Gravitationswellen. Das Wesen der Gravitationswellen in einfachen Worten

Gravitationswellen sind Änderungen im Gravitationsfeld, die sich wie Wellen ausbreiten. Sie werden von bewegten Massen abgestrahlt, aber nach der Bestrahlung lösen sie sich von ihnen und existieren unabhängig von diesen Massen. Mathematisch verwandt mit der Störung der Raumzeitmetrik und kann als "Raumzeitwellen" beschrieben werden.
BEI Allgemeine Theorie Relativitätstheorie und in den meisten anderen moderne Theorien Gravitationswellen werden durch die Bewegung massiver Körper mit variabler Beschleunigung erzeugt. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit frei im Raum aus. Aufgrund der relativen Schwäche der Gravitationskräfte (im Vergleich zu anderen) haben diese Wellen eine sehr kleine Größe, die schwer zu registrieren ist.
Gravitationswellen werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) und vielen anderen Gravitationstheorien vorhergesagt. Sie wurden erstmals im September 2015 direkt von zwei Zwillingsdetektoren am LIGO-Observatorium entdeckt, die Gravitationswellen registrierten, wahrscheinlich als Ergebnis der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher und der Bildung eines weiteren massiven rotierenden Schwarzen Lochs. Indirekte Beweise für ihre Existenz sind seit den 1970er Jahren bekannt – die Allgemeine Relativitätstheorie sagt die Konvergenzrate naher Systeme von Doppelsternen voraus, die mit Beobachtungen aufgrund des Energieverlusts für Strahlung zusammenfällt Gravitationswellen. Die direkte Registrierung von Gravitationswellen und ihre Nutzung zur Bestimmung der Parameter astrophysikalischer Prozesse ist eine wichtige Aufgabe der modernen Physik und Astronomie.
Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie werden Gravitationswellen durch Lösungen der Einstein-Gleichungen vom Wellentyp beschrieben, die eine mit Lichtgeschwindigkeit (in linearer Näherung) bewegte Störung der Raum-Zeit-Metrik darstellen. Äußerung dieser Störung soll insbesondere eine periodische Abstandsänderung zwischen zwei frei fallenden (dh von keinen Kräften beaufschlagten) Prüfmassen sein. Die Amplitude h einer Gravitationswelle ist eine dimensionslose Größe - eine relative Abstandsänderung. Die vorhergesagten maximalen Amplituden von Gravitationswellen von astrophysikalischen Objekten (z. B. kompakten Doppelsternsystemen) und Phänomenen (Supernova-Explosionen, Verschmelzungen von Neutronensternen, Einfangen von Sternen durch Schwarze Löcher usw.) sind sehr klein (h=10 −18-10 −23). Eine schwache (lineare) Gravitationswelle trägt nach der allgemeinen Relativitätstheorie Energie und Impuls, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, ist transversal, vierpolig und wird durch zwei unabhängige Komponenten beschrieben, die in einem Winkel von 45° zueinander angeordnet sind (hat zwei Polarisationsrichtungen).
Verschiedene Theorien sagen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen auf unterschiedliche Weise voraus. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist sie gleich der Lichtgeschwindigkeit (in linearer Annäherung). In anderen Gravitationstheorien kann sie jeden Wert annehmen, einschließlich ad infinitum. Nach den Daten der ersten Registrierung von Gravitationswellen stellte sich heraus, dass ihre Ausbreitung mit dem masselosen Graviton kompatibel war, und die Geschwindigkeit wurde auf Lichtgeschwindigkeit geschätzt.

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Gravitationswellen endlich entdeckt

Populärwissenschaften

Schwankungen in der Raumzeit werden ein Jahrhundert nach ihrer Vorhersage durch Einstein entdeckt. Eine neue Ära in der Astronomie beginnt.

Wissenschaftler konnten Schwankungen in der Raumzeit nachweisen, die durch Verschmelzungen von Schwarzen Löchern verursacht wurden. Dies geschah hundert Jahre, nachdem Albert Einstein diese „Gravitationswellen“ in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte, und hundert Jahre, nachdem die Physiker begonnen hatten, nach ihnen zu suchen.

Die bahnbrechende Entdeckung wurde heute von Forschern des LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory gemeldet. Sie bestätigten die Gerüchte, die sich seit mehreren Monaten um die Analyse des ersten von ihnen gesammelten Datensatzes rankten. Astrophysiker sagen, dass die Entdeckung von Gravitationswellen eine neue Sichtweise auf das Universum bietet und es ermöglicht, entfernte Ereignisse zu erkennen, die in optischen Teleskopen nicht zu sehen sind, aber man kann ihr schwaches Zittern fühlen und sogar hören, das uns durch den Weltraum erreicht.

„Wir haben Gravitationswellen entdeckt. Wir haben es geschafft!" David Reitze, Executive Director des 1.000-köpfigen Forschungsteams, gab heute auf einer Pressekonferenz in Washington DC bei der National Science Foundation bekannt.

Gravitationswellen sind vielleicht das schwer fassbare Phänomen von Einsteins Vorhersagen, der Wissenschaftler diskutierte dieses Thema jahrzehntelang mit seinen Zeitgenossen. Nach seiner Theorie bilden Raum und Zeit eine dehnbare Materie, die sich unter dem Einfluss schwerer Gegenstände verbiegt. Die Schwerkraft zu spüren bedeutet, in die Kurven dieser Materie zu fallen. Aber kann diese Raumzeit wie das Fell einer Trommel zittern? Einstein war verwirrt, er wusste nicht, was seine Gleichungen bedeuteten. Und änderte immer wieder seine Sichtweise. Aber selbst die überzeugtesten Befürworter seiner Theorie glaubten, Gravitationswellen seien ohnehin zu schwach, um beobachtet zu werden. Sie stürzen nach bestimmten Katastrophen nach außen und dehnen und komprimieren abwechselnd die Raumzeit, während sie sich bewegen. Aber bis diese Wellen die Erde erreichen, dehnen und stauchen sie jeden Kilometer des Weltraums um einen winzigen Bruchteil des Durchmessers eines Atomkerns.

Um diese Wellen zu erkennen, brauchte es Geduld und Vorsicht. Das LIGO-Observatorium feuerte Laserstrahlen entlang vier Kilometer langer, rechtwinkliger Knie von zwei Detektoren hin und her, einer in Hanford, Washington, und der andere in Livingston, Louisiana. Dies geschah auf der Suche nach passenden Ausdehnungen und Kontraktionen dieser Systeme während des Durchgangs von Gravitationswellen. Mit modernsten Stabilisatoren, Vakuuminstrumenten und Tausenden von Sensoren maßen die Wissenschaftler Änderungen in der Länge dieser Systeme, die nur ein Tausendstel der Größe eines Protons betragen. Eine solche Empfindlichkeit von Instrumenten war vor hundert Jahren undenkbar. Es schien 1968 unglaublich, als Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology ein Experiment namens LIGO konzipierte.

„Es ist ein großes Wunder, dass sie es am Ende geschafft haben. Sie waren in der Lage, diese winzigen Vibrationen aufzunehmen!“ sagte der theoretische Physiker Daniel Kennefick von der University of Arkansas, der 2007 das Buch Traveling at the Speed of Thought: Einstein schrieb und die Suche nach Gravitationswellen (Reisen mit Gedankengeschwindigkeit. Einstein und die Suche nach Gravitationswellen).

Diese Entdeckung markierte den Beginn einer neuen Ära in der Gravitationswellenastronomie. Es ist zu hoffen, dass wir genauere Vorstellungen über die Entstehung, Zusammensetzung und galaktische Rolle von Schwarzen Löchern haben werden – jene superdichten Massenbälle, die die Raumzeit so stark verzerren, dass nicht einmal Licht aus ihr entkommen kann. Wenn sich Schwarze Löcher einander nähern und verschmelzen, erzeugen sie ein Impulssignal – Raum-Zeit-Schwankungen, die in Amplitude und Tonhöhe zunehmen und dann abrupt enden. Diese Signale, die das Observatorium wahrnehmen kann, liegen im Audiobereich – sie sind jedoch zu schwach, um mit bloßem Ohr wahrgenommen zu werden. Sie können diesen Klang reproduzieren, indem Sie mit den Fingern über die Klaviertasten fahren. „Beginnen Sie mit der tiefsten Note und arbeiten Sie sich bis zur dritten Oktave vor“, sagte Weiss. "Das hören wir."

Physiker sind bereits überrascht über die Anzahl und Stärke der Signale, die aufgezeichnet werden dieser Moment. Das bedeutet, dass es auf der Welt mehr Schwarze Löcher gibt als bisher angenommen. „Wir hatten Glück, aber ich habe immer auf dieses Glück gesetzt“, sagte der Caltech-Astrophysiker Kip Thorne, der LIGO gemeinsam mit Weiss und Ronald Drever, ebenfalls vom Caltech, entwickelt hat. „Das passiert normalerweise, wenn sich ein ganz neues Fenster im Universum öffnet.“

Durch das Abhören von Gravitationswellen können wir uns ganz andere Vorstellungen vom Weltraum machen und vielleicht unvorstellbare kosmische Phänomene entdecken.

