Es ist offiziell: An diesem Donnerstag, 11. Februar, um 10:30 Uhr EST finden parallel Pressekonferenzen statt im National Press Club in Washington, D.C. , in Hannover, Deutschland , und in der Nähe von Pisa in Italien . Nicht offiziell bestätigt, aber sehr wahrscheinlich ist, dass Betreiber der LIGO-Gravitationswellen-Detektoren den ersten direkten Nachweis einer Gravitationswelle verkünden werden. Der erste direkte Nachweis winziger Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, wurde vor fast genau 100 Jahren erstmals von Albert Einstein postuliert. Zeit des Nobelpreises.
Zeit, Ihre Gravitationswellen-Grundlagen aufzufrischen, falls Sie dies noch nicht getan haben! In Gravitationswellen und wie sie den Raum verzerren , ich habe mir angeschaut, welche Gravitationswellentun. Nun zum nächsten Schritt: Wie können wirmessenwas sie machen? Wie funktionieren Gravitationswellendetektoren wie LIGO?
Denken Sie daran, dass eine Gravitationswelle auf diese Weise die Abstände zwischen Partikeln ändert und frei in einer kreisförmigen Formation im leeren Raum schwebt:
Die Welle bewegt sich im rechten Winkel zum Bildschirm auf Sie zu. Ich habe die Abstandsänderungen stark übertrieben. Für eine realistische Welle würde sich selbst der riesige Abstand zwischen Erde und Sonne nur um einen Bruchteil des Durchmessers eines Wasserstoffatoms ändern. Tatsächlich winzige Veränderungen.
Wie erkennt man so etwas?
Die ersten erfolglosen Versuche, Gravitationswellen in den 1960er Jahren nachzuweisen, versuchten zu messen, wie sie Aluminiumzylinder wie eine sehr weiche Glocke klingeln lassen. (Tragische Geschichte; Joe Weber [1919-2000], der bahnbrechende Physiker dahinter, warsicherer hatte auf diese Weise Gravitationswellen entdeckt; nach gründlicher Analyse und Replikationsversuchen stellte sich in der Community ein Konsens heraus, dass er es nicht getan hatte.)
Danach entwickelten Physiker ein alternatives Schema. Stellen Sie sich vor, Sie ersetzen den schwarzen Punkt in der Mitte der vorherigen Animation durch einen Detektor und das ganz rechte rote Teilchen durch eine Laserlichtquelle. Nun schickt man Lichtimpulse (hier durch schnelle rote Punkte dargestellt) von der Lichtquelle zum Detektor; Schauen wir uns das zunächst mit ausgeschalteter Gravitationswelle an:
Jedes Mal, wenn ein Lichtimpuls den Melder erreicht, blinkt eine Kontrollleuchte gelb. Die Impulse werden regelmäßig ausgesendet, sie laufen alle mit der gleichen Geschwindigkeit, erreichen also auch in regelmäßigen Abständen den Detektor.
Durchquert eine Gravitationswelle dieses System wieder von hinten und kommt auf Sie zu, so ändern sich die Entfernungen. Lassen Sie uns unsere Kamera auf den Detektor gerichtet halten, damit der Detektor dort bleibt, wo er ist. Der sich ändernde Abstand zur Lichtquelle und auch die sich ändernden Abstände zwischen den Lichtpulsen und einige der Abstandsänderungen zwischen Lichtpulsen und Detektor oder Quelle sind auf die Gravitationswelle zurückzuführen. So würde das aussehen (wiederum stark übertrieben):
Behalten Sie das Blinklicht im Auge und Sie werden sehen, dass es nicht mehr so regelmäßig blinkt. Manchmal blinkt das Licht schneller, manchmal langsamer. Dies ist ein Effekt der Gravitationswelle. Ein Effekt, durch denwir können hoffen, zu entdeckent die Gravitationswelle.
