Gravitationswellen: Was ihre Entdeckung für Wissenschaft und Menschheit bedeutet

Gravitationswellensimulation

Eine Computersimulation, die Gravitationswellen während einer Kollision mit einem Schwarzen Loch zeigt. Die Entdeckung hat große Auswirkungen auf die Wissenschaft. (Bildnachweis: MPI für Gravitationsphysik/W.Benger-Zib)



Menschen auf der ganzen Welt jubelten gestern Morgen (11. Februar), als Wissenschaftler den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen ankündigten – Wellen im Gefüge der Raumzeit, deren Existenz erstmals 1916 von Albert Einstein vorgeschlagen wurde.



Die Wellen kamen von zwei schwarzen Löchern, die sich immer näher umkreisten, bis sie schließlich kollidierten. Das kürzlich modernisierte Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) hat das Signal am 14. September 2015 aufgenommen. Nicht jede wissenschaftliche Entdeckung bekommt diese Art von Empfang habe diese schwer fassbaren Wellen entdeckt ?

Zunächst einmal ist die Erkennung zweier kollidierender Schwarzer Löcher an sich schon aufregend – niemand wusste genau, ob Schwarze Löcher tatsächlich miteinander verschmolzen sind, um noch massereichere Schwarze Löcher zu schaffen, aber jetzt gibt es einen physikalischen Beweis. Und es ist die Freude, endlich direkte Beweise für ein Phänomen zu haben, das vor 100 Jahren erstmals vorhergesagt wurde, mit einem Instrument, das vor 40 Jahren vorgeschlagen wurde. [ Von LIGO erkannte Gravitationswellen: Vollständige Abdeckung ]



Aber das wirklich Monumentale an dieser Entdeckung ist, dass sie der Menschheit die Fähigkeit verleiht zu sehen das Universum auf völlig neue Weise, sagten Wissenschaftler. Die Fähigkeit, Gravitationswellen, die durch die Beschleunigung oder Abbremsung massiver Objekte im Weltraum erzeugt werden, direkt zu detektieren, wurde mit einer tauben Person verglichen, die plötzlich die Fähigkeit erlangt, Geräusche zu hören. Ein völlig neuer Informationsbereich steht nun zur Verfügung.

'Es ist wie Galilei das Teleskop zum ersten Mal auf den Himmel gerichtet', sagte Vassiliki (Vicky) Kalogera, ein Professor für Physik und Astronomie an der Northwestern University in Illinois, dem LIGO-Teammitglied gegenüber demokratija.eu. 'Sie öffnen Ihre Augen – in diesem Fall unsere Ohren – für eine neue Reihe von Signalen aus dem Universum, die unsere bisherigen Technologien uns nicht erlaubten, zu empfangen, zu studieren und von ihnen zu lernen.'

'Bis jetzt waren wir für Gravitationswellen taub', sagte David Reitze, Executive Director von LIGO vom California Institute of Technology (Caltech), während einer Ankündigungszeremonie in Washington, DC Wir werden mehr Dinge hören, und wir werden zweifellos Dinge hören, die wir erwartet hatten zu hören … aber wir werden auch Dinge hören, die wir nie erwartet hatten.'



Mit dieser neuen sensorischen Sicht des Universums hoffen Wissenschaftler, Folgendes zu entdecken.

Neue Fenster zum Universum

Bewegte Massen erzeugen Gravitationsstrahlungswellen, die die Raumzeit dehnen und zusammendrücken. Sehen Sie in dieser demokratija.eu-Infografik, wie Gravitationswellen funktionieren.

Bewegte Massen erzeugen Gravitationsstrahlungswellen, die die Raumzeit dehnen und zusammendrücken. Sehen Sie in dieser demokratija.eu-Infografik, wie Gravitationswellen funktionieren.(Bildnachweis: Von Karl Tate, Infografik-Künstler)



LIGO reagiert besonders empfindlich auf Gravitationswellen, die von heftigen kosmischen Ereignissen herrühren, wie beispielsweise der Kollision zweier massiver Objekte oder der Explosion eines Sterns. Das Observatorium hat das Potenzial, diese Objekte oder Ereignisse zu lokalisieren, bevor lichtbasierte Teleskope dies tun können, und in einigen Fällen könnten Gravitationswellen-Beobachtungen die einzige Möglichkeit sein, solche Ereignisse zu finden und zu untersuchen.

In der gestrigen Ankündigung berichteten Wissenschaftler beispielsweise, dass LIGO zwei Schwarze Löcher identifiziert hatte, die sich umeinander drehen und in einer letzten, energetischen Kollision miteinander verschmelzen. Wie der Name schon sagt, strahlen Schwarze Löcher kein Licht aus, was bedeutet, dass sie für Teleskope, die elektromagnetische Strahlung sammeln und untersuchen, unsichtbar sind. Einige Schwarze Löcher sind mit lichtbasierten Teleskopen sichtbar, weil Material in ihrer unmittelbaren Umgebung strahlt, aber Wissenschaftler haben keine Beispiele für die Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit strahlendem Material um sie herum gesehen.