„Ich kann es mit dem ersten Mal vergleichen, als wir ein Teleskop in den Himmel richteten“, sagte die theoretische Astrophysikerin Janna Levin vom Barnard College der Columbia University. „Die Menschen haben verstanden, dass da draußen etwas ist, und man kann es sehen, aber sie konnten die unglaubliche Bandbreite an Möglichkeiten, die im Universum existieren, nicht vorhersagen.“ In ähnlicher Weise, bemerkte Levin, könnte die Entdeckung von Gravitationswellen zeigen, dass das Universum „voller dunkler Materie ist, die wir nicht einfach mit einem Teleskop erkennen können“.

Die Geschichte der Entdeckung der ersten Gravitationswelle begann am Montagmorgen im September, und sie begann mit Baumwolle. Das Signal war so klar und laut, dass Weiss dachte: "Nein, das ist Unsinn, da wird nichts raus."

Intensität der Emotionen

Diese erste Gravitationswelle fegte während eines Simulationslaufs in den frühen Morgenstunden des 14. September, zwei Tage vor dem offiziellen Beginn der Datenerfassung, über die Detektoren des aufgerüsteten LIGO – zuerst in Livingston und sieben Millisekunden später in Hanford.

Nach der Modernisierung, die fünf Jahre dauerte und 200 Millionen Dollar kostete, waren die Detektoren „eingefahren“. Sie wurden mit neuen Spiegelaufhängungen zur Geräuschreduzierung und einem aktiven ausgestattet Rückmeldung um Fremdschwingungen in Echtzeit zu unterdrücken. Das Upgrade verlieh dem aufgerüsteten Observatorium eine höhere Empfindlichkeit als das alte LIGO, das zwischen 2002 und 2010 „absolute und reine Null“ fand, wie Weiss es ausdrückte.

Als im September ein starkes Signal kam, begannen Wissenschaftler in Europa, wo es zu diesem Zeitpunkt Morgen war, ihre amerikanischen Kollegen hastig mit Nachrichten zu bombardieren Email. Als der Rest der Gruppe aufwachte, verbreitete sich die Neuigkeit sehr schnell. Praktisch alle seien skeptisch gewesen, sagte Weiss, besonders als sie das Signal sahen. Es war ein echter Lehrbuchklassiker, und einige Leute hielten es für eine Fälschung.

Seit Ende der 1960er Jahre wurden bei der Suche nach Gravitationswellen viele Male falsche Behauptungen aufgestellt, als Joseph Weber von der University of Maryland glaubte, Resonanzschwingungen in einem Aluminiumzylinder mit Sensoren als Reaktion auf die Wellen entdeckt zu haben. Im Jahr 2014 fand ein Experiment namens BICEP2 statt, das zur Bekanntgabe der Entdeckung ursprünglicher Gravitationswellen führte – Raum-Zeit-Fluktuationen aus dem Urknall, die sich inzwischen gestreckt und in der Geometrie des Universums dauerhaft eingefroren haben. Wissenschaftler der BICEP2-Gruppe kündigten ihre Entdeckung mit großem Tamtam an, aber dann wurden ihre Ergebnisse unabhängig verifiziert, wobei sich herausstellte, dass sie falsch lagen und dass dieses Signal von kosmischem Staub kam.

Als der Kosmologe Lawrence Krauss von der Arizona State University von der Entdeckung des LIGO-Teams hörte, hielt er es zunächst für einen „blinden Schwindel“. Während des Betriebs des alten Observatoriums wurden simulierte Signale heimlich in die Datenströme eingefügt, um die Reaktion zu testen, und die meisten Mitarbeiter wussten nichts davon. Als Krauss aus sachkundiger Quelle erfuhr, dass es sich diesmal nicht um eine „blinde Füllung“ handelte, konnte er seine freudige Aufregung kaum fassen.

Am 25. September twitterte er seinen 200.000 Followern: „Gerüchte über den Nachweis einer Gravitationswelle am LIGO-Detektor. Erstaunlich, wenn wahr. Ich werde Ihnen die Details mitteilen, wenn es keine Fälschung ist. Es folgt ein Eintrag vom 11. Januar: „Frühere Gerüchte über LIGO durch unabhängige Quellen bestätigt. Folgen Sie den Nachrichten. Vielleicht wurden Gravitationswellen entdeckt!“

Die offizielle Position der Wissenschaftler lautete: Sprechen Sie nicht über das empfangene Signal, bis hundertprozentige Sicherheit besteht. Thorne, der durch diese Geheimhaltungspflicht an Händen und Füßen gebunden war, sagte seiner Frau nicht einmal etwas. „Ich habe alleine gefeiert“, sagte er. Zunächst beschlossen die Wissenschaftler, ganz an den Anfang zurückzugehen und alles Vorhergehende zu analysieren die kleinsten Details, um herauszufinden, wie sich das Signal durch Tausende von Messkanälen verschiedener Detektoren ausgebreitet hat, und um zu verstehen, ob zum Zeitpunkt der Signalerfassung etwas Seltsames vorgefallen ist. Sie fanden nichts Außergewöhnliches. Sie schlossen auch Hacker aus, die im Laufe des Experiments am besten über die Tausenden von Datenströmen Bescheid wissen müssten. „Selbst wenn das Team blinde Würfe macht, sind sie nicht perfekt genug und hinterlassen viele Spuren“, sagte Thorn. "Aber es gab keine Spuren."

In den folgenden Wochen hörten sie ein weiteres, schwächeres Signal.

Die Wissenschaftler analysierten die ersten beiden Signale und erhielten immer mehr neue. Im Januar stellten sie ihre Forschung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters vor. Diese Ausgabe geht heute online. Nach ihren Schätzungen übersteigt die statistische Signifikanz des ersten, stärksten Signals "5-Sigma", was bedeutet, dass sich die Forscher seiner Echtheit zu 99,9999 % sicher sind.

der Schwerkraft lauschen

Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind so komplex, dass die meisten Physiker 40 Jahre brauchten, um zuzustimmen, dass Gravitationswellen existieren und nachgewiesen werden können – sogar theoretisch.

Zuerst dachte Einstein, dass Objekte keine Energie in Form von Gravitationsstrahlung freisetzen könnten, aber dann änderte er seine Meinung. In seinem historischen Werk aus dem Jahr 1918 zeigte er, was für Objekte das können: hantelförmige Systeme, die gleichzeitig um zwei Achsen rotieren, zum Beispiel Doppel- und Supernovasterne, die wie Knallkörper explodieren. Sie können Wellen in der Raumzeit erzeugen.

Aber Einstein und seine Kollegen schwankten weiter. Einige Physiker haben argumentiert, dass selbst wenn Wellen existieren, die Welt mit ihnen oszillieren wird und es unmöglich sein wird, sie zu fühlen. Erst 1957 schloss Richard Feynman die Frage ab, indem er in einem Gedankenexperiment zeigte, dass Gravitationswellen, wenn sie existieren, theoretisch nachgewiesen werden können. Aber niemand wusste, wie verbreitet diese hantelförmigen Systeme im Weltraum waren und wie stark oder schwach die resultierenden Wellen waren. „Letztendlich war die Frage: Werden wir sie jemals finden?“ sagte Kennefick.

1968 war Rainer Weiss ein junger Professor am MIT und wurde beauftragt, einen Kurs in allgemeiner Relativitätstheorie zu lehren. Als Experimentator wusste er wenig darüber, aber plötzlich gab es Neuigkeiten von Webers Entdeckung der Gravitationswellen. Weber baute drei resonante Detektoren in Schreibtischgröße aus Aluminium und platzierte sie in verschiedenen amerikanischen Bundesstaaten. Jetzt sagte er, dass alle drei Detektoren "den Klang von Gravitationswellen" aufzeichneten.

Die Studenten von Weiss wurden gebeten, die Natur von Gravitationswellen zu erklären und ihre Meinung zu der Botschaft zu äußern. Beim Studium der Details fiel ihm die Komplexität der mathematischen Berechnungen auf. „Ich konnte nicht herausfinden, was zum Teufel Weber tat, wie die Sensoren mit der Gravitationswelle interagierten. Ich saß lange da und fragte mich: „Was ist das Primitivste, das mir einfällt, das Gravitationswellen erkennt?“ Und dann kam mir eine Idee in den Sinn, die ich die konzeptionelle Basis von LIGO nenne.