„Wir“ sind in diesem Fall die Radioastronomen, die an sogenannten Pulsar-Timing-Arrays . Der Sender regelmäßiger Pulse sind Pulsare, rotierende Neutronensterne, die wie ein kosmischer Leuchtturm einen Funkstrahl über unsere Antennen streichen. Die Detektoren sind Radioteleskope hier auf der Erde. Die Erkennung ist alles andere als einfach. Mit einem einzelnen Pulsar müssten Sie die Ankunftszeiten der Pulse mit einer Genauigkeit von wenigen Milliardstel Sekunden über ein halbes Jahr hinweg verfolgen und sicherstellen, dass Sie nicht von verschiedenen anderen Quellen von Timing-Variationen getäuscht werden. Bisher wurden auf diese Weise noch keine Gravitationswellen nachgewiesen, obwohl die Radioastronomen daran festhalten.
Um zu sehen, wie Gravitationswellendetektoren wie LIGO funktionieren, müssen wir die Dinge etwas komplexer machen.
Interferometrische Gravitationswellendetektoren: der Aufbau
Hier der Grundaufbau: Zwei Spiegel, ein Empfänger (oder „Lichtdetektor“), eine Lichtquelle und ein sogenannter Strahlteiler:
Von der (Laser-)Lichtquelle LS gelangt Licht in den Detektor zum Strahlteiler B, der seinem Namen entsprechend die Hälfte des Lichts auf den Spiegel M1 schickt und die andere Hälfte zum Spiegel M2 durchlässt. Bei M1 bzw. M2 wird das Licht zum Strahlteiler zurückreflektiert. Dort wird das von M1 (bzw. M2) ankommende Licht wieder aufgespalten, wobei die eine Hälfte zum Lichtdetektor LD geht, die andere Hälfte zurück in Richtung der Lichtquelle LS. Wir werden die letzte Hälfte ignorieren und aus Gründen unserer vereinfachten Erklärung so tun, als ob das gesamte Licht, das B von M1 oder M2 erreicht, zum Lichtdetektor LD gelangt.
(Um Verwirrung zu vermeiden, werde ich LD immer als „Lichtdetektor“ bezeichnen und das unqualifizierte Wort „Detektor“ für die gesamte Einrichtung verwenden.)
Dieser Aufbau wird übrigens Michelson-Interferometer genannt. Wir werden unten sehen, warum es ein guter Aufbau für Gravitationswellendetektoren ist.
Im Folgenden gehen wir davon aus, dass die Spiegel und der Strahlteiler, schwebend dargestellt, auf die Gravitationswelle genauso reagieren wie frei schwebende Teilchen. Die Haupteffekte liegen zwischen den Spiegeln und dem Strahlteiler in den sogenannten zwei Armen des Detektors. Die Armlänge ist bei den heutigen Detektoren enorm und reicht bis zu einigen Kilometern. Im Vergleich dazu befinden sich Lichtquelle und Lichtdetektor sehr nahe am Strahlteiler; Änderungen der Abstände zwischen diesen drei bedeuten nichts.
Lichtpulse in einem Gravitationswellendetektor
Sehen wir uns als nächstes an, wie Lichtimpulse durch diesen Detektor laufen. Hier ist das gleiche Setup von oben gesehen:
Lichtquelle LS, die beiden Spiegel M1 und M2, der Strahlteiler B und der Lichtdetektor LD: alle vorhanden und berücksichtigt.
Als nächstes lassen wir die Lichtquelle Lichtimpulse emittieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werde ich zwei künstliche und unrealistische Änderungen vornehmen. Ich schicke rote und grüne Impulse in den Detektor, die das Licht darstellen, das in den horizontalen bzw. vertikalen Arm geht. In Wirklichkeit gibt es keine Unterscheidung, sondern nur Licht, das am Strahlteiler verteilt wird. Licht, das auf M1 zuläuft, wird etwas nach links versetzt, Licht, das von M1 zurückkommt, nach rechts, um die Klarheit zu verbessern. Gleiches gilt für M2. Auch dies ist bei einem realen Detektor anders. Das heißt, hier kommen die Lichtimpulse:
Licht beginnt an der Lichtquelle links. Licht, das die Quelle gemeinsam verlassen hat, wandert zusammen (also liegen grüne und rote Pulse nebeneinander) bis zum Strahlteiler. Der Strahlteiler schickt dann die grünen Pulse nach oben und lässt die roten Pulse auf dem Weg zum rechten Spiegel passieren. Alle Teilchen, die nach Reflexion an M1 oder M2 wieder am Strahlteiler ankommen. Am Strahlteiler werden sie auf den unteren Lichtdetektor gerichtet.
