Es ist offiziell: am 11. Februar 10:30 EST, es wird eine große Pressekonferenz zum Thema Gravitationswellen von den Betreibern des Gravitationswellendetektors LIGO . geben . Es ist eine faire Wette, dass sie den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen ankündigen werden, der vor 100 Jahren von Albert Einstein vorhergesagt wurde. Wenn alles so läuft, wie die Wissenschaftler hoffen, wird dies der Startschuss für eine Ära der Gravitationswellenastronomie sein: um einige der extremsten und gewalttätigsten Ereignisse im Kosmos zu erfahren, indem die winzigen Wellen von Raumverzerrungen gemessen werden, die von ihnen ausgehen.
Zeit, Ihr Wissen über Gravitationswellen aufzufrischen, falls Sie dies noch nicht getan haben! Hier ist eine Visualisierung, die Ihnen hilft – und wir gehen Schritt für Schritt vor, um zu sehen, was sie bedeutet:
Einsteins verzerrte Raumzeit
Mit den Worten des bedeutenden Relativisten John Wheeler lässt sich Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in zwei Aussagen zusammenfassen: Materie sagt Raum und Zeit, wie sie sich krümmen sollen. Und (gekrümmter) Raum und Zeit sagen der Materie, wie sie sich bewegt. ( Hier ist eine etwas längere Version AnEinstein Online.)
Die endgültige Form seiner Theorie veröffentlichte Einstein im November 1915. Im Frühjahr 1916 hatte er eine weitere Konsequenz der Verzerrung von Raum und Zeit erkannt: Die allgemeine Relativitätstheorie ermöglichtGravitationswellen, rhythmische Verzerrungen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreiten.
Physiker waren sich lange Zeit nicht sicher, ob diese Gravitationswellen real oder ein mathematisches Artefakt in Einsteins Theorie waren. (Weitere Informationen zu dieser Kontroverse finden Sie im Buch von Daniel Kennefick „Reisen in Gedankengeschwindigkeit“ und Dieser Beitrag .) Aber seit den 1980er Jahren gibt es indirekte Beweise für diese Wellen (die brachte seinen Entdeckern einen Nobelpreis ein , nicht weniger, 1993).
Gravitationswellen werden von umkreisenden Körpern und bestimmten anderen beschleunigten Massen ausgesendet. Derzeit werden große internationale Anstrengungen unternommen, um Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Sobald der Nachweis möglich ist, hoffen die Wissenschaftler, mithilfe von Gravitationswellen einige der heftigsten Prozesse im Universum zu „hören“: das Verschmelzen von Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen oder die Kernregion von Supernova-Explosionen.
So wie die normale Astronomie Licht und andere Formen elektromagnetischer Strahlung verwendet, um über entfernte Objekte zu lernen, wird die Gravitationswellenastronomie die in Gravitationswellen enthaltenen Informationen entschlüsseln. Und wenn du den jüngsten Gerüchten nachgehst , könnte die Gravitationswellenastronomie bereits Mitte September 2015 ihren Anfang genommen haben.
Was machen Gravitationswellen?
Aber was machen Gravitationswellen? Betrachten wir dazu eine vereinfachte, völlig hypothetische Situation. (Die folgenden sind Variationen von Bildern und Animationen, die ursprünglich veröffentlicht wurden Hier AnEinstein Online.) Betrachten Sie Partikel, die im Weltraum driften, weit entfernt von allen Gravitationsquellen. Stellen Sie sich vor, dass die Partikel (rot) kreisförmig um ein Zentrum (schwarz markiert) angeordnet sind:
Würde eine einfache Gravitationswelle dieses Bild passieren und direkt auf den Leser treffen, würden sich die Abstände zwischen diesen Teilchen rhythmisch wie folgt ändern:
Beachten Sie das charakteristische Muster: Wenn der Kreis in vertikaler Richtung gestreckt wird, wird er in horizontaler Richtung gestaucht und umgekehrt. Das ist typisch für Gravitationswellen („Quadrupolverzerrung“).