Stellen Sie sich drei Objekte in der Raumzeit vor, sagen wir Spiegel an den Ecken eines Dreiecks. „Sende ein Lichtsignal von einem zum anderen“, sagte Weber. „Schauen Sie, wie lange es dauert, von einer Masse zur nächsten zu gehen, und sehen Sie, ob sich die Zeit geändert hat.“ Es stellt sich heraus, stellte der Wissenschaftler fest, dass dies schnell erledigt werden kann. „Das habe ich meinen Studenten als wissenschaftliche Aufgabe anvertraut. Buchstäblich die ganze Gruppe war in der Lage, diese Berechnungen anzustellen.“

In den folgenden Jahren, als andere Forscher versuchten, die Ergebnisse von Webers Resonanzdetektor-Experiment zu replizieren, aber immer wieder scheiterten (es ist nicht klar, was er beobachtete, aber es waren keine Gravitationswellen), begann Weiss, ein viel genaueres und ehrgeizigeres Experiment vorzubereiten : das Gravitationswellen-Interferometer. Der Laserstrahl wird von drei in Form des Buchstabens „L“ eingebauten Spiegeln reflektiert und bildet zwei Strahlen. Das Intervall von Spitzen und Einbrüchen von Lichtwellen gibt genau die Länge der Krümmungen des Buchstabens "G" an, die die x- und y-Achsen der Raumzeit bilden. Bei Stillstand der Waage prallen die beiden Lichtwellen an den Ecken ab und heben sich gegenseitig auf. Das Signal im Detektor ist Null. Wenn jedoch eine Gravitationswelle die Erde durchdringt, dehnt sie die Länge eines Arms des Buchstabens „G“ und komprimiert die Länge des anderen (und umgekehrt). Die Fehlanpassung der beiden Lichtstrahlen erzeugt im Detektor ein Signal, das leichte Schwankungen in der Raumzeit anzeigt.

Zunächst waren andere Physiker skeptisch, aber das Experiment fand bald Unterstützung bei Thorne, dessen Caltech-Theoretikergruppe Schwarze Löcher und andere potenzielle Quellen von Gravitationswellen sowie die von ihnen erzeugten Signale untersuchte. Thorne wurde durch das Weber-Experiment und ähnliche Bemühungen russischer Wissenschaftler inspiriert. Nachdem ich 1975 auf einer Konferenz mit Weiss gesprochen hatte, „fing ich an zu glauben, dass der Nachweis von Gravitationswellen erfolgreich sein würde“, sagte Thorn. "Und ich wollte, dass Caltech auch ein Teil davon ist." Er vereinbarte mit dem Institut, den schottischen Experimentator Ronald Driver einzustellen, der auch behauptete, ein Gravitationswellen-Interferometer gebaut zu haben. Im Laufe der Zeit begannen Thorne, Driver und Weiss, als Team zu arbeiten, und jeder löste seinen Anteil an unzähligen Problemen, um sich auf ein praktisches Experiment vorzubereiten. Das Trio gründete LIGO im Jahr 1984, und als Prototypen gebaut wurden und die Zusammenarbeit als Teil eines ständig wachsenden Teams begann, erhielten sie Anfang der 1990er Jahre 100 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation. Es wurden Zeichnungen für den Bau eines Paares riesiger L-förmiger Detektoren erstellt. Ein Jahrzehnt später begannen die Detektoren zu arbeiten.

Bei Hunford und Livingston, in der Mitte jedes der vier Kilometer langen Knie der Detektoren, herrscht ein Vakuum, dank dessen der Laser, sein Strahl und seine Spiegel maximal von den ständigen Schwingungen des Planeten isoliert sind. Um noch sicherer zu sein, überwachen LIGO-Wissenschaftler ihre Detektoren während des Betriebs mit Tausenden von Instrumenten und messen alles, was sie können: seismische Aktivität, Atmosphärendruck, Blitze, das Auftreten kosmischer Strahlen, die Vibration von Geräten, die Geräusche im Bereich des Laserstrahls und so weiter. Anschließend filtern sie ihre Daten nach diesen fremden Hintergrundgeräuschen. Vielleicht ist die Hauptsache, dass sie zwei Detektoren haben, und dies ermöglicht es Ihnen, die empfangenen Daten zu vergleichen und sie auf das Vorhandensein übereinstimmender Signale zu überprüfen.

Kontext

Gravitationswellen: Vollendet, was Einstein in Bern begonnen hat

SwissInfo 13.02.2016

Wie Schwarze Löcher sterben

Mittel 19.10.2014
Innerhalb des erzeugten Vakuums passieren, selbst wenn Laser und Spiegel vollständig isoliert und stabilisiert sind, „die ganze Zeit seltsame Dinge“, sagt Marco Cavaglià, stellvertretender Sprecher des LIGO-Projekts. Wissenschaftler müssen diese "Goldfische", "Geister", "seltsamen Seeungeheuer" und andere fremde Schwingungsphänomene aufspüren und ihre Quelle herausfinden, um sie zu beseitigen. Ein schwieriger Fall sei während der Testphase aufgetreten, sagte LIGO-Forscherin Jessica McIver, die solche Fremdsignale und Interferenzen untersucht. Unter den Daten tauchte oft eine Reihe von periodischem Rauschen mit einer einzigen Frequenz auf. Als sie und ihre Kollegen die Vibrationen der Spiegel in Audiodateien umwandelten, „wurde das Klingeln des Telefons deutlich hörbar“, sagte McIver. "Es stellte sich heraus, dass es die Kommunikationswerber waren, die im Laserraum telefonierten."

In den nächsten zwei Jahren werden Wissenschaftler die Empfindlichkeit der Detektoren des modernisierten Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory LIGO weiter verbessern. Und in Italien wird ein drittes Interferometer namens Advanced Virgo in Betrieb gehen. Eine Antwort, die die Ergebnisse geben werden, ist, wie schwarze Löcher entstehen. Sind sie das Produkt des Kollapses der frühesten massereichen Sterne oder das Ergebnis von Kollisionen innerhalb dichter Sternhaufen? „Das sind nur zwei Vermutungen, ich glaube, wenn sich die Lage beruhigt, kommen noch mehr“, sagt Weiss. Während LIGO im Laufe seiner bevorstehenden Arbeit damit beginnt, neue Statistiken zu sammeln, werden Wissenschaftler anfangen, Geschichten über den Ursprung von Schwarzen Löchern zu hören, die ihnen aus dem Weltraum zugeflüstert werden.

Seiner Form und Größe nach zu urteilen, trat das erste, lauteste Pulssignal 1,3 Milliarden Lichtjahre von dem Ort entfernt auf, an dem nach einer Ewigkeit des langsamen Tanzes unter dem Einfluss gegenseitiger Anziehungskraft zwei Schwarze Löcher mit jeweils etwa 30-facher Masse entstanden Sonne, endlich zusammengeführt. Die schwarzen Löcher kreisten immer schneller wie ein Strudel und näherten sich allmählich. Dann gab es eine Verschmelzung, und im Handumdrehen setzten sie Gravitationswellen mit einer Energie frei, die mit der Energie von drei Sonnen vergleichbar ist. Diese Fusion war das mächtigste Energiephänomen, das jemals aufgezeichnet wurde.

„Es ist, als hätten wir den Ozean noch nie in einem Sturm gesehen“, sagte Thorne. Auf diesen Sturm in der Raumzeit wartet er seit den 1960er Jahren. Das Gefühl, das Thorn in dem Moment hatte, als diese Wellen hereinrollten, könne man nicht als Aufregung bezeichnen, sagt er. Es war etwas anderes: ein Gefühl tiefer Befriedigung.

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Gestern wurde die Welt von einer Sensation erschüttert: Wissenschaftler haben endlich Gravitationswellen entdeckt, deren Existenz Einstein vor hundert Jahren vorhersagte. Das ist ein Durchbruch. Die Verzerrung der Raumzeit (das sind Gravitationswellen – jetzt werden wir erklären, was was ist) wurde am LIGO-Observatorium entdeckt, und einer ihrer Gründer ist – wer würden Sie denken? - Kip Thorne, Autor des Buches.

Wir erzählen, warum die Entdeckung von Gravitationswellen so wichtig ist, was Mark Zuckerberg sagte und natürlich teilen wir die Geschichte aus der ersten Person. Kip Thorne weiß wie kein anderer, wie das Projekt funktioniert, was es außergewöhnlich macht und welche Bedeutung LIGO für die Menschheit hat. Ja, ja, alles ist so ernst.

Entdeckung von Gravitationswellen

Der 11. Februar 2016 wird der Wissenschaftswelt für immer in Erinnerung bleiben. An diesem Tag gaben die Teilnehmer des LIGO-Projekts bekannt: Nach so vielen vergeblichen Versuchen wurden Gravitationswellen gefunden. Das ist die Realität. Tatsächlich wurden sie etwas früher entdeckt: im September 2015, aber gestern wurde die Entdeckung offiziell anerkannt. Der Guardian glaubt, dass Wissenschaftler mit Sicherheit den Nobelpreis für Physik erhalten werden.

Die Ursache von Gravitationswellen ist die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die bereits passiert ist ... eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Stellen Sie sich vor, wie riesig unser Universum ist! Da Schwarze Löcher sehr massive Körper sind, kräuseln sie sich durch die Raumzeit und verzerren sie ein wenig. So entstehen Wellen, ähnlich denen, die sich von einem ins Wasser geworfenen Stein ausbreiten.

