Zum dritten Mal in anderthalb Jahren hat das Advanced Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium Gravitationswellen detektiert. Vor einem Jahrhundert von Einstein vermutet, erfüllt die Identifizierung dieser Wellen in der Raum-Zeit - zum dritten Mal, nicht minder - das Versprechen eines Gebiets der Astronomie, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten verleitet, aber immer einfach zu lügen schien unsere Reichweite.
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Als Gravitationswellen-Astrophysiker und Mitglied der LIGO Scientific Collaboration bin ich natürlich begeistert, dass die Vision von so vielen von uns Wirklichkeit wird. Aber ich bin es gewohnt, meine eigene Arbeit interessanter und aufregender zu finden als andere, und so war es eine Überraschung, inwieweit die ganze Welt von dieser Leistung fasziniert zu sein scheint.
Die Aufregung ist jedoch verdient. Durch die erstmalige Erfassung dieser Gravitationswellen haben wir nicht nur eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie auf überzeugende und spektakuläre Weise bestätigt, sondern auch ein völlig neues Fenster geöffnet, das unser Verständnis des Kosmos revolutionieren wird .
Bereits diese Entdeckungen haben unser Verständnis des Universums beeinflusst. Und LIGO fängt gerade erst an.
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Diese neue Art, das Universum zu verstehen, beruht im Kern auf unserer neu entdeckten Fähigkeit, seinen Soundtrack zu hören. Gravitationswellen sind eigentlich keine Schallwellen, aber die Analogie ist passend. Beide Arten von Wellen transportieren Informationen auf ähnliche Weise, und beide sind völlig unabhängige Phänomene vom Licht.
Gravitationswellen sind Wellen in der Raum-Zeit, die sich von heftigen und energetischen Prozessen im Raum nach außen ausbreiten. Sie können von Objekten erzeugt werden, die nicht scheinen, und sie können durch Staub, Materie oder irgendetwas anderes wandern, ohne absorbiert oder verzerrt zu werden. Sie enthalten einzigartige Informationen über ihre Quellen, die uns in einem unberührten Zustand erreichen und uns einen wahren Sinn für die Quelle geben, der auf keine andere Weise erhalten werden kann.
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt uns unter anderem, dass einige Sterne so dicht werden können, dass sie sich vom Rest des Universums abgrenzen. Diese außergewöhnlichen Objekte werden Schwarze Löcher genannt. Die allgemeine Relativitätstheorie sagte auch voraus, dass Paare von Schwarzen Löchern, die in einem binären System eng umeinander kreisen, die Raum-Zeit-Struktur des Kosmos aufrühren. Es ist diese Störung der Raum-Zeit, die Energie in Form von Gravitationswellen durch das Universum sendet.
Dieser Energieverlust führt dazu, dass sich der Binärwert weiter verschärft, bis schließlich die beiden Schwarzen Löcher zusammenbrechen und ein einziges Schwarzes Loch bilden. Diese spektakuläre Kollision erzeugt in Gravitationswellen mehr Kraft, als von allen Sternen des Universums zusammen als Licht abgestrahlt wird. Diese katastrophalen Ereignisse dauern nur einige zehn Millisekunden, aber in dieser Zeit sind sie die stärksten Phänomene seit dem Urknall.
Diese Wellen enthalten Informationen über die Schwarzen Löcher, die auf keine andere Weise gewonnen werden können, da Teleskope keine Objekte sehen können, die kein Licht aussenden. Für jedes Ereignis können wir die Massen der Schwarzen Löcher, ihre Rotations- oder „Rotationsgeschwindigkeit“ und Details zu ihren Positionen und Ausrichtungen mit unterschiedlicher Sicherheit messen. Mit diesen Informationen können wir lernen, wie diese Objekte im Laufe der kosmischen Zeit geformt und weiterentwickelt wurden.
Während wir zuvor starke Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern hatten, die auf der Wirkung ihrer Schwerkraft auf umgebende Sterne und Gase beruhen, sind die detaillierten Informationen von Gravitationswellen von unschätzbarem Wert, um die Ursprünge dieser spektakulären Ereignisse kennenzulernen.