Es ist wichtig zu bedenken, dass diese und die folgenden Animationen die Wirkung der Gravitationswelle erheblich übertreiben. Die Gravitationswellen-Detektoren wie aLIGO hoffen zu messen, sind viel, viel schwächer. Wenn unser hypothetischer Teilchenkreis so groß wäre wie die Erdumlaufbahn um die Sonne, würde eine realistische Gravitationswelle ihn um weniger als den Durchmesser eines Wasserstoffatoms verzerren.
Gravitationswellen, die sich durch den Raum bewegen
Die obige Animation zeigt, was man als „Gravitationsschwingung“ bezeichnen könnte. Um die ganze Welle zu sehen, müssen wir die dritte Dimension berücksichtigen.
Wir sprechen von einer Welle, wenn sich Schwingungen durch den Raum ausbreiten. Betrachten Sie eine Wasserwelle: An jedem Punkt der Oberfläche haben wir eine Schwingung, wobei die Oberfläche rhythmisch steigt und fällt. Aber erst die Tatsache, dass sich diese Schwingung ausbreitet und wir sehen, wie sich ein Kamm über die Oberfläche bewegt, macht daraus eine Welle.
Bei Gravitationswellen ist es ähnlich. Um das zu sehen, betrachten wir nicht einen einzelnen Kreis frei schwebender Partikel, sondern viele solcher Kreise, die hintereinander gestapelt die Oberfläche eines Zylinders bilden:
Auf diesem Bild ist schwer zu erkennen, welche Punkte vorne und welche hinten liegen. Verbinden wir jedes Teilchen mit seinen nächsten Nachbarn mit einer blauen Linie und füllen wir auch den Bereich zwischen diesen Linien aus. Auf diese Weise ist die Geometrie viel offensichtlicher:
Denken Sie nur daran, dass weder die Linien noch die weißliche Oberfläche physisch sind. Im Gegenteil, wenn wir möchten, dass die Teilchen maximal anfällig für die Wirkung der Gravitationswelle sind, sollten wir sicherstellen, dass sie wirklich frei schweben und auf keinen Fall in irgendeiner Weise miteinander verbunden sein!
Sehen wir uns nun an, was dieselbe Gravitationswelle, die wir zuvor gesehen haben, mit dieser Ansammlung von Teilchen anrichtet. Aus dieser Perspektive geht die Welle von rechts hinten nach links vorne:Wie Sie sehen, breitet sich die Welle durch den Raum aus. Zum Beispiel bewegt sich der Punkt, an dem die vertikalen Abstände innerhalb des Teilchenkreises maximal sind, auf den Beobachter zu. Noch deutlicher wird die Wellennatur, wenn wir diesen Zylinder direkt von der Seite betrachten:
Was die Animationen zeigen, ist nur eine Art einfacher Gravitationswelle („linear polarisiert“). Hier ist eine andere Art („zirkular polarisiert“):
Das ist es, wonach die Gravitationswellenjäger suchen. Außer dass sie keine Partikel haben, die im freien Raum schweben. Stattdessen enthalten ihre Detektoren hier auf der Erde aufwendig aufgehängte Testmassen (vor allem große Spiegel) mit Laserlicht, um die winzigen Abstandsänderungen durch Gravitationswellen zu detektieren.
Noch komplizierter sind realistischere Gravitationswellensignale, die Informationen über das Verschmelzen von Schwarzen Löchern oder die Massenbewegung von Materie innerhalb einer Supernova-Explosion enthalten. Sie kombinieren viele einfache Wellen unterschiedlicher Frequenzen, und die Stärke solcher Wellen (ihre Amplitude) ändert sich im Laufe der Zeit auf charakteristische Weise.
In diesen Animationen sehen Gravitationswellen ein bisschen aus wie sich windende Weltraumwürmer. Aber diese Weltraumwürmer könnten die besten Freunde der Astronomen werden und Informationen über den Kosmos transportieren, die auf andere Weise schwer oder sogar unmöglich zu erhalten sind.
[Verpassen Sie nicht die Fortsetzung: Gravitationswellendetektoren: wie sie funktionieren ]
Aktualisieren: Gravitationswellen erkannt