So kann man sich Gravitationswellen vorstellen, die zum Beispiel aus einem Wurmloch auf die Erde kommen. Zeichnung aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Die dabei entstehenden Schwingungen wurden in Schall umgewandelt. Interessanterweise hat das Signal von Gravitationswellen etwa die gleiche Frequenz wie unsere Sprache. So können wir mit eigenen Ohren hören, wie Schwarze Löcher kollidieren. Hören Sie, wie Gravitationswellen klingen.

Und weisst du was? In jüngerer Zeit sind Schwarze Löcher anders angeordnet als bisher angenommen. Aber schließlich gab es überhaupt keine Beweise dafür, dass sie im Prinzip existierten. Und jetzt gibt es sie. Schwarze Löcher "leben" wirklich im Universum.

Laut Wissenschaftlern sieht eine Katastrophe also aus wie - eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern, -.

Am 11. Februar fand eine grandiose Konferenz statt, die mehr als tausend Wissenschaftler aus 15 Ländern zusammenbrachte. Auch russische Wissenschaftler waren anwesend. Und natürlich nicht ohne Kip Thorne. „Diese Entdeckung ist der Beginn einer erstaunlichen, großartigen Suche nach Menschen: die Suche und Erforschung der gekrümmten Seite des Universums – Objekte und Phänomene, die aus einer verzerrten Raumzeit geschaffen wurden. Die Kollision von Schwarzen Löchern und Gravitationswellen sind unsere ersten bemerkenswerten Proben“, sagte Kip Thorne.

Die Suche nach Gravitationswellen war eines der Hauptprobleme der Physik. Jetzt sind sie gefunden. Und Einsteins Genie wird erneut bestätigt.

Im Oktober interviewten wir Sergei Popov, einen russischen Astrophysiker und bekannten Popularisierer der Wissenschaft. Er sah ins Wasser! Herbst: „Mir scheint, dass wir jetzt kurz vor neuen Entdeckungen stehen, was hauptsächlich auf die Arbeit der Gravitationswellendetektoren LIGO und VIRGO zurückzuführen ist (Kip Thorne hat gerade einen großen Beitrag zur Schaffung des LIGO-Projekts geleistet). ” Erstaunlich, oder?

Gravitationswellen, Wellendetektoren und LIGO

Nun, jetzt zu etwas Physik. Für diejenigen, die wirklich verstehen wollen, was Gravitationswellen sind. Hier künstlerisches Bild die Tendexlinien zweier Schwarzer Löcher, die sich gegen den Uhrzeigersinn umkreisen und dann kollidieren. Tendex-Linien erzeugen Gezeitengravitation. Mach weiter. Die Linien, die von den zwei am weitesten entfernten Punkten auf den Oberflächen zweier schwarzer Löcher ausgehen, dehnen alles auf ihrem Weg aus, einschließlich des Freundes des Künstlers, der in die Zeichnung geraten ist. Die Linien, die aus dem Kollisionsbereich kommen, komprimieren alles.

Während sich die Löcher umeinander drehen, folgen sie ihren Tendexlinien, die wie Wasserstrahlen aus einem sich drehenden Rasensprenger sind. Abgebildet aus dem Buch Interstellar. Die Wissenschaft hinter den Kulissen ist ein Paar schwarzer Löcher, die kollidieren und sich gegen den Uhrzeigersinn umeinander drehen, und ihre Tendexlinien.

Schwarze Löcher verschmelzen zu einem großen Loch; Es wird verformt und dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, wobei es die Sehnenlinien mit sich zieht. Ein stationärer Beobachter, der weit entfernt vom Loch ist, wird die Vibrationen spüren, wenn die Sehnenlinien durch sie hindurchgehen: dehnen, dann quetschen, dann strecken – die Sehnenlinien werden zu einer Gravitationswelle. Während sich die Wellen ausbreiten, nimmt die Verformung des Schwarzen Lochs allmählich ab und auch die Wellen werden schwächer.

Wenn diese Wellen die Erde erreichen, haben sie die oben in der Abbildung unten gezeigte Form. Sie dehnen sich in eine Richtung und stauchen sich in die andere. Die Dehnungen und Quetschungen schwanken (von rot rechts-links über blau rechts-links bis rot rechts-links usw.), wenn die Wellen den Detektor unten in der Abbildung passieren.

Gravitationswellen passieren den LIGO-Detektor.

Der Detektor besteht aus vier großen Spiegeln (40 Kilogramm, 34 Zentimeter Durchmesser), die an den Enden zweier senkrecht stehender Röhren, den sogenannten Detektorarmen, befestigt sind. Tendexlinien von Gravitationswellen dehnen eine Schulter, während sie die zweite komprimieren, und dann im Gegenteil die erste komprimieren und die zweite dehnen. Und so immer wieder. Durch periodisches Ändern der Länge der Arme bewegen sich die Spiegel relativ zueinander, und diese Verschiebungen werden mithilfe von Laserstrahlen auf eine als Interferometrie bezeichnete Weise verfolgt. Daher der Name LIGO: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory.

Das LIGO-Kontrollzentrum, von wo aus sie Befehle an den Detektor senden und die empfangenen Signale überwachen. Die Gravitationsdetektoren von LIGO befinden sich in Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana. Foto aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Jetzt ist LIGO ein internationales Projekt mit 900 Wissenschaftlern aus verschiedene Länder, mit Hauptsitz am California Institute of Technology.

Die verdrehte Seite des Universums

Schwarze Löcher, Wurmlöcher, Singularitäten, Gravitationsanomalien und Messungen Auftrag von oben verbunden mit der Krümmung von Raum und Zeit. Deshalb nennt Kip Thorne sie die „gekrümmte Seite des Universums“. Die Menschheit hat immer noch sehr wenige experimentelle und Beobachtungsdaten von der gekrümmten Seite des Universums. Aus diesem Grund widmen wir Gravitationswellen so viel Aufmerksamkeit: Sie bestehen aus gekrümmtem Raum und bieten uns die zugänglichste Möglichkeit, die gekrümmte Seite zu erkunden.

Stellen Sie sich vor, Sie müssten das Meer nur sehen, wenn es ruhig ist. Sie wüssten nichts von Strömungen, Strudeln und Sturmwellen. Dies erinnert an unser heutiges Wissen über die Krümmung von Raum und Zeit.

Wir wissen fast nichts darüber, wie sich verzerrter Raum und verzerrte Zeit "in einem Sturm" verhalten - wenn die Form des Raums heftig schwankt und wenn die Geschwindigkeit des Zeitflusses schwankt. Dies ist eine ungewöhnlich verlockende Grenze des Wissens. Der Wissenschaftler John Wheeler prägte für diese Veränderungen den Begriff „Geometrodynamik“.

Von besonderem Interesse im Bereich der Geometrodynamik ist die Kollision zweier Schwarzer Löcher.

Kollision zweier nicht rotierender schwarzer Löcher. Modell aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Die obige Abbildung zeigt den Moment, in dem zwei Schwarze Löcher kollidieren. Gerade ein solches Ereignis ermöglichte es Wissenschaftlern, Gravitationswellen aufzuzeichnen. Dieses Modell ist für nicht rotierende Schwarze Löcher gebaut. Oben: Bahnen und Schatten von Löchern, von unserem Universum aus gesehen. Mitte: gekrümmter Raum und Zeit, vom Strahl aus gesehen (hochdimensionaler Hyperraum); Die Pfeile zeigen, wie der Raum in Bewegung versetzt wird, und die wechselnden Farben zeigen, wie die Zeit gebogen wird. Unten: Die Form der ausgesendeten Gravitationswellen.

Gravitationswellen vom Urknall

Wort an Kip Thorne. „1975 machte Leonid Grischuk, mein guter Freund aus Russland, eine sensationelle Aussage. Er sagte, dass im Moment des Urknalls viele Gravitationswellen entstanden, und der Mechanismus für ihr Auftreten (bisher unbekannt) war folgender: Quantenfluktuationen (zufällige Schwankungen - Hrsg.) Die Gravitationsfelder beim Urknall wurden durch die anfängliche Expansion des Universums stark verstärkt und wurden so zu den ursprünglichen Gravitationswellen. Diese Wellen können uns, wenn sie nachgewiesen werden können, sagen, was im Moment der Geburt unseres Universums geschah.“

Wenn Wissenschaftler die ursprünglichen Gravitationswellen finden, wissen wir, wie das Universum begann.

Die Menschen haben alle Mysterien des Universums weit enträtselt. Immer noch voraus.

In den folgenden Jahren, als sich unser Verständnis des Urknalls verbesserte, wurde klar, dass diese anfänglichen Wellen bei Wellenlängen stark sein müssen, die der Größe des sichtbaren Universums entsprechen, dh bei Längen von Milliarden von Lichtjahren. Können Sie sich vorstellen, wie viel es ist?.. Und bei Wellenlängen, die LIGO-Detektoren abdecken (Hunderte und Tausende von Kilometern), sind die Wellen wahrscheinlich zu schwach, um sie zu erkennen.

