Luftbild von LIGO. Klicken um zu vergrößern.
In der Vergangenheit konnten Astronomen den Himmel nur im sichtbaren Licht sehen und ihre Augen als Rezeptoren verwenden. Aber was wäre, wenn Sie Schwerkraftaugen hätten? Einstein sagte voraus, dass die extremsten Objekte und Ereignisse im Universum Gravitationswellen erzeugen und den Raum um sie herum verzerren sollten. Ein neues Experiment namens Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (oder LIGO) könnte die erste Detektion dieser Gravitationswellen durchführen.
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Fraser Cain: Also gut, was ist eine Gravitationswelle?
Dr. Sam Waldman: Eine Gravitationswelle kann also erklärt werden, wenn Sie sich daran erinnern, dass die Masse die Raumzeit verzerrt. Wenn Sie sich also an die Analogie eines gespannten Blattes mit einer Bowlingkugel erinnern, die in die Mitte des Blattes geworfen wurde und das Blatt biegt; wobei die Bowlingkugel eine Masse ist und das Blatt die Raumzeit darstellt. Wenn Sie die Bowlingkugel sehr schnell hin und her bewegen, entstehen Wellen im Blatt. Das Gleiche gilt für Massen in unserem Universum. Wenn Sie einen Stern sehr schnell hin und her bewegen, werden Sie in der Raumzeit Wellen schlagen. Und diese Wellen in der Raumzeit sind beobachtbar. Wir nennen sie Gravitationswellen.
Fraser: Wenn ich jetzt durch den Raum gehe, wird das Gravitationswellen verursachen?
Dr. Waldman: Nun, das wird es. Soweit wir wissen, funktioniert die Schwerkraft auf allen Skalen und für alle Massen, aber die Raumzeit ist sehr steif. So etwas wie mein 200-Pfund-Selbst, das sich durch mein Büro bewegt, verursacht keine Gravitationswellen. Was benötigt wird, sind extrem massive Objekte, die sich sehr schnell bewegen. Wenn wir also nach Gravitationswellen suchen, suchen wir nach Objekten im Maßstab der Sonnenmasse. Insbesondere suchen wir nach Neutronensternen, die zwischen 1,5 und 3 Sonnenmassen liegen. Wir suchen nach Schwarzen Löchern, bis zu mehreren hundert Sonnenmassen. Und wir suchen, dass sich diese Objekte sehr schnell bewegen. Wenn wir also von einem Neutronenstern sprechen, sprechen wir von einem Neutronenstern, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Tatsächlich muss es mit Lichtgeschwindigkeit vibrieren, es kann sich nicht nur bewegen, es muss sehr schnell hin und her zittern. Es handelt sich also um sehr einzigartige, sehr massive katastrophale Systeme, nach denen wir suchen.
Fraser: Gravitationswellen sind rein theoretisch, oder? Sie wurden von Einstein vorhergesagt, aber noch nicht gesehen?
Dr. Waldman: Sie wurden nicht beobachtet, sie wurden abgeleitet. Es gibt ein Pulsarsystem, dessen Frequenz mit einer Geschwindigkeit abfällt, die mit der Emission von Gravitationswellen übereinstimmt. Das ist PSR 1913 + 16. Und dass sich die Umlaufbahn dieses Sterns ändert. Das ist eine Schlussfolgerung, aber das ist natürlich keine direkte Beobachtung von Gravitationswellen. Es ist jedoch ziemlich klar, dass sie existieren müssen. Wenn Einsteins Gesetze existieren, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie funktioniert und sie auf sehr vielen Längenskalen sehr gut funktioniert, dann existieren auch Gravitationswellen. Sie sind nur sehr schwer zu sehen.
Fraser: Was braucht es, um sie erkennen zu können? Es klingt wie sehr katastrophale Ereignisse. Große schwarze Löcher und Neutronensterne bewegen sich, warum sind sie so schwer zu finden?
