Wat sinn Gravitatiounswellen an hir Entdeckung
Gravitatiounswellen sinn eng vun de erstaunlechsten Entdeckungen an der moderner Physik, well se de Mënschen eng "nei Manéier" ginn, fir den Universum ze observéieren. Wärend d'Astronomie sech virdru op Liicht verlooss huet - vu siichtbarem Liicht, Radio, Infrarout bis Röntgenstrahlen - erlaben eis Gravitatiounswellen, d'"Vibratiounen" vum Raum an der Zäit selwer ze héieren. Dëst Phänomen ass net nëmmen eng Theorie; Gravitatiounswellen goufen direkt detektéiert, wat en neit Kapitel an der kosmescher Fuerschung opmécht, besonnesch wat extrem Objeten wéi schwaarz Lächer an Neutronestäre betrëfft.
Wat sinn Gravitatiounswellen?
Einfach ausgedréckt, si Gravitatiounswellen Wellen oder "Wellen", déi sech duerch d'Raumzäit ausbreeden, wéinst der Beschleunigung vun enger ganz grousser Mass. De Konzept vun der Raumzäit staamt aus der Allgemenger Relativitéitstheorie vum Albert Einstein (1915), déi d'Gravitatioun net als eng Attraktiounskraaft gesäit, wéi an der Newtonescher Physik, mä als eng Krümmung vu Raum an Zäit wéinst der Präsenz vu Mass an Energie. Wann grouss Massen sech op bestëmmte Weeër beweegen - zum Beispill zwou schwaarz Lächer, déi sech ëmeneen rotéieren - ännert sech d'Krümmung vun der Raumzäit dynamesch a straalt Stéierungen aus, déi sech an all Richtungen ausbreeden. Dës Stéierunge gi Gravitatiounswellen genannt.
Gravitatiounswellen beweege sech mat Liichtgeschwindegkeet. Hiren Effekt op Objeten, duerch déi se passéieren, ass awer extrem kleng. Stellt Iech zwou Punkten vir, déi ee Kilometer vuneneen ewech leien: eng passéierend Gravitatiounswell kann dës Distanz ëm manner wéi den Duerchmiesser vun engem Proton änneren. Dofir, obwuel d'Iddi zënter dem fréien 20. Joerhonnert existéiert, huet et eng onheemlech sophistikéiert Technologie gebraucht fir et ze beweisen.
Quelle vu Gravitatiounswellen am Universum
Net all Massebeweegunge produzéieren moossbar Gravitatiounswellen. Alldeeglech Evenementer wéi en Auto am Bewegungsfeld oder eng Persoun, déi leeft, emittéieren technesch gesinn Gravitatiounswellen, awer hir Amplituden sinn ze kleng fir se ze detektéieren. Observéierbar Gravitatiounswellen entstinn typescherweis vu kosmeschen Evenementer mat enormen Massen, extremen Beschleunigungen an asymmetresche Bewegungen.
Zu den Haaptquelle vu Gravitatiounswellen gehéieren:
1. Schwaarz Lächerverschmelzung
Zwee schwaarz Lächer, déi sech ëm d'Äerd kreesen, verléieren Energie duerch Gravitatiounswellen, hir Ëmlafbunne schrumpfen, a si kollidéieren a verschmëlzen schlussendlech. Dëst Evenement wäert e staarkt Gravitatiounswellesignal produzéieren.
2. Neutronestäreverschmelzung
En Neutronestär ass den dichten, iwweregste Kär vun engem massive Stär. Wann zwee Neutronestäre zesummekommen, kann dëst Evenement, nieft der Produktioun vu Gravitatiounswellen, och Liicht a verschiddene Wellelängten emittéieren a schwéier Elementer wéi Gold produzéieren.
3. Supernovaen a massiv Stäreexplosiounen
Den Zesummebroch vum Kär vun engem Stär ass heiansdo asymmetresch a kann Gravitatiounswellen emittéieren, obwuel se z'entdecken ganz schwéier ass.
