Warum Gravitationswellen so berauschend sind

Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums, der größten Forschungseinrichtung für Large Hadron Collider des Landes. Er schreibt auch über Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seiner jüngsten "Der Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die deinen Verstand umhauen werden"(John Hopkins University Press, 2014). Sie können ihm folgen Facebook. Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigesteuert Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights.

Die Forschungsgemeinschaft der Gravitationswellen scheint eine bemerkenswerte Menge Glück zu haben.

Vor einigen Wochen haben zwei Forschungsteams, die nach den entsprechenden Gravitationswellendetektoren benannt wurden - die LIGO- und die Virgo-Kollaboration - ihre erste Ankündigung der gemeinsamen Erkennung dieser Wellen in der Raum-Zeit-Struktur veröffentlicht. Die Wellen wurden durch hochenergetische Zertrümmerungen erzeugt - in diesem Fall ein Paar schwarzer Löcher, die ineinander übergehen. Ein paar Tage später gab das Nobelpreiskomitee bekannt, dass es den Physik-Nobelpreis 2017 an ein Trio von Physikern für ihre Rollen vergeben hat, überhaupt Gravitationswellen zu entdecken.

Und heute (16. Oktober) haben die beiden Kollaborationen eine weitere spektakuläre Ankündigung gemacht. Am 17. August entdeckten sie Gravitationswellen in Verbindung mit einem fernen Lichtblitz, der von einer Schar von starken Teleskopen beobachtet wurde. Diesmal ging es um die Verschmelzung nicht von schwarzen Löchern, sondern um zwei Neutronensterne - extrem dichte Sternkörper. Genauer gesagt beobachteten die beiden LIGO-Detektoren in Louisiana und Washington diese Wellen - und Jungfrau, in der Nähe von Pisa, Italien, nicht. Dies bedeutet, dass das Ereignis in einem Virgo-toten Winkel stattfand, was dazu beitrug, den Standort der Fusion zu bestimmen. [Gravitationswellen von Neutronensternen: Die Entdeckung erklärt]

Weniger als 2 Sekunden nachdem LIGO die Gravitationswellen entdeckt hatte, erkundeten zwei umkreisende Satelliten die mächtigste Art der Explosion des Universums, die so genannte Gammastrahlung. Der Ausbruch stammt von NGC 4993, einer elliptischen Galaxie in etwa 130 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Hydra. Mit einer Reihe von Protokollen, die lange Zeit für solche Gravitationswellen-Detektionen eingesetzt wurden, benachrichtigten die Kollaborationsleiter von LIGO und Virgo die Mitglieder der astronomischen Gemeinschaft der Welt, die ihre Teleskope auf den südlichen Himmelsbereich drehten, von wo aus die Gammastrahlen und Gravitationswellen auftraten Wellen entstanden. Dort fanden Astronomen ein neues Licht am Himmel.

Die Beobachtung von sichtbarem Licht in Verbindung mit Gravitationswellen unterscheidet sich von früheren Beispielen dieser kosmischen Wellen und impliziert, dass ein anderer Mechanismus die Ursache war. Paare schwarzer Löcher verschmelzen unsichtbar, aber ein Paar ineinander stoßender Neutronensterne ist ein ganz anderes Tier. Ereignisse wie diese sind kataklysmisch, erhitzen Materie zu unergründlichen Temperaturen und strahlen Licht durch den Kosmos. [Die Top 10 größten Explosionen aller Zeiten]

Neutronensterne sind stellare Überreste, die auftreten, wenn große Sterne zur Supernova werden, wodurch ihre Kerne kollabieren. Wenn die Kerne kollabieren, werden die Protonen und Elektronen der Atome des Sterns zu Neutronen verschmolzen. Das Ergebnis ist im Wesentlichen ein Ball in Stadtgröße mit dicht gepackten Neutronen, aber mit einer Masse ähnlich der unserer eigenen Sonne. Neutronenstern Materie ist unglaublich dicht - so sehr, dass ein Fingerhut davon genauso viel wiegen würde wie ein kleiner Berg.