Dr. Waldman: Das hat zwei Komponenten. Eine Sache ist, dass Schwarze Löcher nicht die ganze Zeit kollidieren und Neutronensterne an keinem alten Ort herumschütteln. Die Anzahl der Ereignisse, die beobachtbare Gravitationswellen verursachen können, ist also tatsächlich sehr gering. Jetzt sprechen wir zum Beispiel über die Milchstraße mit einem Ereignis, das alle 30-50 Jahre auftritt.
Der andere Teil dieser Gleichung ist jedoch, dass die Gravitationswellen selbst sehr klein sind. Also führen sie das ein, was wir eine Belastung nennen; Dies ist eine Längenänderung pro Längeneinheit. Wenn ich zum Beispiel einen Maßstab habe, der einen Meter lang ist, und eine Gravitationswelle diesen Maßstab zerquetscht, wenn er durchkommt. Aber das Niveau, mit dem es den Maßstab zerquetscht, ist extrem klein. Wenn ich einen 1-Meter-Maßstab habe, führt dies nur zu einer Änderung von 10e-21 Metern. Es ist also eine sehr sehr kleine Änderung. Bei der Beobachtung von 10 bis 21 Metern besteht die große Herausforderung natürlich darin, eine Gravitationswelle zu beobachten.
Fraser: Wenn Sie die Länge eines Maßstabs mit einem anderen Maßstab messen würden, würde sich die Länge dieses anderen Maßstabs ändern. Ich kann sehen, dass das schwierig ist.
Dr. Waldman: Genau, Sie haben also ein Problem. Die Art und Weise, wie wir das Maßstabsproblem lösen, besteht darin, dass wir tatsächlich 2 Maßstäbe haben und sie zu einem L formen. Und die Art und Weise, wie wir sie messen, ist die Verwendung eines Lasers. Und die Art und Weise, wie wir unseren Maßstab angeordnet haben, ist tatsächlich ein 4 km langes „L“. Es gibt 2 Arme mit einer Länge von jeweils 4 km. Und am Ende jedes Arms befindet sich eine 4-kg-Quarz-Testmasse, von der wir Laser abprallen lassen. Und wenn eine Gravitationswelle durch diesen L-förmigen Detektor kommt, streckt sie ein Bein, während sie das andere Bein schrumpft. Und das bei etwa 100 Hertz innerhalb der Audiofrequenzen. Wenn Sie also der Bewegung dieser Massen zuhören, hören Sie ein Summen bei 100 Hertz. Was wir also mit unseren Lasern messen, ist die unterschiedliche Armlänge dieses großen Interferometers in L-Form. Deshalb ist es LIGO. Es ist das Gravitationswellenobservatorium des Laserinterferometers.
Fraser: Mal sehen, ob ich das richtig verstehe. Vor Milliarden von Jahren kollidierte ein Schwarzes Loch mit einem anderen und erzeugte eine Reihe von Gravitationswellen. Diese Gravitationswellen durchqueren das Universum und spülen sich an der Erde vorbei. Wenn sie an der Erde vorbeikommen, verlängern sie einen dieser Arme und schrumpfen den anderen. Sie können diese Änderung erkennen, indem der Laser hin und her springt.
Dr. Waldman: Das stimmt. Die Herausforderung besteht natürlich darin, dass diese Längenänderung extrem gering ist. Bei unseren 4 km-Interferometern beträgt die Längenänderung, die wir derzeit messen, 10 bis 19 Meter. Und um eine Skala zu erstellen, der Durchmesser eines Atomkerns beträgt nur 10e-15 Meter. Unsere Empfindlichkeit ist also subatomar.
Fraser: Und welche Arten von Ereignissen sollten Sie an diesem Punkt erkennen können?
