'New Era' der Astrophysik: Warum Gravitationswellen so wichtig sind

Es gab diese Woche große Neuigkeiten in der Astrophysik: Ein Experiment entdeckte Wellen in der Raumzeit, bekannt als Gravitationswellen, die durch zwei schwarze Löcher verursacht werden, die im Raum 1,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde kollidieren.

Das klingt sicherlich ... kompliziert. Aber was ist die große Sache, genau? Warum sind Wissenschaftler so begeistert von dieser neuen Entdeckung? Was sagt es ihnen über das Universum? Lass es uns kaputt machen. [Jagd Gravitationswellen: Das LIGO Laser Interferometer Projekt in Fotos]

Was ist so cool an Gravitationswellen?

Das erste wichtige an LIGOs direktem Nachweis von Gravitationswellen ist, dass es überhaupt passiert ist.

Aber zuerst, lasst uns ein wenig zurückgehen und über Albert Einstein sprechen. Er war ein kluger Typ - er hat eine Menge wirklich subtiler Dinge über das Universum herausgefunden, einschließlich der Tatsache, dass der Raum kein fester starrer Hintergrund ist, wie eine Bühne, auf der kosmische Ereignisse stattfinden. Stattdessen zeigte Einstein, dass der Raum flexibel ist und durch die Objekte und Ereignisse in ihm beeinflusst wird. Sehr massive Objekte erzeugen Kurven im Raum, ähnlich wie eine Bowlingkugel eine Matratze umkrümmt, wenn sie darauf platziert wird.

(Einstein zeigte auch, dass Raum und Zeit eng miteinander verbunden sind - beides sind Fäden in dem universellen Stoff, den er Raum-Zeit nannte. Wir werden diese Beziehung aus Gründen der Kürze beschönigen.)

Was hat das mit Gravitationswellen zu tun? Wenn ein massives Objekt die Raumzeit kurven kann, kann das Bewegen eines massiven Objekts Wellen in Raum-Zeit erzeugen. Denken Sie an ein Kanu, das sich über einen See bewegt und Wellen über die Wasseroberfläche schickt; oder ein Hammer schlägt auf eine Trommel und erzeugt Vibrationen auf der Oberfläche.

Das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, besser bekannt als LIGO, war das erste Experiment, das diese Wellen in der Raumzeit direkt erkannte, also ist es der erste direkte physikalische Beweis, dass sie tatsächlich existieren. Die erste Entdeckung fand im September 2015 statt, 100 Jahre nachdem Einstein ihre Existenz vorausgesagt hatte. Es ist auch schon 40 Jahre her, dass die Leute anfingen, an den frühen Beschwörungen der Technologie zu arbeiten, mit der LIGO Gravitationswellen erkennt.

So bestätigen diese Wellen in der Raumzeit Einsteins Theorie (obwohl sie sich bereits als ziemlich luftdicht erwiesen hat). Gravitationswellen sind eine extreme Illustration der allgemeinen Relativitätstheorie; in der Vergangenheit gab es diese extremen Beispiele nur auf dem Papier, in der theoretischen Welt. Daten können Wissenschaftlern immer dabei helfen, mehr über das Universum zu erfahren, und wenn Einsteins Theorie angepasst werden muss (um sie beispielsweise mit der Quantenmechanik kompatibel zu machen), ist es möglich, dass LIGO wo finden kann. (Der Exekutivdirektor von LIGO sagte, dass er zweifelhaft sei, ob LIGO diese Art von Sprüngen finden oder in Einsteins Theorie verlieren wird, aber es ist eine Möglichkeit.)

Aber warte - da ist mehr.

Schwarzlochjäger

Die LIGO-Entdeckungen haben "eine neue Ära in der Astronomie eröffnet", heißt es in einer Erklärung der Northwestern University, wo Wissenschaftler die Gravitationswellen untersuchen, um zu versuchen, die Schwarzen Löcher zu verstehen, die sie geschaffen haben. Andere Quellen mit LIGO haben auch von einer "neuen Ära" oder einem "neuen Feld der Astrophysik" gesprochen oder festgestellt, dass LIGO "ein neues Fenster" für das Universum öffnet.

