Bald, sehr bald, Donnerstag, 11. Februar, 10.30 Uhr Eastern Time, werden wir wahrscheinlich auf einer von mehreren Pressekonferenzen erfahren – im National Press Club in Washington, D.C. , in Hannover, Deutschland , in der Nähe von Pisa in Italien und anderswo – dass Gravitationswellen zum ersten Mal direkt gemessen wurden. Dies würde die erste direkte Detektion winziger Verzerrungen der Raumzeit bedeuten, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, die erstmals vor fast genau 100 Jahren von Albert Einstein postuliert wurden.
Zeit, Ihre Gravitationswellen-Grundlagen aufzufrischen: In Gravitationswellen und wie sie den Raum verzerren , wir haben uns angeschaut, welche Gravitationswellentun. In Gravitationswellendetektoren: So funktionieren sie wir haben gesehen, wie du das kannstmessenGravitationswellen. Dritter und letzter Schritt: Was sind typische Gravitationswellenquellen? Wie werden diese Wellen erzeugt?
Objekte im Orbit
Die einfachste Situation, die im Kosmos Gravitationswellen erzeugt, ist fast allgegenwärtig: Zwei oder mehr Objekte umkreisen sich unter ihrer eigenen Schwerkraft. Die von ihnen erzeugten Wellen erinnern an einen sehr langsamen Mischer inmitten eines Wasserbeckens:Das sieht man natürlich nicht. Die hier abgebildete Welle repräsentiert die Stärke der winzigen Abstandsänderungen, die durch die Gravitationswelle verursacht werden würden, genau wie wir es in gesehen haben Gravitationswellen und wie sie den Raum verzerren . Die Animation ist mit freundlicher Genehmigung von Sascha Husa von der Universität der Balearen .
Indirekte Beweise
Gravitationswellen, die von umkreisenden Objekten ausgesendet werden, transportieren Energie. Die elementare Physik sagt Ihnen, dass, wenn Sie einem umkreisenden System Energie entziehen, der Abstand zwischen den umkreisenden Objekten kleiner wird und sie einander schneller umkreisen als zuvor.
Tatsächlich waren Gravitationswellen, die ein binäres System von Neutronensternen beschleunigen, der erste Beweis für die Existenz von Gravitationswellen. Der Doppelneutronenstern wurde entdeckt von Hulse und Taylor im Jahr 1974 , und die Beschleunigung durch Gravitationswellen veröffentlicht von Taylor und Weisberg im Jahr 1984 , nach einer sorgfältigen Analyse der Daten aus sieben Jahren. Hulse und Taylor erhielten den Nobelpreis für Physik 1993 für ihre Entdeckung.
Hier in einem Bild aus einem Artikel von Weisberg 2010 , ist die Übereinstimmung zwischen allgemeiner relativistischer Vorhersage und Beobachtung in all ihrer Pracht (oder zumindest in all ihrer Pracht bis 2005):Wenn die beiden Neutronensterne schneller werden, erreichen sie den Punkt der nächsten Annäherung innerhalb ihrer Umlaufbahn immer früher. Wie viel früher, in Sekunden, ist auf der vertikalen Achse aufgetragen, das Jahr der Messung auf der horizontalen Achse.
Eine Frage der Frequenz
Die heutigen bodengestützten Detektoren können Gravitationswellen von allen Arten von Körpern in einer gemeinsamen Umlaufbahn nicht erkennen. Die Körper müssen massiv und kompakt sein und vor allem schnell genug umeinander kreisen. Bei Körpern, die sich weniger als ein paar Mal pro Sekunde umkreisen (sehr schnell, wenn Sie von astronomischen Körpern sprechen!), wird die Frequenz der resultierenden Gravitationswelle zu niedrig sein, als dass bodengestützte Detektoren zuverlässig messen könnten. Im niederfrequenten Bereich, unterhalb von 10–100 Hertz, dominieren Störungen durch wellenförmige Bewegungen der Erdoberfläche („seismisches Rauschen“) und übertönen die winzigen Auswirkungen von Gravitationswellen.
