Erst vor wenigen Wochen gaben Astronomen vom Caltech ihren dritten Nachweis von Gravitationswellen vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bekannt.
Wie bei den beiden vorherigen Entdeckungen haben Astronomen festgestellt, dass die Wellen erzeugt wurden, als zwei Schwarze Löcher mittlerer Masse ineinander prallten und Wellen der verzerrten Raumzeit aussendeten.
Ein Schwarzes Loch hatte die 31,2-fache Sonnenmasse, das andere 19,4 Sonnenmassen. Die beiden drehten sich spiralförmig nach innen, bis sie zu einem einzigen Schwarzen Loch mit 48,7 Sonnenmassen verschmolzen. Und wenn Sie es rechnen, wurde beim Verschmelzen der Schwarzen Löcher die doppelte Masse der Sonne in Gravitationswellen umgewandelt.
Am 4. Januar 2017 entdeckte LIGO, dass zwei Schwarze Löcher zu einem verschmolzen. Mit freundlicher Genehmigung von Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Diese Gravitationswellen wanderten von der kolossalen Kollision mit Lichtgeschwindigkeit nach außen und dehnen und komprimieren die Raumzeit wie eine Tsunamiwelle, die den Ozean überquert, bis sie die etwa 2,9 Milliarden Lichtjahre entfernte Erde erreichten.
Die Wellen fegten an jeder der beiden LIGO-Einrichtungen vorbei, die sich in verschiedenen Teilen der Vereinigten Staaten befinden, und erstreckten sich über die Länge sorgfältig kalibrierter Lasermessungen. Und daraus konnten die Forscher Richtung, Entfernung und Stärke der ursprünglichen Verschmelzung erkennen.
Im Ernst, wenn dies nicht eines der coolsten Dinge ist, die Sie je gehört haben, bin ich eindeutig leicht beeindruckt.
Jetzt, da die dritte Entdeckung gemacht wurde, kann man mit Sicherheit sagen, dass wir ein brandneues Gebiet der Gravitationsastronomie betreten. In den kommenden Jahrzehnten werden Astronomen Gravitationswellen nutzen, um in Regionen zu blicken, die sie vorher nie sehen konnten.
In der Lage zu sein, Gravitationswellen wahrzunehmen, ist, als würde man einen ganz neuen Sinn bekommen. Es ist, als hätte man Augen und dann plötzlich die Fähigkeit, Geräusche wahrzunehmen.
Es wird Jahrzehnte dauern, diese ganz neue Wissenschaft freizuschalten, und wir fangen gerade erst an.
Wie Einstein vorhersagte, erzeugt jede Masse, die sich durch den Raum bewegt, Wellen in der Raumzeit. Wenn Sie einfach nur herumlaufen, erzeugen Sie tatsächlich winzige Wellen. Wenn Sie diese Wellen erkennen können, können Sie rückwärts arbeiten, um herauszufinden, welche Masse die Wellen verursacht haben, in welche Richtung sie sich bewegt haben usw.
Auch an Orten, die man sonst nicht sehen konnte. Lassen Sie mich Ihnen ein paar Beispiele geben.
Schwarze Löcher sind offensichtlich die tief hängenden Früchte. Wenn sie nicht aktiv fressen, sind sie völlig unsichtbar, nur erkennbar daran, wie sie Objekte durch die Gravitation anziehen oder das Licht von hinter ihnen vorbeiziehenden Objekten biegen.
Aber in Gravitationswellen gesehen, sind sie wie Schiffe, die sich über den Ozean bewegen und Wellen der verzerrten Raumzeit hinter sich lassen.
Mit unseren derzeitigen Fähigkeiten durch LIGO können Astronomen nur die massereichsten Objekte erkennen, die sich mit einem erheblichen Teil der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Eine normale Verschmelzung von Schwarzen Löchern reicht nicht aus – es gibt nicht genug Masse. Selbst eine supermassive Verschmelzung schwarzer Löcher ist noch nicht nachweisbar, da diese Verschmelzungen zu langsam zu erfolgen scheinen.