4. Imperfekt Rotatioun vun Neutronestären
Wann en Neutronestär mat enger liichter "Bull" oder Onregelméissegkeet rotéiert, kann e Gravitatiounswellen kontinuéierlech emittéieren.
5. Urgravitatiounswellen
Et gëtt d'Hypothes opgestallt, datt dat fréit Universum Gravitatiounswellen produzéiert huet, déi am kosmeschen Hannergrond "gefruer" sinn. Wann dat entdeckt gëtt, kéint dat Hiweiser iwwer déi éischt Sekonnen nom Urknall ginn.
Vun der Einstein senger Theorie bis zum éischte Beweis
Den Einstein huet Gravitatiounswellen am Joer 1916 virausgesot (an se 1918 verfeinert) op Basis vun den Equatioune vun der Allgemenger Relativitéitstheorie. Awer zënter Joerzéngte diskutéiere Wëssenschaftler, ob Gravitatiounswellen real oder nëmme mathematesch Artefakte sinn. D'Schwieregkeet kënnt dovun, datt d'Raumzäit dynamesch ass; ze verstoen, wat "wierklech" moossbar ass, ass net ëmmer einfach.
E wichtege Wendepunkt ass Mëtt vum 20. Joerhonnert geschitt, wéi d'Relativitéitstheorie sech entwéckelt huet a Physiker ugefaangen hunn ze verstoen, datt Gravitatiounswellen real Energie droen. Wann e System Energie verléiert andeems en Gravitatiounswellen ausstraalt, da sollt seng Ëmlafbunn oder Bewegung sech op eng moossbar Aart a Weis änneren.
Indirekt Beweiser: Hulse-Taylor binär Pulsaren
Am Joer 1974 hunn zwee Astronomen - de Russell Hulse an de Joseph Taylor - e binärt Pulsarsystem mam Numm PSR B1913+16 entdeckt. Pulsare si Neutronestären, déi periodesch Radiosignaler wéi "Liichttuerm" ausstralen. An engem binäre System kreest e Pulsar ëm en aneren Neutronestär. Iwwerraschenderweis geet d'Ëmlafzäit vun dësem System lues a lues erof: déi zwee Objeten beweege sech méi no beieneen.
Dës Ofsenkung stëmmt ganz genee mat de Prognosen vun der Allgemenger Relativitéitstheorie iwwer den Energieverloscht duerch Gravitatiounswellen iwwereneen. Dëst liwwert ganz staark indirekt Beweiser datt Gravitatiounswellen existéieren. Fir dës Entdeckung kruten den Hulse an den Taylor 1993 den Nobelpräis fir Physik.
Direkt Entdeckung: LIGO a Kollisiounen vu schwaarze Lächer, déi "gehéiert" goufen
Trotz iwwerzeegenden indirekten Beweiser verfollegen d'Wëssenschaftler nach ëmmer direkt Detektioun: d'Erfassung vu Gravitatiounswellen, déi duerch d'Äerd passéieren. Dës Ustrengung steet virun bedeitende Erausfuerderungen, well d'Amplituden vun de Wellen sou kleng sinn. D'Léisung ass d'Benotzung vun engem Laserinterferometer, engem Apparat, deen extrem kleng Ännerungen an der Distanz moosse kann.
Wéi funktionéiert LIGO?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ass e grousst Projet an den USA mat zwou Haaptanlagen: eng zu Hanford, Washington, an eng zu Livingston, Louisiana. Jidderee vun hinnen huet en 4 Kilometer laangen Interferometerarm. De Laserstral gëtt an zwee Stralen opgedeelt, déi sech laanscht d'Äerm hin an hier beweegen an dann nei kombinéieren. Wann eng Gravitatiounswell duerchgeet, ännert se d'effektiv Längt vun den Äerm ganz liicht, wouduerch e moosbares, verännert Interferenzmuster entsteet.
Et ass entscheedend, datt zwéi Detektoren op verschiddene Plazen installéiert sinn, fir sécherzestellen, datt dat observéiert Signal net op lokal Stéierungen zréckzeféieren ass (wéi z.B. e klengt Äerdbiewen, Vibratioune vun engem Gefier oder aner Ëmweltfaktoren). Wa béid Detektoren e konsequent Muster mat enger vernünfteger Zäitverzögerung gesinn, ass et vill méi wahrscheinlech, datt et sech beim Signal ëm eng Gravitatiounswell aus dem Weltraum handelt.