In diesem Setup ist der horizontale Arm etwas länger als der vertikale Arm. Rote Partikel müssen eine zusätzliche Strecke zurücklegen. Deshalb kommen sie etwas später am Detektor an und wir bekommen einen wechselnden Rhythmus: grün, rot, grün, rot, mit gleichen Abständen dazwischen. Dies wird später wichtig.
Hier ein Diagramm, eine Art Registrierungsstreifen, der die Ankunftszeiten für rote und grüne Pulse am Lichtdetektor anzeigt (Zeit wird in „Animation Frames“ gemessen):
Das Muster ist klar: Rote und grüne Pulse treffen gleichmäßig hintereinander ein.
Her mit der Gravitationswelle!
Als nächstes schalten wir unsere Standard-Gravitationswelle ein (übertrieben, durch den Bildschirm auf Sie zulaufend usw.). Hier ist das Ergebnis:
Wir haben unsere Kamera auf den Strahlteiler gerichtet (der Strahlteiler bewegt sich also in unserem Bild nicht). Geringfügige Abstandsänderungen zwischen Strahlteiler und Lichtquelle/Lichtdetektor ignorieren wir. Stattdessen konzentrieren wir uns auf die Spiegel M1 und M2, die ihren Abstand zum Strahlteiler ändern, wie wir es von den früheren Animationen erwarten würden.
Schauen Sie sich an, wie die Impulse bei unserem Lichtdetektor ankommen: Mal liegen Rot und Grün fast gleichmäßig, mal dicht beieinander. Das wird durch die Gravitationswelle verursacht. Ohne die Welle hatten wir eine strenge Regelmäßigkeit.
Hier ist das entsprechende Diagramm „Registrierungsstreifen“. Sie können sehen, dass die Lichtimpulse jeder Farbe manchmal näher beieinander liegen, manchmal weiter auseinander:
Zu der Zeit, die ich mit einem handgezeichneten Pfeil markiert habe, treffen rote und grüne Impulse fast gleichzeitig ein!
Das Muster unterscheidet sich deutlich vom Szenario ohne Gravitationswelle. Erkennen Sie diese Änderung im Muster, und Sie haben die Gravitationswelle erkannt.
Laufstörungen
Wenn Sie sich gefragt haben, warum Detektoren wie LIGO heißeninterferometrischGravitationswellen-Detektoren müssen wir noch ein bisschen mehr über Wellen nachdenken. Wenn nicht, lassen Sie mich nur sagen, dass Detektoren wie LIGO die Welleneigenschaften des Lichts verwenden, um die Änderungen der Pulsankunftsrate zu messen, die Sie in der letzten Animation gesehen haben. Um die Details zu überspringen, können Sie gerne zum letzten Abschnitt springen. „… und jetzt zu etwas Tausendmal Komplizierterem.“
Licht ist eine Welle, deren Höhen und Tiefen den Maxima und Minima des elektrischen und des magnetischen Feldes entsprechen. Die Animationen, die ich gezeigt habe, verfolgen zwar die Ausbreitung von Lichtimpulsen, können aber auch verwendet werden, um zu verstehen, was mit einer Lichtwelle im Interferometer passiert. Nehmen Sie einfach an, dass jeder der sich bewegenden roten und grünen Punkte im Detektor die Position eines Wellenbergs markiert.
Partikel addieren sich einfach. Nehmen Sie 2 Partikel und fügen Sie 2 Partikel hinzu, und Sie erhalten 4 Partikel. Aber wenn Sie Wellen addieren (kombinieren, überlagern), kommt es darauf an. Manchmal ist eine Welle plus eine andere Welle tatsächlich eine größere Welle. Manchmal ist es eine kleinere Welle oder gar keine Welle. Und manchmal ist es kompliziert.
