zusammenfallen und sich schneller in einer Umlaufbahn befinden. Beobachtungen bestätigten diese Vorhersage für ein T und lieferten, wenn auch indirekte, Hinweise darauf, dass Gravitationswellen real sind. Hulse und Taylor erhielten 1993 den Nobelpreis.
Umso verführerischer war es, Gravitationswellen direkt zu erfassen. Aber die Aufgabe war gewaltig. Berechnungen zeigen, dass während sich eine Gravitationswelle durch den Raum bewegt, alles, was sich auf ihrem Weg befindet, abwechselnd entlang der zur Bewegungsrichtung der Welle senkrechten Achsen gedehnt und zusammengedrückt wird. Eine Gravitationswelle, die direkt auf die Vereinigten Staaten zusteuerte, würde abwechselnd den Raum zwischen New York und Kalifornien und den zwischen Texas und North Dakota ausdehnen und zusammenpressen. Durch genaues Überwachen solcher Entfernungen sollten wir daher in der Lage sein, den Durchgang der Welle genau zu bestimmen.
Die Herausforderung besteht darin, dass eine Welligkeit in einem Teich nachlässt, während sie sich ausbreitet, und sich eine Gravitationswelligkeit verdünnt, wenn sie sich von der Quelle ausbreitet. Da große kosmische Kollisionen normalerweise sehr weit von uns entfernt stattfinden (zum Glück), ist das Ausmaß der Dehnung und des Zusammendrückens, das sie verursachen, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Gravitationswellen die Erde erreichen, winzig - weniger als ein atomarer Durchmesser. Das Erkennen solcher Veränderungen ist mit dem Messen der Entfernung von der Erde zum nächsten Stern außerhalb des Sonnensystems mit einer Genauigkeit vergleichbar, die besser ist als die Dicke eines Blattes Papier.
Der erste Versuch, der in den 1960er Jahren von Joseph Weber, einem Pionier der Universität von Maryland, unternommen wurde, bestand aus mehreren Tonnen schweren Vollaluminiumzylindern, in der Hoffnung, dass sie als Reaktion auf eine vorbeiziehende Gravitationswelle sanft wie riesige Stimmgabeln schwingen würden. In den frühen 1970er Jahren behauptete Weber Erfolg, große Zeit. Er berichtete, dass fast täglich Gravitationswellen auf seinem Detektor auftraten. Diese bedeutsame Leistung inspirierte andere, Webers Behauptungen zu bekräftigen, aber nach Jahren des Versuchs konnte niemand auch nur eine einzige Welle fangen.
Webers hartnäckiger Glaube an seine Ergebnisse trug, lange nachdem die gesammelten Beweise etwas anderes angedeutet hatten, zu einer Perspektive bei, die das Feld seit Jahrzehnten geprägt hat. Im Laufe der Jahre glaubten viele Wissenschaftler, genau wie Einstein, dass Gravitationswellen, selbst wenn sie real wären, einfach zu schwach wären, um jemals entdeckt zu werden. Diejenigen, die sich auf den Weg machten, um sie zu finden, befanden sich in einer dummen Angelegenheit, und diejenigen, die glaubten, dass die Behauptungen der Entdeckung getäuscht wurden.
In den 1970er Jahren wandten sich die wenigen, die immer noch den Gravitationswellenfehler hatten, einem vielversprechenderen Erkennungsschema zu, bei dem Laser verwendet wurden, um die Längen zweier langer identischer Tunnel zu vergleichen, die in einem Winkel von 90 Grad zueinander ausgerichtet waren. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle dehnte einen Tunnel aus, während sie den anderen zusammendrückte, wodurch sich die Entfernungen, die die Laserstrahlen zurücklegten, geringfügig änderten. Wenn die beiden Laserstrahlen anschließend wieder kombiniert werden, reagiert das resultierende Muster, das das Licht bildet, empfindlich auf winzige Unterschiede, wie weit sich jeder Strahl bewegt hat. Wenn eine Gravitationswelle vorbeirollt, würde selbst die dadurch verursachte winzige Störung ein modifiziertes Lasermuster hinterlassen.
Das ist eine schöne Idee. Nahe gelegene Presslufthammer, polternde Lastwagen, Windböen oder fallende Bäume könnten ein solches Experiment stören. Bei der Suche nach Längenunterschieden von weniger als einem Milliardstel Milliardstel eines Meters ist die Fähigkeit, das Gerät vor jeder möglichen, wenn auch geringfügigen, Umwelteinwirkung zu schützen, von größter Bedeutung. Mit dieser scheinbar unüberwindlichen Forderung bekamen die Neinsager noch mehr Munition. Eine Gravitationswelle abzufangen, würde Hortons Gehör zu einem Who machen, selbst über das Dröhnen der New Yorker U-Bahn hinweg, ein Kinderspiel.
Die amerikanischen Physiker Kip Thorne und Rainer Weiss, später zusammen mit dem schottischen Physiker Ronald Drever, träumten davon, einen lasergestützten Gravitationswellendetektor zu bauen, und sie setzten die Räder in Bewegung, um diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen.
Nach einigen Jahrzehnten der Forschung und Entwicklung und einer Investition von mehr als 250 Millionen US-Dollar durch die National Science Foundation wurden im Jahr 2002 zwei wissenschaftliche und technologische Wunderwerke, aus denen das LIGO (Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium) besteht, in Livingston, Louisiana, und in den USA eingesetzt Hanford, Washington. Vier Kilometer lange, evakuierte Tunnel in Form eines riesigen Buchstabens „L“ würden einen Laserstrahl aufnehmen, der etwa 50.000 Mal stärker ist als ein Standard-Laserpointer. Das Laserlicht würde zwischen den glattesten Spiegeln der Welt, die sich an den gegenüberliegenden Enden jedes Arms befanden, hin und her springen und nach einer winzigen Fehlpaarung in der Zeit suchen, die jeder braucht, um die Reise abzuschließen.