Darüber hinaus haben die von LIGO entdeckten Schwarzen Löcher die 29- bzw. 36-fache Masse der Sonne. Reitze sagte jedoch, dass das Instrument mit zunehmender Empfindlichkeit von LIGO auf Schwarze Löcher empfindlich sein könnte, die das 100-, 200- oder sogar 500-fache der Masse der Sonne haben, die weiter von der Erde entfernt sind. 'Es könnte einen wirklich schönen Entdeckungsraum geben, der sich öffnet, sobald wir dort draußen sind', sagte er.

Wissenschaftler wissen bereits, dass die Untersuchung des Himmels bei verschiedenen Lichtwellenlängen neue Daten über den Kosmos liefern kann. Viele Jahrhunderte lang konnten Astronomen nur mit optischem Licht arbeiten. Aber vor relativ kurzer Zeit haben Forscher Instrumente gebaut, die es ihnen ermöglichen, das Universum mit Röntgenstrahlen, Radiowellen, ultravioletten Wellen und Gammastrahlen zu untersuchen. Jedes Mal erhielten die Wissenschaftler eine neue Sicht auf das Universum.

Auf die gleiche Weise haben Gravitationswellen das Potenzial, Wissenschaftlern völlig neue Eigenschaften kosmischer Objekte zu zeigen, sagten LIGO-Teammitglieder. [ Das Studium von Gravitationswellen könnte viele Geheimnisse lüften (Video) ]

'Wenn wir jemals das Glück haben, eine Supernova in unserer eigenen Galaxie oder vielleicht in einer nahegelegenen Galaxie zu haben, werden wir in der Lage sein, die tatsächliche Dynamik dessen zu sehen, was innerhalb der Supernova vor sich geht', sagte LIGO-Mitbegründer Rainer Weiss des MIT, der bei der Ankündigungszeremonie sprach. Während Licht oft durch Staub und Gas blockiert wird, 'kommen Gravitationswellen direkt [aus der Supernova] heraus, kühn ungehindert', sagte Weiss. 'Als Konsequenz findet man wirklich heraus, was in diesen Dingen vor sich geht.'

Andere exotische Objekte, die Wissenschaftler mit Gravitationswellen untersuchen möchten, sind Neutronensterne , die unglaublich dichte, ausgebrannte Sternleichen sind: Ein Teelöffel Neutronensternmaterial würde auf der Erde etwa eine Milliarde Tonnen wiegen. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, was unter solch extremen Bedingungen mit normaler Materie passiert, aber Gravitationswellen könnten äußerst hilfreiche Hinweise liefern, da diese Wellen Informationen über das Innere des Neutronensterns bis zur Erde tragen sollten, sagten LIGO-Wissenschaftler.

LIGO hat auch ein System eingerichtet, das lichtbasierte Teleskope alarmiert, wenn der Detektor eine Gravitationswelle entdeckt zu haben scheint. Einige der astronomischen Ereignisse, die LIGO untersuchen wird, wie beispielsweise kollidierende Neutronensterne, können Licht in allen Wellenlängen erzeugen, von Gammastrahlen bis zu Radiowellen. Mit dem Warnsystem von LIGO ist es möglich, dass Wissenschaftler einige astronomische Ereignisse oder Objekte in verschiedenen Lichtwellenlängen plus Gravitationswellen beobachten könnten, was ein „sehr vollständiges Bild“ dieser Ereignisse liefern würde, sagte Reitze.

'Wenn das passiert, wird das, glaube ich, das nächste große Ding in diesem Bereich sein', sagte er.

Relativität

Gravitationswellen wurden erstmals von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, die 1916 veröffentlicht wurde. Diese berühmte Theorie hat allen möglichen physikalischen Tests standgehalten, aber es gibt einige Aspekte, die Wissenschaftler in der realen Welt nicht studieren konnten. weil sie sehr extreme Umstände erfordern. Die extreme Krümmung der Raumzeit ist ein Beispiel dafür.

'Bisher haben wir die verzerrte Raumzeit nur bei sehr ruhiger Lage gesehen – als hätten wir die Meeresoberfläche nur an einem sehr ruhigen Tag gesehen, wenn es ziemlich glasig ist', sagt Kip Thorne von Caltech, ein weiteres Gründungsmitglied von LIGO und ein Experte für verzerrte Raumzeit, sagten bei der gestrigen Zeremonie. „Wir hatten noch nie gesehen, wie das Meer von einem Sturm aufgewühlt wurde, mit krachenden Wellen. All das änderte sich am 14. September. Die kollidierenden Schwarzen Löcher, die diese Gravitationswellen erzeugten, erzeugten einen heftigen Sturm im Gefüge von Raum und Zeit.' [ Die Geschichte & Struktur des Universums (Infografik) ]

»Diese Beobachtung testet dieses Regime wunderbar, sehr stark«, fuhr Thorne fort. 'Und Einstein kommt mit strahlendem Erfolg heraus.'