Jamie Bocks Team baute den BICEP2-Apparat, der eine Spur ursprünglicher Gravitationswellen fand. Das Nordpolschiff wird hier während der Dämmerung gezeigt, die dort nur zweimal im Jahr auftritt.

BICEP2-Gerät. Bild aus dem Buch „Interstellar. Wissenschaft hinter den Kulissen“

Es ist von Schilden umgeben, die das Schiff vor der Strahlung der umgebenden Eisdecke schützen. Rechts obere Ecke zeigt die im Relikt gefundene Strahlungsspur - das Polarisationsmuster. Elektrische Feldlinien werden entlang kurzer Lichtstriche gelenkt.

Spur des Anfangs des Universums

In den frühen 1990er Jahren erkannten Kosmologen, dass diese Milliarden Lichtjahre langen Gravitationswellen eine einzigartige Spur hinterlassen haben müssen Elektromagnetische Wellen Füllen des Universums - im sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund oder Reliktstrahlung. Damit begann die Suche nach dem Heiligen Gral. Denn wenn man diese Spur findet und daraus die Eigenschaften der ursprünglichen Gravitationswellen ableitet, kann man herausfinden, wie das Universum entstanden ist.

Im März 2014, als Kip Thorne dieses Buch schrieb, fand das Team von Jamie Bok, einem Caltech-Kosmologen, dessen Büro neben dem von Thorne liegt, schließlich diese Spur im CMB.

Das ist eine absolut erstaunliche Entdeckung, aber es gibt einen umstrittenen Punkt: Die von Jamies Team gefundene Spur könnte nicht durch Gravitationswellen verursacht worden sein, sondern durch etwas anderes.

Wenn tatsächlich eine Spur von Gravitationswellen vom Urknall gefunden wird, dann hat es eine kosmologische Entdeckung einer Ebene gegeben, die vielleicht einmal alle 50 Jahre vorkommt. Es gibt die Möglichkeit, die Ereignisse zu berühren, die eine Billionstel von einer Billionstel von einer Billionstel Sekunde nach der Geburt des Universums stattgefunden haben.

Diese Entdeckung bestätigt Theorien, dass die Expansion des Universums in diesem Moment extrem schnell war, im Jargon der Kosmologen - inflationäre Geschwindigkeit. Und kündigt den Beginn einer neuen Ära in der Kosmologie an.

Gravitationswellen und Interstellar

Gestern, auf einer Konferenz über die Entdeckung von Gravitationswellen, stellte Valery Mitrofanov, Leiter der Moskauer Kollaboration von Wissenschaftlern LIGO, zu der 8 Wissenschaftler der Moskauer Staatsuniversität gehören, fest, dass die Handlung des Films Interstellar zwar fantastisch, aber nicht so weit entfernt ist Wirklichkeit. Und das alles, weil der wissenschaftliche Berater Kip Thorne war. Thorne selbst äußerte die Hoffnung, dass er an zukünftige bemannte Flüge zu einem Schwarzen Loch glaubt. Lass sie nicht so schnell geschehen, wie wir möchten, und doch ist es heute viel realer als zuvor.

Der Tag ist nicht mehr fern, an dem die Menschen die Grenzen unserer Galaxie verlassen werden.

Das Ereignis erschütterte die Gedanken von Millionen von Menschen. Der berüchtigte Mark Zuckerberg schrieb: „Der Nachweis von Gravitationswellen ist das Beste große Entdeckung in der modernen Wissenschaft. Albert Einstein ist einer meiner Helden, deshalb bin ich der Entdeckung so nahe gekommen. Vor einem Jahrhundert sagte er im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) die Existenz von Gravitationswellen voraus. Aber sie sind so klein, um entdeckt zu werden, dass sie an den Ursprüngen von Ereignissen wie dem Urknall, Sternexplosionen und Kollisionen mit Schwarzen Löchern gesucht werden. Wenn Wissenschaftler die erhaltenen Daten analysieren, werden wir ein perfektes Ergebnis sehen Ein neues Aussehen zum Weltraum. Und vielleicht wird dies Aufschluss über den Ursprung des Universums, die Geburt und Entwicklung von Schwarzen Löchern geben. Es ist sehr inspirierend, darüber nachzudenken, wie viele Leben und Anstrengungen in die Aufdeckung dieses Mysteriums des Universums geflossen sind. Dieser Durchbruch wurde möglich dank des Talents brillanter Wissenschaftler und Ingenieure, Menschen verschiedene Nationalitäten, sowie die neuesten Computertechnologien, die erst kürzlich erschienen sind. Herzlichen Glückwunsch an alle Beteiligten. Einstein wäre stolz auf dich."

So ist die Rede. Und das ist ein Mann, der sich einfach für Wissenschaft interessiert. Man kann sich vorstellen, was für ein Sturm der Emotionen über die Wissenschaftler fegte, die zu der Entdeckung beigetragen haben. Es scheint, als würden wir Zeugen einer neuen Ära, Freunde. Es ist wunderbar.

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Am Donnerstag, den 11. Februar, gab eine Gruppe von Wissenschaftlern des internationalen Projekts LIGO Scientific Collaboration bekannt, dass sie erfolgreich waren, dessen Existenz bereits 1916 von Albert Einstein vorhergesagt wurde. Nach Angaben der Forscher zeichneten sie am 14. September 2015 eine Gravitationswelle auf, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher mit einer Masse von 29 und 36 Sonnenmassen verursacht wurde, wonach sie zu einem großen Schwarzen Loch verschmolzen . Ihren Angaben zufolge geschah dies angeblich vor 1,3 Milliarden Jahren in einer Entfernung von 410 Megaparsec von unserer Galaxie.

LIGA.net sprach ausführlich über Gravitationswellen und eine groß angelegte Entdeckung Bohdan Hnatyk, ukrainischer Wissenschaftler, Astrophysiker, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, leitender Forscher des Kiewer Astronomischen Observatoriums Nationaluniversität benannt nach Taras Shevchenko, der das Observatorium von 2001 bis 2004 leitete.

Theorie im Klartext

Die Physik untersucht die Wechselwirkung zwischen Körpern. Es wurde festgestellt, dass es vier Arten der Wechselwirkung zwischen Körpern gibt: elektromagnetische, starke und schwache nukleare Wechselwirkung und gravitative Wechselwirkung, die wir alle spüren. Aufgrund der Gravitationswechselwirkung kreisen die Planeten um die Sonne, die Körper haben Gewicht und fallen zu Boden. Der Mensch ist ständig mit gravitativer Wechselwirkung konfrontiert.

1916, vor 100 Jahren, baute Albert Einstein eine Gravitationstheorie auf, die Newtons Gravitationstheorie verbesserte, mathematisch korrekt machte: Sie begann, alle Anforderungen der Physik zu erfüllen, begann, die Tatsache zu berücksichtigen, dass sich die Gravitation sehr hoch ausbreitet , aber endliche Geschwindigkeit. Dies ist zu Recht eine der ehrgeizigsten Errungenschaften Einsteins, da er eine Gravitationstheorie aufgestellt hat, die allen Phänomenen der Physik entspricht, die wir heute beobachten.

Diese Theorie legte auch die Existenz nahe Gravitationswellen. Die Grundlage dieser Vorhersage war, dass Gravitationswellen als Ergebnis der Gravitationswechselwirkung existieren, die aufgrund der Verschmelzung zweier massiver Körper auftritt.

Was ist eine gravitationswelle

Komplizierte Sprache dies ist die Anregung der Raum-Zeit-Metrik. „Nehmen wir an, der Weltraum hat eine gewisse Elastizität und Wellen können durch ihn laufen. Es ist, als würden wir einen Kieselstein ins Wasser werfen und Wellen davon streuen“, sagte der Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften zu LIGA.net.

Wissenschaftlern gelang es, experimentell nachzuweisen, dass eine solche Schwankung im Universum stattfand und eine Gravitationswelle in alle Richtungen lief. „Die astrophysikalische Methode war die erste, die das Phänomen einer solchen katastrophalen Entwicklung eines binären Systems aufzeichnete, wenn zwei Objekte zu einem verschmelzen und diese Verschmelzung zu einer sehr intensiven Freisetzung von Gravitationsenergie führt, die sich dann in Form von im Raum ausbreitet Gravitationswellen", erklärt der Wissenschaftler.

Wie es aussieht (Foto - EPA)

Diese Gravitationswellen sind sehr schwach und damit sie Raumzeit oszillieren, ist das Zusammenwirken sehr großer und massiver Körper notwendig, damit die Gravitationsfeldstärke am Entstehungsort groß ist. Aber trotz ihrer Schwäche wird der Beobachter nach einer gewissen Zeit (entspricht der Entfernung zur Wechselwirkung dividiert durch die Geschwindigkeit des Signals) diese Gravitationswelle registrieren.