Die Forscher warteten. Und wartete. Aber nach acht Jahren nichts. Natürlich enttäuschend, aber wie die Forscherteams argumentierten, nicht überraschend. Berechnungen hatten gezeigt, dass LIGO kaum die zur Detektion von Gravitationswellen erforderliche Empfindlichkeitsschwelle erreichte. Im Jahr 2010 wurde LIGO für verschiedene Upgrades im Wert von mehr als 200 Millionen US-Dollar heruntergefahren und im Herbst 2015 wurde ein verbessertes, um ein Vielfaches empfindlicheres LIGO aktiviert. Erstaunlicherweise erschütterte weniger als zwei Tage später ein plötzlicher Schauer den Detektor in Louisiana, und sieben Millisekunden später zuckte der Detektor in Washington fast genauso. Das Muster der zarten Schwingungen stimmte mit den für Gravitationswellen vorhergesagten Computersimulationen überein, die durch die letzten Umlaufphasen von zusammenstoßenden schwarzen Löchern erzeugt würden.
Ein Freund von mir im Innern, der zur Geheimhaltung verpflichtet war, aber bereit war, einen nicht ganz so subtilen Hinweis zu geben, sagte zu mir: „Stellen Sie sich vor, unser wildester Traum ist wahr geworden.“ Aber es war das Schlagen des Gravitationswellen-Jackpots das ließ die Forscher innehalten. Es war fast zu perfekt.
Der LIGO-Apparat ist auf präzise konstruierte und perfekt saubere Spiegel angewiesen. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Nach einigen Monaten intensiver, sorgfältiger Untersuchung aller anderen, jedoch unwahrscheinlichen Erklärungen blieb nur eine Schlussfolgerung übrig. Das Signal war echt. Ein Jahrhundert nachdem Einstein ihre Existenz vorhergesagt hatte, wurde der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen von mehr als 1.000 Wissenschaftlern gefeiert, die am LIGO-Experiment arbeiteten. Sie hatten das momentane Murmeln eines Gravitations-Tsunamis gehört, der vor mehr als einer Milliarde Jahren ausgelöst worden war und den Anschein einer dunklen Verschmelzung irgendwo am tiefen südlichen Himmel hatte.
Die offizielle Pressemitteilung vom 11. Februar in Washington, DC, war elektrisch. An meiner eigenen Institution, der Columbia University, mussten wir den Live-Stream des Verfahrens an einen der größten Veranstaltungsorte auf dem Campus verlegen, und ähnliche Geschichten spielten sich an Universitäten weltweit ab. Für einen kurzen Moment übertrafen Gravitationswellen die Prognosen des Präsidenten.
Die Aufregung war berechtigt. Die Geschichte wird auf diese Entdeckung als einen der wenigen Wendepunkte zurückblicken, die den Lauf der Wissenschaft verändern. Seitdem der erste Mensch in den Himmel blickte, haben wir das Universum mit Lichtwellen erforscht. Das Teleskop hat diese Fähigkeit wesentlich verbessert, und mit ihm begegneten wir der Pracht neuer kosmischer Landschaften. Während des 20. Jahrhunderts haben wir die Arten von Lichtsignalen, die wir erfassen - Infrarot-, Radio-, Ultraviolett-, Gamma- und Röntgenstrahlen -, alle Formen von Licht, jedoch mit Wellenlängen außerhalb des Bereichs, die wir mit bloßem Auge sehen können. Und mit diesen neuen Sonden wurde die kosmische Landschaft noch reicher.
Gravitationswellen sind eine völlig andere Art von kosmischer Sonde mit dem Potenzial, noch dramatischere Folgen zu haben. Licht kann abgeblockt werden. Ein undurchsichtiges Material, wie ein Fensterschatten, kann sichtbares Licht blockieren. Ein Metallkäfig kann Funkwellen blockieren. Die Schwerkraft durchdringt dagegen nahezu unverändert alles.
Und so können wir mit Gravitationswellen als Sonde Bereiche untersuchen, die für das Licht unerreichbar sind, wie das chaotische Durcheinander in der Raumzeit, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren, oder vielleicht das wilde Rumpeln des Urknalls vor 13, 8 Milliarden Jahren. Die Beobachtung hat bereits die Idee bestätigt, dass Schwarze Löcher Binärpaare bilden könnten. Noch verlockender ist, dass wir vielleicht eine dunkle Landschaft vorfinden, die von Dingen bevölkert ist, die wir uns noch gar nicht vorstellen können.
Da ein Netzwerk von Detektoren auf der ganzen Welt - in Italien, Deutschland, bald auch in Japan und wahrscheinlich in Indien - ihre Daten bündelt und in Zukunft hoffentlich durch einen riesigen Detektor im Weltraum ergänzt werden kann, wird unsere Fähigkeit, den Kosmos zu untersuchen, einen weiteren Riesenschritt bedeuten nach vorne. Welches ist äußerst spannend. Es gibt nichts Inspirierenderes als unsere Fähigkeit, inmitten unserer allgegenwärtigen irdischen Kämpfe aufzublicken, uns zu wundern und den Einfallsreichtum und die Hingabe zu haben, ein wenig weiter zu schauen.
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