Aber das Studium der Allgemeinen Relativitätstheorie mittels Gravitationswellen ist noch lange nicht abgeschlossen. Es bleiben Fragen über die Natur des Gravitons, des Teilchens, von dem angenommen wird, dass es die Gravitationskraft trägt (genau wie das Photon das Teilchen ist, das die elektromagnetische Kraft trägt). Und Wissenschaftler haben viele Fragen zum Innenleben von Schwarzen Löchern, die Gravitationswellen (sozusagen) zu beleuchten helfen können. Aber all dies, so die Wissenschaftler, wird sich im Laufe vieler Jahre langsam herausstellen, da LIGO und verwandte Instrumente mehr Daten zu mehr Ereignissen sammeln.

Ein Vermächtnis für die Zukunft

Mit Laserstrahlen haben Wissenschaftler die physikalischen Verzerrungen entdeckt, die durch passierende Gravitationswellen verursacht werden. Sehen Sie in dieser demokratija.eu-Infografik, wie das LIGO-Observatorium Gravitationswellen jagt.

Mit Laserstrahlen haben Wissenschaftler die physikalischen Verzerrungen entdeckt, die durch passierende Gravitationswellen verursacht werden. Sehen Sie in dieser demokratija.eu-Infografik, wie das LIGO-Observatorium Gravitationswellen jagt.(Bildnachweis: Von Karl Tate, Infografik-Künstler)

Mit Blick auf die nächsten drei Jahre sagte Reitze, dass sich die Zusammenarbeit darauf konzentriert, die Sensibilität von LIGO für sein volles Potenzial zu erhöhen. Dadurch wird das Observatorium – das aus zwei großen Detektoren besteht, einem in Louisiana und dem anderen im Bundesstaat Washington – empfindlicher für Gravitationswellen gemacht. Aber Wissenschaftler wissen nicht, wie viele Ereignisse LIGO sehen wird, weil sie nicht wissen, wie oft viele dieser Ereignisse im Universum auftreten.

LIGO hat die Verschmelzung des binären Schwarzen Lochs entdeckt, noch bevor das Instrument seine erste offizielle Beobachtungskampagne nach seiner jüngsten Aufrüstung begann, aber es ist möglich, dass dies ein Glücksfall war. Um den Gravitationsastronomiezug ins Rollen zu bringen, braucht LIGO einfach mehr Daten.

Auf die Frage, wie sich LIGO auf die Welt außerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft auswirkt und wie die Gravitationswellenwissenschaft das tägliche Leben der Menschen beeinflussen könnte, sagte Reitze einfach: 'Wer weiß?'

'Als Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagte, wer hätte vorhergesagt, dass wir sie jeden Tag benutzen würden, wenn wir unsere Handys benutzen?' er sagte. (Die Allgemeine Relativitätstheorie liefert ein Verständnis dafür, wie die Schwerkraft den Lauf der Zeit beeinflusst, und diese Informationen sind für die GPS-Technologie erforderlich, die Satelliten verwendet, die weiter von der Anziehungskraft der Erde entfernt sind als Menschen auf der Oberfläche).

LIGO ist 'das empfindlichste Instrument, das jemals gebaut wurde', sagte Reitze, und die technologischen Fortschritte, die beim Bau des Observatoriums erzielt wurden, könnten in Technologien einfließen, die auf eine Weise verwendet werden, die die Menschen noch nicht vorhersagen können.

Thorne sagte, er sehe den größeren Beitrag von LIGO etwas anders.

'Wenn wir auf die Epoche der Renaissance zurückblicken und uns fragen: 'Was haben uns die Menschen dieser Zeit gegeben, was für uns heute wichtig ist?' Ich denke, wir sind uns alle einig, dass es großartige Kunst, großartige Architektur, großartige Musik ist“, sagte er.

'In ähnlicher Weise, wenn unsere Nachkommen auf diese Zeit zurückblicken und sich fragen: 'Welche großartigen Dinge sind zu uns gekommen?' … Ich glaube, es wird ein Verständnis der grundlegenden Gesetze des Universums geben und ein Verständnis dessen, was diese Gesetze im Universum bewirken, und eine Erforschung des Universums“, fügte Thorne hinzu. „LIGO ist ein großer Teil davon. Der Rest der Astronomie ist ein großer Teil davon. Und ich denke, dieses kulturelle Geschenk an unsere zukünftigen Generationen ist wirklich viel größer als jede Art von technologischem Spin-off, als die ultimative Entwicklung von Technologie jeglicher Art. Ich denke, wir sollten stolz sein auf das, was wir unseren Nachkommen kulturell geben.'

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