Wenn zwei Wellen perfekt synchron sind, die Wellenberge der einen mit den Wellenbergen der anderen ausgerichtet sind und auch die Wellentäler ausgerichtet sind, erhalten Sie tatsächlich eine größere Welle. Das folgende Diagramm zeigt, zu welchen Zeitpunkten die unterschiedlichen Anteile zweier Lichtwellen am Lichtdetektor ankommen und wie sie sich addieren. (Ich habe auf jeden Kamm einen Punkt gesetzt; das sollten die Punkte schließlich bedeuten.)
Oben die grüne Welle, perfekt ausgerichtet auf die rote Welle (die der Übersichtlichkeit halber direkt unter der grünen Welle angezeigt wird). Addieren Sie die beiden Wellen zusammen und Sie erhalten die (deutlich stärkere) blaue Welle im unteren Bereich.
Nicht so, wenn die beiden Wellen maximal fehlausgerichtet sind, die Wellenberge einer jeden mit den Tälern der anderen ausgerichtet sind. Ein Kamm und ein Tal heben sich gegenseitig auf. Die Summe einer Welle und einer maximal fehlausgerichteten Welle gleicher Stärke ist: gar keine Welle. Hier das entsprechende Diagramm:
Denken Sie daran, dass dies genau der Aufbau für unseren Gravitationswellendetektor warin Abwesenheit von Gravitationswellen: Rote und grüne Impulse mit gleichem Abstand; Wellentäler der einen Welle perfekt auf die Wellenberge der anderen ausgerichtet. Das Ergebnis: Kein Licht am Lichtdetektor. (Für realistische Gravitationswellendetektoren, das heißtschon fastwahr.)
Wenn eine Gravitationswelle den Detektor passiert, ändert sich die Situation. Hier ist das entsprechende Muster der Ankunftszeiten von Puls-/Wellenbergen für die obige Animation:
Das blaue Muster, das die Summe von Rot und Grün ist, ist komplex. Aber es ist keine flache Linie. Am Lichtdetektor ist Licht, wo vorher kein Licht war, und die Ursache für die Veränderung ist die hindurchtretende Gravitationswelle.
Alles in allem ist dies eine (stark vereinfachte) Version der Funktionsweise von Gravitationswellendetektoren wie LIGO. Was auch immer die Wissenschaftler an diesem Donnerstag berichten werden, es basiert auf Lichtsignalen am Ausgang eines solchen interferometrischen Detektors.
Und nun zu etwas tausendmal Komplizierterem
Echte Gravitationswellendetektoren sind natürlich viel komplizierter. Ich habe noch gar nicht angefangen, über die vielen Störungen zu sprechen, die Wissenschaftler berücksichtigen müssen – und so weit wie möglich unterdrücken. Wie hängt man die Spiegel so auf, dass sie (zumindest bei bestimmten Gravitationswellen) tatsächlich so beeinflusst werden, als wären sie frei schwebende Teilchen? Wie verhindern Sie, dass seismische Geräusche, Autos oder Züge in der weiteren Umgebung usw. Ihre Spiegel ein klein wenig bewegen (entweder durch Vibrationen oder durch ihre eigene Schwerkraft)? Was ist mit Schwankungen des Laserlichts?
Die Gravitationswellenjagd ist im Wesentlichen eine Jagd nach Rauschen und nach Möglichkeiten, dieses Rauschen zu unterdrücken. Die Gravitationswellendetektoren von LIGO und ihre Verwandten sind hochkomplexe Maschinen mit Hunderten von Regelkreisen, hochentwickelten Spiegelaufhängungen, den stabilsten Lasern, die die Physik kennt (und einigen der leistungsstärksten). Die Technologie wurde von zahlreichen Gruppen aus der ganzen Welt beigesteuert.
Aber das alles führt uns zu weit und ich verweise Sie auf die Seiten der Detektoren und Kooperationen für weitere Informationen:
Seiten der LIGO Scientific Collaboration
Weitere Informationen zu Gravitationswellen finden Sie auf derEinstein OnlineWebseite:
Einstein Online: Gravitationswellen im Fokus
Aktualisieren: Gravitationswellen entdeckt