LIGO hat die Zahl der Schwarzen Löcher mit bekannter Masse bereits deutlich erhöht. Das Observatorium hat definitiv zwei Verschmelzungen von Schwarzen Löchern entdeckt (hellblau). Für jedes Ereignis ermittelte LIGO die einzelnen Massen der Schwarzen Löcher vor ihrer Verschmelzung sowie die Masse des durch die Verschmelzung entstandenen Schwarzen Lochs. Die gepunkteten schwarzen Löcher stellen ein LIGO-Kandidatenereignis dar, das zu schwach war, um schlüssig als Nachweis zu gelten. Bildnachweis: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)
Aus diesem Grund handelte es sich bei allen bisherigen Entdeckungen um Schwarze Löcher mittlerer Masse mit der Dutzendfachen Masse unserer Sonne. Und wir können sie nur in dem Moment erkennen, in dem sie miteinander verschmelzen, wenn sie die intensivsten Gravitationswellen erzeugen.
Wenn wir die Empfindlichkeit unserer Gravitationswellendetektoren erhöhen können, sollten wir in der Lage sein, Verschmelzungen von immer weniger massereichen Schwarzen Löchern zu erkennen.
Aber die Verschmelzung ist nicht das einzige, was sie tun. Schwarze Löcher entstehen, wenn Sterne mit der viel höheren Masse unserer Sonne in sich zusammenbrechen und als Supernovae explodieren. Einige Sterne, wie wir jetzt erfahren haben, implodieren einfach als Schwarze Löcher und erzeugen nie die Supernovae, sodass dieser Prozess vor uns völlig verborgen abläuft.
Gibt es eine Singularität im Zentrum eines Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs, oder gibt es dort etwas, eine Art Objekt, das kleiner als ein Neutronenstern, aber größer als ein unendlich kleiner Punkt ist? Wenn Schwarze Löcher verschmelzen, können wir mit Gravitationswellen über den Ereignishorizont hinausblicken und die unsichtbare Region darin kartieren, um ein Gefühl dafür zu bekommen, was dort unten vor sich geht.
Diese Abbildung zeigt die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher und die Gravitationswellen, die sich nach außen kräuseln, wenn sich die Schwarzen Löcher spiralförmig aufeinander zu bewegen. In Wirklichkeit würde der Bereich in der Nähe der Schwarzen Löcher stark verzerrt erscheinen und die Gravitationswellen wären schwer direkt zu sehen. Bildnachweis: LIGO/T. Pyle
Wir wollen noch weniger massereiche Objekte wie Neutronensterne wissen, die auch aus einer Supernova-Explosion entstehen können. Diese Neutronensterne können einander umkreisen und verschmelzen, wodurch einige der stärksten Explosionen im Universum entstehen: Gammastrahlenausbrüche. Aber haben Neutronensterne Oberflächenmerkmale? Unterschiedliche Dichten? Könnten wir in den letzten Momenten vor einer Verschmelzung ein Wobbeln in den Gravitationswellen feststellen?
Und nicht alles muss verschmelzen. Empfindliche Gravitationswellendetektoren könnten binäre Objekte mit einem großen Ungleichgewicht erkennen, wie ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern, der einen Hauptreihenstern umkreist. Wir könnten zukünftige Verschmelzungen anhand ihrer Gravitationswellen erkennen.
Sind Gravitationswellen eine vorübergehende Verzerrung der Raumzeit oder hinterlassen sie eine Art bleibende Delle im Universum, die wir zurückverfolgen könnten? Werden wir Echos der Schwerkraft von Gravitationswellen sehen, die sich durch das Gewebe des Kosmos reflektieren und brechen?
Die vielleicht größte Herausforderung wird darin bestehen, Gravitationswellen zu verwenden, um über die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung hinaus zu sehen. Diese Region zeigt uns das Universum 380.000 Jahre nach dem Urknall, als alles kühl genug war, damit sich das Licht frei durch das Universum bewegen konnte.
Aber vor diesem Moment war dort Masse. Bewegte, verschmelzende Masse, die Gravitationswellen erzeugt hätte. Wie wir in einem früheren Artikel erklärt haben, arbeiten Astronomen daran, finde den Abdruck dieser Gravitationswellen auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund , wie ein Echo oder ein Schatten. Vielleicht gibt es da draußen eine tiefere kosmische Gravitationshintergrundstrahlung, die uns bis an den Anfang der Zeit, nur wenige Augenblicke nach dem Urknall, sehen lässt.
Und wie immer wird es Überraschungen geben. Die Entdeckungen auf diesem neuen Gebiet, die niemand je kommen sah. Die „das ist lustig“-Momente, die Forscher in ganz neue Entdeckungsgebiete und neue Einblicke in die Funktionsweise des Universums entführen.
Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston, Louisiana. Die andere Einrichtung befindet sich in Hanford, Washington. Bild: LIGO
Das LIGO-Projekt wurde bereits 1994 begonnen und die erste Iteration lief von 2002 bis 2012 ohne eine einzige Gravitationswellendetektion. Es war klar, dass die Anlage nicht empfindlich genug war, also gingen die Forscher zurück und nahmen massive Verbesserungen vor.
2008 begannen sie mit der Verbesserung der Anlage, und 2015 ging Advanced LIGO mit viel mehr Sensibilität online. Mit den erweiterten Fähigkeiten machte Advanced LIGO 2016 seine erste Entdeckung, und jetzt sind zwei weitere Entdeckungen hinzugekommen.
LIGO kann derzeit nur die allgemeine Hemisphäre des Himmels erfassen, in der eine Gravitationswelle emittiert wurde. Die nächste Verbesserung von LIGO wird daher darin bestehen, eine weitere Einrichtung in Indien namens INDIGO hinzuzufügen. Zusätzlich zur Verbesserung der Empfindlichkeit von LIGO wird dies den Astronomen drei Beobachtungen jedes Ereignisses ermöglichen, um den Ursprung der Gravitationswellen präzise zu erkennen. Dann könnten visuelle Astronomen Folgebeobachtungen durchführen, um das Ereignis auf alles in anderen Wellenlängen abzubilden.
Zu den aktuellen Betriebsstätten im globalen Netzwerk gehören die beiden LIGO-Detektoren – in Hanford, Washington und Livingston, Louisiana – und GEO600 in Deutschland. Der Virgo-Detektor in Italien und der Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) in Japan werden derzeit aufgerüstet und sollen 2016 bzw. 2018 in Betrieb gehen. In Indien ist ein sechstes Observatorium in Planung. Mehr Gravitationswellen-Observatorien auf der ganzen Welt zu haben, hilft Wissenschaftlern, die Orte und Quellen von Gravitationswellen aus dem Weltraum zu bestimmen. Bild im Februar 2016. Bildnachweis: Caltech/MIT/LIGO Lab
Ein europäisches Experiment namens Virgo ist ebenfalls seit einigen Jahren in Betrieb und hat sich bereit erklärt, mit dem LIGO-Team zusammenzuarbeiten, falls irgendwelche Entdeckungen gemacht werden. Bisher hat das Virgo-Experiment noch nichts gefunden, aber es wird mit der 10-fachen Empfindlichkeit aufgerüstet, die bis 2018 voll funktionsfähig sein soll.
Ein japanisches Experiment namens Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) wird 2018 ebenfalls online gehen und zu den Beobachtungen beitragen können. Es sollte in der Lage sein, Verschmelzungen von binären Neutronensternen in einer Entfernung von fast einer Milliarde Lichtjahren zu erkennen.
Allein mit der visuellen Astronomie ist eine Reihe von Supergravitationswellen-Teleskopen der nächsten Generation in Arbeit, die in den nächsten Jahrzehnten ans Netz gehen sollen.
Die Europäer bauen das Einstein-Teleskop, das 10 km lange Detektionsarme haben wird, verglichen mit 4 km für LIGO. Das sind noch 6 km.
Da ist die weltraumgestützte Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA) der Europäischen Weltraumorganisation, die 2030 starten könnte. Diese wird aus einer Flotte von 3 Raumfahrzeugen bestehen, die einen genauen Abstand von 2,5 Millionen km voneinander einhalten. Vergleichen Sie dies mit den erdbasierten Erkennungsentfernungen, und Sie können sehen, warum die Zukunft der Beobachtungen aus dem Weltraum kommt.
Die Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA) besteht aus drei Raumfahrzeugen, die die Sonne in einer dreieckigen Konfiguration umkreisen. Bildnachweis: NASA
Und diese letzte Idee, die bis an den Anfang der Zeit zurückblickt, könnte bei der Big Bang Observer-Mission eine Möglichkeit sein, bei der eine Flotte von 12 Raumfahrzeugen in Formation fliegen wird. Dies alles befindet sich noch in der Angebotsphase, daher gibt es kein konkretes Datum dafür, ob oder wann sie tatsächlich fliegen werden.
Die Gravitationswellenastronomie ist eines der spannendsten Gebiete der Astronomie. Dieser völlig neue Sinn treibt unser Verständnis des Kosmos in völlig neue Richtungen und ermöglicht es uns, Regionen zu sehen, von denen wir uns vorher nicht einmal vorstellen konnten, sie zu erkunden. Ich kann es kaum erwarten zu sehen, was als nächstes passiert.
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