Dr. Waldman: Das ist also eigentlich ein faszinierendes Gebiet. Die Analogie, die wir gerne verwenden, ist, als würde man das Universum mit Radiowellen betrachten, indem man das Universum mit Teleskopen betrachtet. Die Dinge, die Sie sehen, sind völlig anders. Sie reagieren empfindlich auf ein völlig anderes Regime des Universums. Insbesondere reagiert LIGO empfindlich auf diese katastrophalen Ereignisse. Wir klassifizieren unsere Veranstaltungen in 4 große Kategorien. Der erste, den wir Bursts nennen, und das ist so etwas wie die Bildung eines Schwarzen Lochs. Es kommt also zu einer Supernova-Explosion, und so viel Materie bewegt sich so schnell, dass sie schwarze Löcher bildet, aber Sie wissen nicht, wie die Gravitationswellen aussehen. Sie wissen nur, dass es Gravitationswellen gibt. Das sind also Dinge, die extrem schnell passieren. Sie dauern höchstens 100 Millisekunden und entstehen durch die Bildung von Schwarzen Löchern.
Ein anderes Ereignis, das wir betrachten, ist, wenn sich zwei Objekte in einer Umlaufbahn befinden, beispielsweise zwei Neutronensterne, die sich gegenseitig umkreisen. Schließlich nimmt der Durchmesser dieser Umlaufbahn ab. Die Neutronensterne verschmelzen, fallen ineinander und bilden ein Schwarzes Loch. Und in den letzten Umlaufbahnen bewegen sich diese Neutronensterne (denken Sie daran, dass es sich um Objekte handelt, die 1,5 bis 3 Sonnenmassen wiegen) mit großen Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit. sagen wir 10%, 20% der Lichtgeschwindigkeit. Und diese Bewegung ist ein sehr effizienter Generator von Gravitationswellen. Das ist es, was wir als Standardkerze verwenden. Wir glauben zu wissen, dass es das gibt. Wir wissen, dass sie da draußen sind, aber wir sind uns nicht sicher, wie viele von ihnen gleichzeitig losgehen. Wir sind uns nicht sicher, wie ein Neutronenstern in einer Spirale in Radiowellen oder Röntgenstrahlen in optischer Strahlung aussieht. Es ist daher etwas schwierig, genau zu berechnen, wie oft Sie entweder eine In-Spirale oder eine Supernova sehen.
Fraser: Jetzt können Sie ihre Richtung erkennen?
Dr. Waldman: Wir haben zwei Interferometer. Tatsächlich haben wir zwei Standorte und drei Interferometer. Ein Interferometer befindet sich in Livingston Louisiana, nördlich von New Orleans. Und unser anderes Interferometer befindet sich im Osten des Bundesstaates Washington. Da wir zwei Interferometer haben, können wir Triangulationen am Himmel durchführen. Es besteht jedoch noch eine gewisse Unsicherheit darüber, wo genau sich die Quelle befindet. Es gibt andere Kooperationen auf der Welt, mit denen wir in Deutschland, Italien und Japan sehr eng zusammenarbeiten, und sie haben auch Detektoren. Wenn also mehrere Detektoren an mehreren Standorten eine Gravitationswelle sehen, können wir bei der Lokalisierung sehr gute Arbeit leisten. Die Hoffnung ist, dass wir eine Gravitationswelle sehen und wissen, woher sie kommt. Wir fordern dann unsere Kollegen von Radioastronomen und Kollegen von Röntgenastronomen sowie unsere Kollegen von optischen Astronomen auf, sich diesen Teil des Himmels anzusehen.
Fraser: Am Horizont stehen einige neue große Teleskope. überwältigend groß und gigantisch groß, und Magellan ... die großen Teleskope, die mit ziemlich großen Budgets das Rohr runterkommen. Nehmen wir an, Sie können Gravitationswellen zuverlässig finden. Es ist fast so, als würde dies unserer Erkennung ein neues Spektrum hinzufügen. Wenn einige dieser Gravitationswellendetektoren mit großen Budgets ausgestattet wären, wofür könnten sie Ihrer Meinung nach verwendet werden?