Das ist ein großer Anspruch. Wie treibt LIGO diese Revolution an?

Denken Sie so darüber nach: Wenn jedes Observatorium und Teleskop in der Geschichte der Menschheit es den Menschen erlaubte, das Universum zu "sehen", erlaubt uns LIGO nun, es zu "hören". Und noch nie hat jemand das Universum auf diese Weise gehört. Stellen Sie sich vor, wie es wäre, plötzlich nicht nur eine neue Sicht auf die Welt um sich herum zu bekommen, sondern auch die Fähigkeit, eine völlig andere Art von Information zu entdecken.

Fast jedes Observatorium oder Teleskop, das das Universum erforscht, sammelt Licht - oder in einigen Fällen auch andere Teilchen. Licht kommt in vielen Geschmacksrichtungen, wie Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, sichtbares Licht und Radiowellen. Verschiedene Objekte strahlen unterschiedliche Lichtwellenlängen ab. Zum Beispiel produziert Ihr Körper genug Wärme, um Infrarotlicht auszustrahlen, aber es würde etwas so heißes wie ein elektrischer Ofen benötigen, um optisches Licht auszustrahlen. Betrachtet man das Universum in verschiedenen Wellenlängen des Lichts, werden verschiedene Objekte und Prozesse sichtbar, und manchmal enthüllt es Dinge, die aus anderen Gründen verborgen sind.

OK, aber was, wenn Sie nach einem Objekt suchen möchten, das kein Licht ausstrahlt?

Schwarze Löcher werden Schwarze Löcher genannt, weil sie eine so starke Anziehungskraft haben, dass selbst Licht nicht von ihnen wegkommt. Daher werden sie typischerweise in Bildern und Illustrationen als große, schwarze Sphären im Raum dargestellt - sie emittieren kein Licht und strahlen kein Licht aus.

Es gibt andere Möglichkeiten, schwarze Löcher zu "sehen". Zum Beispiel strahlt manchmal Material um das Schwarze Loch Licht, und das kann zumindest die Silhouette eines dieser Monster enthüllen. Es ist auch möglich, ein schwarzes Loch durch seinen Einfluss auf die Gravitation zu erkennen. (Auf diese Weise entdecken Wissenschaftler dunkle Materie, geheimnisvollere Materie, die einen großen Teil des Universums ausmacht.)

Aber für die schwarzen Löcher, die von LIGO entdeckt wurden, und für die meisten schwarzen Löcher zwischen dem 10- und 100-fachen der Sonnenmasse, sagen Wissenschaftler mit LIGO, dass es unwahrscheinlich ist, dass diese Techniken funktionieren. Das liegt daran, dass es um diese schwarzen Löcher herum kein Material gibt. es wird weggeschleudert, während die schwarzen Löcher sich umkreisen. Das bedeutet, dass diese schwarzen Löcher unsichtbar sind - außer einem Gravitationswellendetektor.

Außerdem wird ein Purist Ihnen sagen, dass all diese oben genannten Methoden sind indirekt. Wenn jemand Informationen erstellt haben möchte direkt am Schwarzen LochGravitationswellen sind es.

So kann LIGO Dinge sehen, die kein anderes Observatorium kann, und das ist ein wichtiger Grund, warum die Menschen dies den Beginn einer neuen Ära der Astrophysik nennen.LIGO wird viele andere Objekte entdecken, darunter explodierende Sterne (Supernovae) und Verschmelzungen zwischen Neutronensternen oder die Nuggets von übrig gebliebenen Sternexplosionen, die nur wenig zu dicht sind, um Schwarze Löcher zu werden.

Aber es wird auch große Entdeckungen geben, wenn LIGO mit lichtbasierten Teleskopen und Observatorien arbeitet. Diese Instrumente können das Universum "sehen" und LIGO kann es "hören" - und sie sind am besten, wenn sie zusammen verwendet werden, genauso wie Filme am besten sind, wenn sie sowohl gesehen als auch gehört werden, oder das Essen am besten schmeckt und riecht. "Multimessenger Astronomie" bezieht sich auf die Kombination verschiedener Arten astronomischer Informationen wie Licht- und Gravitationswellen. Es ist ein neues Kapitel in der Astrophysik und LIGO hat ihm gerade einen großen Schub gegeben.