Nehmen wir ein Beispiel: Fällt die Erde auf die Sonne, dann findet eine Gravitationswechselwirkung statt: Gravitationsenergie wird freigesetzt, eine kugelsymmetrische Gravitationswelle bildet sich und der Beobachter kann sie registrieren. „Hier trat ein ähnliches, aber aus Sicht der Astrophysik einzigartiges Phänomen auf: Zwei massive Körper – zwei Schwarze Löcher – kollidierten“, bemerkte Gnatyk.

Zurück zur Theorie

Ein Schwarzes Loch ist eine weitere Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass ein Körper, der eine riesige Masse hat, aber diese Masse in einem kleinen Volumen konzentriert ist, den Raum um ihn herum bis zu seiner Schließung erheblich verzerren kann. Das heißt, es wurde angenommen, dass, wenn eine kritische Konzentration der Masse dieses Körpers erreicht ist – so dass die Größe des Körpers kleiner als der sogenannte Gravitationsradius ist, sich der Raum um diesen Körper schließt und seine Topologie wird so sein, dass sich kein Signal von ihm außerhalb des geschlossenen Raums ausbreiten kann.

„Das heißt, ein Schwarzes Loch ist vereinfacht gesagt ein massives Objekt, das so schwer ist, dass es die Raumzeit um sich herum schließt“, sagt der Wissenschaftler.

Und wir können seiner Meinung nach irgendwelche Signale an dieses Objekt senden, aber er kann uns nicht senden. Das heißt, keine Signale können über das Schwarze Loch hinausgehen.

Ein Schwarzes Loch lebt nach den üblichen physikalischen Gesetzen, aber aufgrund der starken Schwerkraft kann kein einziger materieller Körper, nicht einmal ein Photon, diese kritische Oberfläche überschreiten. Schwarze Löcher entstehen während der Entwicklung gewöhnlicher Sterne, wenn der zentrale Kern zusammenbricht und ein Teil der Materie des Sterns kollabiert und sich in ein Schwarzes Loch verwandelt und der andere Teil des Sterns in Form einer Supernova-Hülle ausgestoßen wird und sich in verwandelt der sogenannte „Blitz“ einer Supernova.

Wie wir die Gravitationswelle gesehen haben

Nehmen wir ein Beispiel. Wenn wir zwei Schwimmer auf der Wasseroberfläche haben und das Wasser ruhig ist, ist der Abstand zwischen ihnen konstant. Wenn eine Welle kommt, verschiebt sie diese Schwimmer und der Abstand zwischen den Schwimmern ändert sich. Die Welle ist vorbei - und die Schwimmer kehren zu ihren vorherigen Positionen zurück und der Abstand zwischen ihnen wird wiederhergestellt.

Eine Gravitationswelle breitet sich auf ähnliche Weise in der Raumzeit aus: Sie staucht und dehnt die auf ihrem Weg angetroffenen Körper und Objekte. "Wenn ein bestimmtes Objekt auf dem Weg einer Welle angetroffen wird, verformt es sich entlang seiner Achsen und kehrt nach dem Passieren in seine vorherige Form zurück. Unter dem Einfluss einer Gravitationswelle werden alle Körper verformt, aber diese Verformungen sind sehr stark unbedeutend“, sagt Hnatyk.

Beim Durchgang der Welle, die von Wissenschaftlern aufgezeichnet wurde, änderte sich die relative Größe der Körper im Weltraum um einen Wert in der Größenordnung von 1 mal 10 hoch minus 21. Potenz. Wenn Sie beispielsweise ein Meterlineal nehmen, dann ist es um einen solchen Wert geschrumpft, dass es seiner Größe entspricht, multipliziert mit 10 auf minus 21 Grad. Dies ist eine sehr kleine Menge. Und das Problem war, dass Wissenschaftler lernen mussten, wie man diese Entfernung misst. Herkömmliche Methoden ergaben eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1 bis 10 hoch 9 einer Million, aber hier ist eine viel höhere Genauigkeit erforderlich. Dazu erstellt die sogenannten Gravitationsantennen (Detektoren von Gravitationswellen).

LIGO-Observatorium (Foto - EPA)

Die Antenne, die die Gravitationswellen aufzeichnete, ist so aufgebaut: Es gibt zwei etwa 4 Kilometer lange Röhren, die in Form des Buchstabens "L" angeordnet sind, aber mit gleichen Armen und im rechten Winkel. Wenn eine Gravitationswelle auf das System trifft, verformt sie die Flügel der Antenne, aber je nach Ausrichtung verformt sie den einen mehr und den anderen weniger. Und dann gibt es einen Gangunterschied, das Interferenzmuster des Signals ändert sich - es gibt eine insgesamt positive oder negative Amplitude.

„Das heißt, der Durchgang einer Gravitationswelle ähnelt einer Welle auf Wasser, die zwischen zwei Schwimmern hindurchgeht: Wenn wir den Abstand zwischen ihnen während und nach dem Durchgang der Welle messen würden, würden wir sehen, dass sich der Abstand ändern und dann werden würde das gleiche nochmal“, sagte Gnatyk.

Es misst auch die relative Abstandsänderung der beiden etwa 4 Kilometer langen Flügel des Interferometers. Und nur sehr präzise Technologien und Systeme können eine solche mikroskopische Verschiebung der Flügel messen, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird.

Am Rande des Universums: Woher kam die Welle?

Wissenschaftler haben das Signal mit zwei Detektoren aufgezeichnet, die sich in den Vereinigten Staaten in zwei Bundesstaaten befinden: Louisiana und Washington in einer Entfernung von etwa 3.000 Kilometern. Wissenschaftler konnten abschätzen, wo und aus welcher Entfernung dieses Signal kam. Schätzungen zufolge kam das Signal aus einer Entfernung von 410 Megaparsec. Ein Megaparsec ist die Entfernung, die das Licht in drei Millionen Jahren zurücklegt.

Um es sich einfacher vorzustellen: Die uns am nächsten gelegene aktive Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum ist Centaurus A, die vier Megaparsec von unserer entfernt ist, während der Andromeda-Nebel in einer Entfernung von 0,7 Megaparsec liegt. "Das heißt, die Entfernung, aus der das Gravitationswellensignal kam, ist so groß, dass das Signal etwa 1,3 Milliarden Jahre lang zur Erde ging. Dies sind kosmologische Entfernungen, die etwa 10% des Horizonts unseres Universums erreichen", sagte der Wissenschaftler.

In dieser Entfernung verschmolzen in einer fernen Galaxie zwei Schwarze Löcher. Diese Löcher waren einerseits relativ klein, andererseits deutet die große Stärke der Signalamplitude darauf hin, dass sie sehr schwer waren. Es wurde festgestellt, dass ihre Massen 36 bzw. 29 Sonnenmassen betrugen. Die Masse der Sonne ist, wie Sie wissen, ein Wert, der 2 mal 10 hoch 30 eines Kilogramms entspricht. Nach der Verschmelzung verschmolzen diese beiden Körper und nun hat sich an ihrer Stelle ein Schwarzes Loch gebildet, das eine Masse von 62 Sonnenmassen hat. Gleichzeitig spritzten ungefähr drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellenenergie heraus.

Wer hat die Entdeckung gemacht und wann

Wissenschaftlern des internationalen LIGO-Projekts ist es am 14. September 2015 gelungen, eine Gravitationswelle nachzuweisen. LIGO (Laserinterferometrie-Gravitations-Observatorium)- Das internationales Projekt, an der eine Reihe von Staaten teilnehmen, die einen gewissen finanziellen und wissenschaftlichen Beitrag geleistet haben, insbesondere die Vereinigten Staaten, Italien und Japan, die auf dem Gebiet dieser Studien weit fortgeschritten sind.

Die Professoren Rainer Weiss und Kip Thorne (Foto - EPA)

Das folgende Bild wurde aufgenommen: Es gab eine Verschiebung der Flügel des Gravitationsdetektors, als Folge des tatsächlichen Durchgangs einer Gravitationswelle durch unseren Planeten und durch diese Installation. Dies wurde damals nicht gemeldet, weil das Signal bearbeitet, "gereinigt", seine Amplitude gefunden und überprüft werden musste. Dies ist ein Standardverfahren: Von einer echten Entdeckung bis zur Meldung einer Entdeckung vergehen mehrere Monate, um einen gültigen Anspruch geltend zu machen. "Niemand will seinen Ruf ruinieren. Das sind alles geheime Daten, vor deren Veröffentlichung niemand davon wusste, es gab nur Gerüchte", sagte Hnatyk.

Geschichte

Gravitationswellen werden seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts untersucht. Während dieser Zeit wurden eine Reihe von Detektoren erstellt und eine Reihe von grundlegende Forschung. In den 80er Jahren baute der amerikanische Wissenschaftler Joseph Weber die erste Gravitationsantenne in Form eines mehrere Meter großen Aluminiumzylinders, der mit Piezosensoren ausgestattet war, die den Durchgang einer Gravitationswelle aufzeichnen sollten.