Luftaufnahme des LIGO-Gravitationswellendetektors in Livingston, Louisiana. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
Um diese unglaublich leisen Signale zu erkennen, konstruierten die Forscher zwei LIGO-Instrumente, eines in Hanford, Washington, und das andere 3000 Meilen entfernt in Livingston, Louisiana. Sie sollen den einzigartigen Effekt nutzen, den Gravitationswellen auf alles haben, was ihnen begegnet. Wenn Gravitationswellen vorbeiziehen, verändern sie den Abstand zwischen Objekten. Momentan durchströmen Sie Gravitationswellen, die Ihren Kopf, Ihre Füße und alles dazwischen zwingen, sich auf vorhersehbare, aber nicht wahrnehmbare Weise hin und her zu bewegen.
Sie können diesen Effekt nicht spüren oder sogar mit einem Mikroskop sehen, weil die Veränderung so unglaublich klein ist. Die Gravitationswellen, die wir mit LIGO erfassen können, verändern den Abstand zwischen den Enden der 4 Kilometer langen Detektoren um nur 10⁻¹⁸ Meter. Wie klein ist das Tausendmal kleiner als ein Proton - deshalb können wir es auch mit einem Mikroskop nicht erwarten.
LIGO-Wissenschaftler arbeiten an seiner Optikaufhängung. (LIGO-Labor, CC BY-ND) Um eine solche winzige Entfernung zu messen, verwendet LIGO eine Technik namens „Interferometrie“. Die Forscher teilen das Licht eines einzelnen Lasers in zwei Teile auf. Jedes Teil fährt dann einen von zwei senkrechten Armen herunter, die jeweils 4 km lang sind. Schließlich verbinden sich die beiden wieder und dürfen sich gegenseitig stören. Das Instrument ist sorgfältig kalibriert, so dass bei Abwesenheit einer Gravitationswelle die Interferenz des Lasers zu einer nahezu perfekten Auslöschung führt - kein Licht kommt aus dem Interferometer.
Eine vorbeiziehende Gravitationswelle streckt jedoch einen Arm gleichzeitig, während sie den anderen Arm zusammendrückt. Wenn sich die relativen Längen der Arme ändern, ist die Interferenz des Laserlichts nicht mehr perfekt. Es ist diese winzige Änderung der Interferenzmenge, die Advanced LIGO tatsächlich misst, und diese Messung sagt uns, wie detailliert die vorbeiziehende Gravitationswelle sein muss.
Hör mal zu
Der Klang zweier kollidierender Schwarzer Löcher:Alle Gravitationswellen haben die Form eines "Chirps", wobei sowohl die Amplitude (ähnlich der Lautstärke) als auch die Frequenz oder Tonhöhe der Signale mit der Zeit zunehmen. Die Eigenschaften der Quelle sind jedoch in den genauen Details dieses Zwitscherns und in der Art und Weise, wie es sich mit der Zeit entwickelt, kodiert.
Die Form der Gravitationswellen, die wir beobachten, kann uns wiederum Details über die Quelle mitteilen, die auf keine andere Weise gemessen werden konnten. Bei den ersten drei sicheren Entdeckungen durch Advanced LIGO haben wir bereits festgestellt, dass Schwarze Löcher häufiger vorkommen als erwartet, und dass die am häufigsten vorkommende Sorte, die sich direkt aus dem Zusammenbruch massereicher Sterne ergibt, massereicher sein kann als wir zuvor dachte war möglich. All diese Informationen helfen uns zu verstehen, wie sich massive Sterne entwickeln und sterben.