LIGOs schwarze Löcher

Um einen Eindruck davon zu bekommen, welche Art von Informationen Gravitationswellen liefern können, werfen Sie einen Blick auf die beiden Erkennungen von LIGO. Das erste Signal, das im September 2015 entdeckt wurde, wurde von zwei schwarzen Löchern erzeugt, deren Masse 29 bzw. 36 mal so groß war wie die der Sonne. Sie erschufen ein neues schwarzes Loch mit einer Masse, die nur ihrer Massen entsprach. (Ein Teil der Masse ging als Energie bei der Fusion verloren.) Die zweite Entdeckung wurde auch durch zwei schwarze Löcher verursacht, die Massen von 7,5 bzw. 14 mal der Sonne aufwiesen.

Die Masse eines Schwarzen Lochs gibt Einblick in seine Entstehung. Alle vier dieser schwarzen Löcher wurden wahrscheinlich von einzelnen, massereichen Sternen geboren. Diese Sterne brannten hell, aber dann ging der Brennstoff aus und sie kollabierten in sich selbst, wobei sie Materie in solch einen unglaublich kleinen Raum einbrachen, dass die Dichte des verbleibenden Objekts von der modernen Physik nicht eindeutig beschrieben werden kann.

Laut Vicky Kalogera, Astrophysikerin an der Northwestern University und Mitglied der LIGO Collaboration, können die Besonderheiten der Lebenssituation eines jeden Sterns variieren.

Die kleineren schwarzen Löcher, die von LIGO entdeckt wurden, bildeten sich wahrscheinlich aus Sternen, die nahe beieinander lebten, blieben nach dem Tod zusammen und schossen schließlich aufeinander zu und verschmolzen miteinander. Vergleichen Sie das mit schwarzen Löchern, die fast das 20-fache der Sonnenmasse ausmachen, die wahrscheinlich winzige Sternhaufen bilden (ein "Moshpit" von Sternen, wie die Aussage der Northwestern University es beschreibt).

Wie viele schwarze Löcher bilden sich in Clustern und wie viele bilden sich außerhalb von Clustern? Wie viele Black-Hole-Fusionen finden jeden Tag im Universum statt? Wie groß werden diese schwarzen Löcher? Können sie neue Informationen über die monströsen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien enthüllen, die Massen von Millionen bis Milliarden der Masse der Sonne haben?

Das sind Fragen, die Wissenschaftler jetzt besser beantworten können, weil sie Schwarzlochverschmelzungen direkt erkennen und schnell die genaue Masse dieser Schwarzen Löcher herausfinden können.

Nur der Anfang

LIGO entdeckte zwei bestätigte Black-Hole-Fusionen in seinem ersten wissenschaftlichen Lauf, der etwa sechs Monate dauerte. Derzeit arbeitet LIGO nur zu etwa 40 Prozent an der von ihm angestrebten Sensitivität. Schrittweise Verbesserungen durch das LIGO-Team werden diesen Prozentsatz langsam steigern, und mit jeder Steigerung der Empfindlichkeit wird erwartet, dass LIGO immer mehr Objekte erkennt. Laut David Reitze, geschäftsführender Direktor des LIGO Labors, kann die LIGO Collaboration, wenn der Detektor im nächsten Lauf (der im September beginnt) 25 Prozent empfindlicher ist, sechs bis acht Detektionen statt zwei erwarten.

In Italien soll im Januar ein Gravitationswellen-Begleitdetektor online gehen, und in Japan und Indien sollen künftig Detektoren installiert werden. Ein weltraumbasiertes Experiment legt die Grundlagen für weltraumgestützte Gravitationswellendetektoren. Und eine Kollaboration von Wissenschaftlern arbeitet daran, Gravitationswellen zu messen, indem man Pulsare oder Neutronensterne untersucht, die Strahlen von Radiowellen aussenden.

Die Entdeckung von LIGO bedeutet für die Astrophysik eine Menge Dinge; es könnte tatsächlich der Beginn einer neuen Ära sein.