Éischt Detektioun: GW150914
De 14. September 2015 huet LIGO e Signal detektéiert, dat spéider GW150914 genannt gouf. Dëst Signal staamt aus der Zesummeféierung vun zwéi schwaarze Lächer mat Massen ongeféier zéngmol sou grouss wéi d'Sonn, déi méi wéi eng Milliard Liichtjoer vun der Äerd ewech waren. Dëst Evenement huet en "Zwitschern" verursaacht: eng séier Erhéijung vun der Frequenz an der Amplitude, déi e Peak erreecht huet, wéi déi zwéi schwaarz Lächer zesummegefall sinn, an dann nogelooss huet.
Déi offiziell Ukënnegung gouf am Februar 2016 gemaach a gouf direkt als Meilesteen ugesinn. Dës Entdeckung huet net nëmmen direkt Gravitatiounswellen bewisen, mä och déi éischt direkt Detektioun vun engem binäre schwaarze Lächersystem markéiert.
Fir hir wichteg Bäiträg zu LIGO gouf den Nobelpräis fir Physik 2017 un de Rainer Weiss, de Barry C. Barish an de Kip S. Thorne verginn.
Firwat ass d'Entdeckung vu Gravitatiounswellen wichteg?
D'Detektioun vu Gravitatiounswellen gëtt dacks als den Ufank vun der Ära vun der Gravitatiounswellenastronomie bezeechent. Et gëtt verschidde Grënn, firwat dëst revolutionär ass:
1. Nei "Sënner" opmaachen fir den Universum ze observéieren
Vill kosmesch Objeten, wéi zum Beispill schwaarz Lächer, strahlen kee liicht detektéierbart Liicht aus. Gravitatiounswellen erlaben et eis, dës Objeten direkt duerch hir Auswierkungen op d'Raumzäit ze studéieren.
2. Test vun der allgemenger Relativitéitstheorie ënner extremen Konditiounen
Schwaarz Lächerverschmelzunge bréngen eng onheemlech staark Schwéierkraaft an onheemlech héich Geschwindegkeete mat sech. Si sinn e natierlecht Laboratoire fir d'Theorien vum Einstein ënner extremen Bedingungen ze testen, déi schwéier op der Äerd ze reproduzéieren sinn.
3. Den Urspronk vu schwéieren Elementer verstoen
Et gouf gewisen, datt d'Fusioune vun Neutronestäre mat der Bildung vu schwéieren Elementer duerch den r-Prozess (séier Neutronenerfassung) a Verbindung stinn. Dëst hëlleft d'Fro ze beäntwerten: wou kommen Gold a Platin hier am Universum?
4. Kartographie vun der Populatioun vu schwaarze Lächer an Neutronestären
Mat ville Detektioune kënnen d'Wëssenschaftler d'Massenverdeelung, d'Fusiounsraten an d'Bildungsgeschicht vun dëse kompakten Objeten moossen.
Ofschloss
Gravitatiounswellen si Wellen an der Raumzäit, déi vum Einstein viru méi wéi engem Joerhonnert virausgesot goufen a schliisslech duerch indirekt Beweiser a binäre Pulsaren an direkt Detektioun duerch LIGO am Joer 2015 bestätegt goufen. Dës Entdeckung ass net nëmmen eng technesch Leeschtung, mä eng Ännerung an der Aart a Weis wéi d'Mënschen de Kosmos gesinn: mir kënnen elo dem Universum "lauschteren", net nëmmen en gesinn. Mat der Entwécklung vun neien Detektoren a globalen Zesummenaarbechten (wéi Virgo an Europa, KAGRA a Japan an déi geplangt LISA am Weltraum), gëtt erwaart, datt d'Zukunft vun der Gravitatiounswellenastronomie nach méi räich gëtt, wat eis méi no un d'Äntwerten op déi gréisst Mystère vum Universum bréngt.