Wenn es um Gravitationswellen von supermassiven Schwarzen Löchern oder von Weißen Zwergen geht, müssen wir auf zukünftige weltraumgestützte Gravitationswellendetektoren warten.
Die vielversprechendsten Gravitationswellenquellen „zirpen“
Wenn ein umlaufendes System Gravitationswellen aussendet, beschleunigt sich die Bahnbewegung. Und wenn sich die Bahnbewegung beschleunigt, emittiert das System noch mehr Energie in Form einer Gravitationswelle. Dieser außer Kontrolle geratene Prozess endet erst, wenn die umlaufenden Objekte kollidieren und verschmelzen.
Die letzte Phase ist durch eine schnelle Zunahme der Umlaufgeschwindigkeit gekennzeichnet, die einer immer höheren Frequenz der Gravitationswellen und einer immer höheren Intensität entspricht. So sieht ein solches Signal aus (Bild und Ton von „Zwitschernde Neutronensterne“ AnEinstein Online):Sie können sehen, wie Frequenz und Intensität bis zum Zeitpunkt 0 ansteigen, wenn die beiden Neutronensterne kollidieren und verschmelzen.
Bei stellaren Schwarzen Löchern (mit Massen zwischen einigen und einigen Dutzend Sonnenmassen) und Neutronensternen sind die Frequenzen dieser Gravitationswellen in jeder Kombination die gleichen wie die Frequenzen hörbarer Schallwellen. Man kann diese Frequenzänderungen tatsächlich als hörbaren Ton darstellen, wie in diesem Beispiel der Verschmelzung zweier Neutronensterne (Audio © B. Owen, Penn State University):
http://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2016/02/chirp.wavHier die gleiche hörbare Darstellung für die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns (© AEI/GEO600):
http://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2016/02/BHNS.mp3Was ein Gravitationswellendetektor leider registriert, ist die Kombination aus diesem Geräusch und verschiedenen Geräuschen, die wie folgt klingen (© AEI/GEO600):
http://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2016/02/GEO.mp3Kollegen der Cardiff University haben daraus ein nettes Online-Spiel gemacht: Jäger des Schwarzen Lochs . Gehen Sie dorthin und sehen Sie, ob Sie das Signal unter dem Lärm hören!
(Und unter dem Hashtag hört man Live-Gezwitscher von verschiedenen Astrophysikern (und anderen) #chirpForLIGO auf Twitter.)
Diese Art von Signal von verschmelzenden stellaren Schwarzen Löchern oder Neutronensternen (in jeder Kombination) ist der vielversprechendste Signalkandidat für heutige Detektoren – und den Gerüchten zufolge scheint LIGO tatsächlich gefunden zu haben.
Der letzte Teil des Signals ist aus einem besonderen Grund interessant: Er folgt keinen einfachen Formeln und kann nur mit komplexen Computersimulationen solcher Situationen, der sogenannten numerischen Relativität, modelliert werden. Wenn die Detektoren auch dieses letzte Stückchen gut erkennen, ist das ein guter Test für aktuelle numerische Simulationen der Allgemeinen Relativitätstheorie!
Andere Gravitationswellenquellen
Chirps sind vergleichsweise einfach und wahrscheinlich die ersten zu findenden Signale.
Eine andere Art von Signal, die gefunden werden könnte, ist periodisch (oder fast so) und würde z.B. wenn schnell rotierende Neutronensterne weniger als vollkommen glatt sind. Noch kein Glück.
Als nächstes kämen die etwas weniger verstandenen Gravitationswellenquellen, wie die Prozesse im Inneren von Supernova-Explosionen. Und schließlich, wenn zahlreiche Signale entdeckt wurden, die den Wissenschaftlern zeigen, dass ihre Detektoren tatsächlich so funktionieren, wie sie sollten, könnten völlig unerwartete Signale entdeckt werden. Immer wenn Astronomen ein neues Fenster zum Kosmos geöffnet haben – das Radiofenster, Infrarotfenster, Röntgenfenster – haben sie etwas Neues und Unerwartetes gefunden. Wer kann sagen, was uns das Öffnen des Einstein-Fensters, des Fensters der Gravitationswellen, über das Universum lehren wird?
Aktualisieren: Gravitationswellen entdeckt