Dr. Waldman: Nun, wie ich bereits sagte, ist es wie die Revolution in der Astronomie, als Radioteleskope zum ersten Mal online gingen. Wir betrachten eine grundlegend andere Klasse von Phänomenen. Ich sollte sagen, dass das LIGO-Labor ein ziemlich großes Labor ist. Wir arbeiten mit über 150 Wissenschaftlern zusammen, es handelt sich also um eine große Zusammenarbeit. Wir hoffen, dass wir in Zukunft mit allen optischen und Radioastronomen zusammenarbeiten können. Es ist jedoch etwas schwierig vorherzusagen, welchen Weg die Wissenschaft einschlagen wird. Ich denke, wenn Sie mit vielen allgemeinen Relativisten sprechen, ist das aufregendste Merkmal von Gravitationswellen, dass wir etwas tun, das als Starke Allgemeine Relativitätstheorie bezeichnet wird. Das ist alles, was die Allgemeine Relativitätstheorie, die Sie beim Betrachten von Sternen und Galaxien messen können, sehr schwach ist. Es ist nicht viel Masse involviert, es bewegt sich nicht sehr schnell. Es ist in sehr großen Entfernungen. Wenn wir dagegen von der Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern sprechen, ist das allerletzte Bit, wenn der Neutronenstern in das Schwarze Loch fällt, extrem gewalttätig und untersucht einen Bereich der allgemeinen Relativitätstheorie, der einfach nicht sehr ist zugänglich mit normalen Teleskopen, mit Radio, mit Röntgen. Die Hoffnung ist also, dass es dort einige grundlegend neue und aufregende Physik gibt. Ich denke, das motiviert uns in erster Linie, man könnte es nennen, Spaß mit der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Fraser: Und wann hoffen Sie auf Ihre erste Entdeckung?
Dr. Waldman: Die LIGO-Interferometer - alle drei Interferometer -, die LIGO betreibt, laufen alle mit Designempfindlichkeiten, und wir befinden uns derzeit in der Mitte unseres S5-Laufs. unser fünfter Wissenschaftslauf, der ein Jahr lang läuft. Wir versuchen ein Jahr lang nur, nach Gravitationswellen zu suchen. Wie bei vielen Dingen in der Astronomie ist das meiste abwarten. Wenn eine Supernova nicht explodiert, werden wir sie natürlich nicht sehen. Und so müssen wir so lange wie möglich online sein. Es wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Ereignis wie ein Supernova-Ereignis zu beobachten, in der Region liegt - bei unserer derzeitigen Sensibilität -, dass wir alle 10 bis 20 Jahre eines sehen werden. Es gibt eine große Auswahl. In der Literatur gibt es Leute, die behaupten, dass wir mehrere pro Jahr sehen werden, und es gibt Leute, die behaupten, dass wir bei unserer Sensibilität nie etwas sehen werden. Und der konservative Mittelweg ist einmal alle 10 Jahre. Auf der anderen Seite aktualisieren wir unsere Detektoren, sobald dieser Lauf beendet ist. Und wir verbessern die Empfindlichkeit um den Faktor 2, was unsere Erkennungsrate um den Faktor 2 erhöhen würde. Weil Empfindlichkeit ein Radius ist und wir ein Volumen im Raum untersuchen. Mit diesem Faktor von 8-10 in der Erkennungsrate sollten wir etwa einmal im Jahr ein Ereignis sehen. Danach rüsten wir auf das sogenannte Advanced LIGO um, was eine Verbesserung der Empfindlichkeit um den Faktor 10 bedeutet. In diesem Fall werden wir mit ziemlicher Sicherheit jeden Tag oder so Schwerkraftwellen sehen. alle 2-3 Tage. Dieses Instrument soll ein sehr reales Werkzeug sein. Wir wollen Schwerkraftastronomie betreiben; alle paar Tage Ereignisse zu sehen. Es wird so sein, als würde man den Swift-Satelliten starten. Sobald Swift aufstieg, sahen wir die ganze Zeit Gammastrahlenausbrüche, und Advanced LIGO wird ähnlich sein.