Die Empfindlichkeit dieses Instruments war millionenfach schlechter als bei aktuellen Detektoren. Und natürlich konnte er damals die Welle nicht wirklich fixieren, obwohl Weber auch sagte, dass er es getan hat: Die Presse schrieb darüber und es gab einen "Gravitationsboom" - die Welt begann sofort, Gravitationsantennen zu bauen. Weber ermutigte andere Wissenschaftler, Gravitationswellen zu untersuchen und ihre Experimente zu diesem Phänomen fortzusetzen, wodurch die Empfindlichkeit von Detektoren millionenfach gesteigert werden konnte.

Das eigentliche Phänomen der Gravitationswellen wurde jedoch im letzten Jahrhundert aufgezeichnet, als Wissenschaftler einen Doppelpulsar entdeckten. Es war eine indirekte Registrierung der Tatsache, dass Gravitationswellen existieren, bewiesen durch astronomische Beobachtungen. Der Pulsar wurde 1974 von Russell Hulse und Joseph Taylor bei Beobachtungen mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums entdeckt. Wissenschaftler wurden ausgezeichnet Nobelpreis 1993 "für die Entdeckung eines neuen Pulsartyps, der neue Möglichkeiten für das Studium der Gravitation eröffnet hat."

Forschung in der Welt und der Ukraine

In Italien steht ein ähnliches Projekt namens Virgo kurz vor dem Abschluss. Auch Japan beabsichtigt, in einem Jahr einen ähnlichen Detektor auf den Markt zu bringen, Indien bereitet ebenfalls ein solches Experiment vor. Das heißt, in vielen Teilen der Welt gibt es ähnliche Detektoren, aber sie haben diesen Empfindlichkeitsmodus noch nicht erreicht, sodass wir über die Fixierung von Gravitationswellen sprechen können.

„Offiziell ist die Ukraine kein Mitglied von LIGO und nimmt auch nicht an den italienischen und japanischen Projekten teil. Unter diesen grundlegenden Bereichen nimmt die Ukraine jetzt am LHC-Projekt (LHC – Large Hadron Collider) und am CERN teil“ (wir werden es offiziell tun erst nach Zahlung der Eintrittsgebühr Mitglied werden)", - Bogdan Gnatyk, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, gegenüber LIGA.net.

Ihm zufolge ist die Ukraine seit 2015 Vollmitglied der internationalen Kollaboration CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), die ein modernes Multi-Teleskop aufbaut TeV weiter Gammabereich (mit Photonenenergien bis 1014 eV). „Die Hauptquellen solcher Photonen sind genau die Nachbarschaften von supermassereichen Schwarzen Löchern, deren Gravitationsstrahlung erstmals vom LIGO-Detektor aufgezeichnet wurde. Daher die Öffnung neuer Fenster in der Astronomie – Gravitationswellen und Multi TeV neue elektromagnetische Feld verspricht uns noch viele weitere Entdeckungen in der Zukunft“, ergänzt der Wissenschaftler.

Wie geht es weiter und wie wird neues Wissen den Menschen helfen? Gelehrte widersprechen. Einige sagen, dass dies nur ein weiterer Schritt zum Verständnis der Mechanismen des Universums ist. Andere sehen dies als erste Schritte in Richtung neuer Technologien, um sich durch Zeit und Raum zu bewegen. Auf die eine oder andere Weise hat diese Entdeckung wieder einmal bewiesen, wie wenig wir verstehen und wie viel noch zu lernen ist.

Hundert Jahre nach der theoretischen Vorhersage, die Albert Einstein im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie gemacht hat, gelang es Wissenschaftlern, die Existenz von Gravitationswellen zu bestätigen. Die Ära einer grundlegend neuen Methode zur Erforschung des Weltraums beginnt – die Gravitationswellenastronomie.

Entdeckungen sind anders. Es gibt zufällige, in der Astronomie sind sie üblich. Es gibt keine völlig zufälligen, als Ergebnis sorgfältigen „Durchkämmens der Gegend“, wie die Entdeckung des Uranus durch William Herschel. Es gibt Serendipale - wenn sie das eine suchten, aber etwas anderes fanden: zum Beispiel entdeckten sie Amerika. Aber einen besonderen Platz in der Wissenschaft nehmen geplante Entdeckungen ein. Sie basieren auf einer klaren theoretischen Vorhersage. Das Vorausgesagte wird zunächst gesucht, um die Theorie zu bestätigen. Dazu gehören die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider und der Nachweis von Gravitationswellen mit dem laserinterferometrischen Gravitationswellen-Observatorium LIGO. Aber um ein von der Theorie vorhergesagtes Phänomen zu registrieren, muss man ziemlich genau verstehen, wonach genau und wo gesucht werden muss und welche Werkzeuge dafür benötigt werden.

Gravitationswellen werden traditionell als Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) bezeichnet, und das ist tatsächlich der Fall (obwohl es solche Wellen mittlerweile in allen Modellen gibt, die alternativ oder komplementär zu GR sind). Die Endlichkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitationswechselwirkung führt zum Auftreten von Wellen (in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist diese Geschwindigkeit genau gleich der Lichtgeschwindigkeit). Solche Wellen sind Störungen der Raumzeit, die sich von einer Quelle ausbreiten. Für die Entstehung von Gravitationswellen ist es aber notwendig, dass die Quelle pulsiert oder sich schnell bewegt in gewisser Weise. Nehmen wir an, Bewegungen mit perfekter Kugel- oder Zylindersymmetrie sind nicht geeignet. Es gibt viele solcher Quellen, aber oft haben sie eine kleine Masse, die nicht ausreicht, um ein starkes Signal zu erzeugen. Schließlich ist die Gravitation die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen, daher ist es sehr schwierig, ein Gravitationssignal zu registrieren. Außerdem ist es für die Registrierung erforderlich, dass sich das Signal zeitlich schnell ändert, also eine ausreichend hohe Frequenz aufweist. Andernfalls können wir es nicht registrieren, da die Änderungen zu langsam sind. Das bedeutet, dass die Objekte auch kompakt sein müssen.

Für große Begeisterung sorgten zunächst Supernova-Explosionen, die in Galaxien wie der unseren alle paar Jahrzehnte auftreten. Wenn Sie also eine Empfindlichkeit erreichen, die es Ihnen ermöglicht, ein Signal aus einer Entfernung von mehreren Millionen Lichtjahren zu sehen, können Sie mit mehreren Signalen pro Jahr rechnen. Später stellte sich jedoch heraus, dass die anfänglichen Schätzungen der Energiefreisetzung in Form von Gravitationswellen während einer Supernova-Explosion zu optimistisch waren und ein so schwaches Signal nur registriert werden könnte, wenn eine Supernova in unserer Galaxie ausbricht.

Eine weitere Variante massiver, kompakter Objekte, die sich schnell bewegen, sind Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Wir können entweder den Prozess ihrer Bildung oder den Prozess der Interaktion miteinander sehen. Die letzten Stadien des Zusammenbruchs von Sternkernen, die zur Bildung kompakter Objekte führen, sowie die letzten Stadien der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern haben eine Dauer in der Größenordnung von mehreren Millisekunden (was einer Frequenz von Hunderte von Hertz) - genau das, was wir brauchen. In diesem Fall wird viel Energie freigesetzt, auch (und manchmal hauptsächlich) in Form von Gravitationswellen, da massive kompakte Körper bestimmte schnelle Bewegungen ausführen. Das sind unsere idealen Quellen.

Richtig, Supernovae flammen in der Galaxie alle paar Jahrzehnte auf, Verschmelzungen von Neutronensternen finden alle paar Zehntausende von Jahren statt und Schwarze Löcher verschmelzen noch seltener miteinander. Aber das Signal ist viel stärker und seine Eigenschaften können ziemlich genau berechnet werden. Aber jetzt müssen wir lernen, das Signal aus einer Entfernung von mehreren hundert Millionen Lichtjahren zu sehen, um mehrere zehntausend Galaxien abzudecken und mehrere Signale in einem Jahr zu erfassen.

Nachdem wir uns für die Quellen entschieden haben, beginnen wir mit dem Entwurf des Detektors. Dazu müssen Sie verstehen, was eine Gravitationswelle tut. Ohne ins Detail zu gehen, können wir sagen, dass der Durchgang einer Gravitationswelle eine Gezeitenkraft verursacht (gewöhnliche Mond- oder Sonnenfluten sind ein separates Phänomen, und Gravitationswellen haben nichts damit zu tun). So kann man zum Beispiel einen Metallzylinder nehmen, ihn mit Sensoren ausstatten und seine Schwingungen untersuchen. Dies ist nicht schwierig, daher wurden solche Installationen vor einem halben Jahrhundert im Baksan-Untergrundlabor installiert (sie befinden sich auch in Russland, jetzt ein verbesserter Detektor, der vom Team von Valentin Rudenko von der SAI MSU entwickelt wurde). Das Problem ist, dass ein solches Gerät das Signal ohne Gravitationswellen sehen wird. Es gibt viele Geräusche, die schwer zu bewältigen sind. Es ist möglich (und es wurde getan!), den Detektor unterirdisch zu installieren, zu versuchen, ihn zu isolieren, ihn auf niedrige Temperaturen zu kühlen, aber um den Rauschpegel zu übertreffen, ist dennoch ein sehr starkes Gravitationswellensignal erforderlich. Und starke Signale sind selten.