Die drei bestätigten Entdeckungen durch LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) und eine Entdeckung mit niedrigerem Konfidenzniveau (LVT151012) deuten auf eine Population von binären Schwarzen Löchern mit Sternenmasse hin, die nach dem Zusammenschluss größer als 20 Sonnenmassen sind - größer als was war vorher bekannt. (LIGO / Caltech / Sonoma State, CC BY-ND) **********
Dieses jüngste Ereignis, das wir am 4. Januar 2017 entdeckt haben, ist die am weitesten entfernte Quelle, die wir bisher beobachtet haben. Da sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, schauen wir bei sehr weit entfernten Objekten auch in die Zeit zurück. Dieses jüngste Ereignis ist auch die älteste Gravitationswellenquelle, die wir vor über zwei Milliarden Jahren entdeckt haben. Damals war das Universum selbst 20 Prozent kleiner als heute, und vielzelliges Leben war auf der Erde noch nicht entstanden.
Die Masse des letzten Schwarzen Lochs, das nach dieser letzten Kollision zurückbleibt, ist das 50-fache der Masse unserer Sonne. Vor dem ersten festgestellten Ereignis, das das 60-fache der Sonnenmasse wog, glaubten die Astronomen nicht, dass sich so massive Schwarze Löcher auf diese Weise bilden könnten. Während das zweite Ereignis nur 20 Sonnenmassen umfasste, deutet die Erkennung dieses zusätzlichen sehr massiven Ereignisses darauf hin, dass solche Systeme nicht nur existieren, sondern auch relativ häufig sind.
Zusätzlich zu ihrer Masse können sich auch schwarze Löcher drehen, und ihre Spins beeinflussen die Form ihrer Gravitationswellenemission. Die Auswirkungen von Spin sind schwieriger zu messen, aber dieses jüngste Ereignis zeigt Beweise nicht nur für Spin, sondern möglicherweise auch für Spin, der nicht auf derselben Achse wie die Umlaufbahn des Binärsystems ausgerichtet ist. Wenn der Grund für eine solche Fehlausrichtung durch Beobachtung zukünftiger Ereignisse gestärkt werden kann, hat dies erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis der Bildung dieser Schwarzlochpaare.
In den kommenden Jahren werden wir mehr Instrumente wie LIGO haben, die auf Gravitationswellen in Italien, Japan und Indien lauschen und noch mehr über diese Quellen lernen. Meine Kollegen und ich warten immer noch gespannt auf die erste Entdeckung eines Doppelsterns, der mindestens einen Neutronenstern enthält - eine Art dichten Sterns, der nicht massiv genug war, um bis zu einem Schwarzen Loch zusammenzubrechen.
Die meisten Astronomen sagten voraus, dass Paare von Neutronensternen vor Paaren von Schwarzen Löchern beobachtet werden würden, so dass ihre fortgesetzte Abwesenheit eine Herausforderung für Theoretiker darstellen würde. Ihre spätere Entdeckung wird eine Vielzahl neuer Entdeckungsmöglichkeiten eröffnen, darunter die Aussicht auf ein besseres Verständnis extrem dichter Materiezustände und die Beobachtung einer einzigartigen Lichtsignatur unter Verwendung herkömmlicher Teleskope aus derselben Quelle wie das Gravitationswellensignal.
Wir erwarten auch, dass wir Gravitationswellen in den nächsten Jahren mit Hilfe von sehr präzisen natürlichen Uhren, sogenannten Pulsaren, aus dem Weltraum erfassen können, die in sehr regelmäßigen Abständen Strahlen aussenden. Schließlich planen wir, extrem große Interferometer in die Umlaufbahn zu bringen, um dem anhaltenden Rumpeln der Erde zu entgehen, das eine begrenzende Rauschquelle für die Advanced LIGO-Detektoren darstellt.
Fast jedes Mal, wenn Wissenschaftler neue Teleskope oder Teilchenbeschleuniger gebaut haben, haben sie Dinge entdeckt, die niemand hätte vorhersagen können. So aufregend die bekannten Entdeckungsmöglichkeiten in diesem neuen Gebiet der Gravitationswellenastrophysik sind, so aufregend finde ich als Theoretiker die unbekannten Wunder, die uns noch bevorstehen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Sean McWilliams, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie, West Virginia University