Daher entschied man sich für ein anderes Schema, das 1962 von Vladislav Pustovoit und Mikhail Gertsenshtein vorgeschlagen wurde. In einem im ZhETF (Journal of Experimental and theoretische Physik) schlugen sie vor, Gravitationswellen mit einem Michelson-Interferometer zu registrieren. Der Laserstrahl verläuft zwischen den Spiegeln in den beiden Armen des Interferometers, dann werden die Strahlen verschiedener Arme addiert. Durch die Analyse des Ergebnisses der Interferenz von Strahlen ist es möglich, die relative Änderung der Armlänge zu messen. Dies sind sehr genaue Messungen. Wenn Sie also das Rauschen unterdrücken, können Sie eine fantastische Empfindlichkeit erreichen.

In den frühen 1990er Jahren wurde beschlossen, mehrere Detektoren nach diesem Schema zu bauen. Relativ kleine Anlagen, GEO600 in Europa und TAMA300 in Japan (die Zahlen entsprechen der Länge der Arme in Metern) sollten zunächst in Betrieb genommen werden, um die Technologie zu testen. Aber die Hauptakteure sollten LIGO in den USA und VIRGO in Europa sein. Die Größe dieser Geräte wird bereits in Kilometern gemessen, und die endgültig geplante Empfindlichkeit sollte es ermöglichen, Dutzende, wenn nicht Hunderte von Ereignissen pro Jahr zu sehen.

Warum werden mehrere Geräte benötigt? In erster Linie zur Kreuzvalidierung, da lokale Geräusche (z. B. Erdbeben) vorhanden sind. Die gleichzeitige Registrierung eines Signals im Nordwesten der USA und in Italien wäre ein ausgezeichneter Beweis für seinen externen Ursprung. Aber es gibt noch einen zweiten Grund: Gravitationswellendetektoren bestimmen die Richtung zur Quelle sehr schlecht. Aber wenn es mehrere beabstandete Detektoren gibt, wird es möglich sein, die Richtung ziemlich genau anzuzeigen.

Laser-Giganten

In seiner ursprünglichen Form wurden LIGO-Detektoren im Jahr 2002 und VIRGO im Jahr 2003 gebaut. Laut Plan war dies nur die erste Etappe. Alle Anlagen arbeiteten mehrere Jahre und wurden 2010-2011 zur Revision gestoppt, um dann die geplante hohe Empfindlichkeit zu erreichen. LIGO-Detektoren waren die ersten, die im September 2015 ihre Arbeit aufgenommen haben, VIRGO sollte in der zweiten Hälfte des Jahres 2016 hinzukommen, und ab dieser Phase lässt uns die Empfindlichkeit hoffen, mindestens mehrere Ereignisse pro Jahr zu registrieren.

Nach dem Start von LIGO lag die erwartete Burstrate bei etwa einem Ereignis pro Monat. Astrophysiker haben im Voraus geschätzt, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern die ersten erwarteten Ereignisse sein sollten. Dies liegt daran, dass Schwarze Löcher normalerweise zehnmal schwerer als Neutronensterne sind, das Signal stärker ist und aus großer Entfernung „gesehen“ wird, was die langsamere Ereignisrate pro Galaxie mehr als ausgleicht. Zum Glück mussten wir nicht lange warten. Am 14. September 2015 registrierten beide Installationen ein nahezu identisches Signal mit dem Namen GW150914.

Mit einer ziemlich einfachen Analyse können Daten wie Massen von Schwarzen Löchern, Signalstärke und Entfernung zur Quelle erhalten werden. Die Masse und Größe von Schwarzen Löchern hängen sehr einfach und gut zusammen. in gewisser Weise, und die Größe des Bereichs der Energiefreisetzung kann sofort aus der Signalfrequenz abgeschätzt werden. In diesem Fall deutete die Größe darauf hin, dass zwei Löcher mit einer Masse von 25–30 und 35–40 Sonnenmassen ein Schwarzes Loch mit einer Masse von mehr als 60 Sonnenmassen bildeten. Wenn man diese Daten kennt, kann man auch die gesamte Stoßenergie erhalten. Fast drei Sonnenmassen sind in Gravitationsstrahlung übergegangen. Das entspricht der Leuchtkraft von 1023 Lichtstärken der Sonne – etwa so viel, wie in dieser Zeit (Hundertstelsekunde) alle Sterne im sichtbaren Teil des Universums strahlen. Und aus der bekannten Energie und der Größe des gemessenen Signals wird die Entfernung erhalten. Eine große Masse verschmolzener Körper ermöglichte es, ein Ereignis zu registrieren, das sich in einer fernen Galaxie ereignete: Das Signal ging etwa 1,3 Milliarden Jahre lang zu uns.

Eine detailliertere Analyse ermöglicht es uns, das Massenverhältnis von Schwarzen Löchern zu verfeinern und zu verstehen, wie sie sich um ihre Achse drehten, sowie einige andere Parameter zu bestimmen. Außerdem ermöglicht das Signal von zwei Anlagen, die Richtung des Bursts ungefähr zu bestimmen. Leider ist die Genauigkeit hier bisher noch nicht sehr hoch, wird aber mit der Inbetriebnahme der aktualisierten VIRGO steigen. Und in einigen Jahren wird der japanische KAGRA-Detektor beginnen, Signale zu empfangen. Dann wird einer der LIGO-Detektoren (ursprünglich waren es drei, eine der Installationen war doppelt) in Indien montiert, und es wird erwartet, dass dann viele Dutzend Ereignisse pro Jahr aufgezeichnet werden.

Das Zeitalter der neuen Astronomie

Das derzeit wichtigste Ergebnis der Arbeiten von LIGO ist der Nachweis der Existenz von Gravitationswellen. Darüber hinaus ermöglichte bereits der erste Burst, die Beschränkungen der Masse des Gravitons (in der Allgemeinen Relativitätstheorie hat es Nullmasse) zu verbessern, sowie den Unterschied zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation und der Geschwindigkeit der Gravitation stärker einzuschränken hell. Wissenschaftler hoffen jedoch, dass sie bereits 2016 mit Hilfe von LIGO und VIRGO viele neue astrophysikalische Daten erhalten können.

Erstens sind die Daten von Gravitationswellen-Observatorien neuer Kanal das Studium der Schwarzen Löcher. Wenn es früher nur möglich war, die Materieströme in der Nähe dieser Objekte zu beobachten, können Sie jetzt direkt den Prozess der Verschmelzung und "Beruhigung" des sich bildenden Schwarzen Lochs "sehen", wie sein Horizont schwankt und seine endgültige Form annimmt (bestimmt durch Rotation). Bis zur Entdeckung von Hawkings Verdampfung von Schwarzen Löchern (bisher bleibt dieser Prozess eine Hypothese) wird die Untersuchung von Verschmelzungen wahrscheinlich die besten direkten Informationen über sie liefern.

Zweitens werden Beobachtungen von Neutronensternverschmelzungen viele neue, dringend benötigte Informationen über diese Objekte liefern. Zum ersten Mal werden wir Neutronensterne so untersuchen können, wie Physiker Teilchen untersuchen: Beobachten Sie ihre Kollisionen, um zu verstehen, wie sie im Inneren funktionieren. Das Rätsel um die Struktur des Inneren von Neutronensternen begeistert sowohl Astrophysiker als auch Physiker. Unser Verständnis der Kernphysik und des Verhaltens von Materie bei ultrahoher Dichte ist unvollständig, ohne dieses Problem zu lösen. Wahrscheinlich werden Gravitationswellenbeobachtungen hier eine Schlüsselrolle spielen.

Es wird angenommen, dass Verschmelzungen von Neutronensternen für kurze kosmologische Gammastrahlenausbrüche verantwortlich sind. In seltenen Fällen wird es möglich sein, ein Ereignis gleichzeitig sowohl im Gammabereich als auch auf Gravitationswellendetektoren zu beobachten (die Seltenheit liegt daran, dass erstens das Gammasignal in einem sehr schmalen Strahl konzentriert wird, und dies nicht der Fall ist immer auf uns gerichtet, aber zweitens werden wir keine Gravitationswellen von sehr weit entfernten Ereignissen registrieren). Anscheinend wird es mehrere Jahre an Beobachtungen dauern, um dies zu sehen (obwohl Sie wie üblich Glück haben können und es jetzt passieren wird). Dann können wir unter anderem die Schweregeschwindigkeit sehr genau mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichen.

Somit werden Laserinterferometer als ein einziges Gravitationswellenteleskop zusammenarbeiten und sowohl Astrophysikern als auch Physikern neue Erkenntnisse bringen. Nun, für die Entdeckung der ersten Explosionen und deren Analyse wird früher oder später der wohlverdiente Nobelpreis verliehen.

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