Ab einer bestimmten Grenzmasse können Neutronensterne nicht existieren, weil ihre Gravitation so groß wird, dass die Sterne in Schwarze Löcher kollabieren. Die genaue Masse, bei der dieser Kollaps auftritt, ist ungewiss, hängt aber sowohl von der Temperatur der Neutronensternmaterie als auch davon ab, wie schnell der Neutronenstern sich dreht.

Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, kann eines von zwei Dingen passieren. Wenn die zwei Sterne klein genug sind, wird das Ergebnis ein einzelner, größerer Neutronenstern sein. Wenn jedoch die kombinierte Masse der beiden Sterne über einer Schwelle liegt, verschwinden die Neutronensterne in einem einzigen schwarzen Loch. Die heute gemeldeten Daten können noch nicht bestimmen, was in diesem Fall passiert ist. Der Überrest ist entweder einer der schwersten jemals beobachteten Neutronensterne oder eines der leichtesten Schwarzen Löcher.

Während wir nicht sicher sein können, scheint es wahrscheinlicher, dass das Ergebnis ein schwarzes Loch ist. Das liegt daran, dass die Bildung eines Schwarzen Lochs oft von einem Ausbruch von Gammastrahlen begleitet wird. Wenn das Ergebnis ein größerer Neutronenstern ist, sollten die Trümmer der Kollision die Gammastrahlen einfangen, bevor sie austreten. Unter der Annahme, dass ein Gammastrahlenausbruch beobachtet wurde, wird die erste Option als wahrscheinlicher betrachtet. Aber es ist zu früh, um sicher zu sein, so oder so.

Was wissen wir über den heute gemeldeten Vorfall? In dem, was zweifellos zu einem überstrapazierten Witz wird, haben sich vor langer Zeit in einer weit entfernten Galaxie zwei Neutronensterne umkreist. Über die Äonen emittierten sie eine nicht wahrnehmbare Anzahl von Gravitationswellen, die Energie mit sich führten.

Albert Einstein hat die Existenz von Gravitationswellen 1916 als Folge seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt das Verhalten der Schwerkraft als die Krümmung von Raum und Zeit. Massive Objekte verzerren buchstäblich die Form des Kosmos. Und wenn sich diese Objekte bewegen, können sie im Raum Wellen erzeugen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, ähnlich wie Wellen, die entstehen, wenn Kiesel in einen Teich fallen. [8 Möglichkeiten, Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben zu sehen]

Als die umkreisenden Neutronensterne Energie aus der Gravitationsstrahlung verloren, nahm der Radius ihrer Umlaufbahn ab und beschleunigte sich. In den letzten Augenblicken, bevor sich die beiden Sterne vermischten, bewegten sie sich mit Lichtgeschwindigkeit. Da Neutronensterne eine geringere Masse und eine größere Größe haben als schwarze Löcher, waren sie weiter voneinander entfernt als in zuvor beobachteten Zusammenschlüssen von Schwarzen Löchern.Dies bedeutet, dass die emittierten Gravitationswellen viel kleiner sind als bei früheren Ankündigungen ähnlicher Ereignisse. Deshalb sind unsere Gravitationswellendetektoren nur empfindlich gegenüber Neutronen-Stern-Kollisionen, die viel näher an der Erde liegen. Außerdem haben die Gravitationswellen unterschiedliche Eigenschaften. Wenn sich zwei Neutronensterne vereinigen, können die detektierbaren Gravitationswellen für etwa eine Minute andauern. Im Gegensatz dazu dauerte die beobachtete Verschmelzung von Schwarzen Löchern nur einen Bruchteil einer Sekunde.

Die Gravitationswellen wanderten durch den Kosmos, bis sie das Sonnensystem durchquerten. Drei Detektoren auf der Erde - zwei in den USA (LIGO) und einer in Italien (Virgo) - beobachteten die subtile Dehnung und Verdichtung des Weltraums, während die Gravitationswellen vorbeizogen. Jeder Detektor hat die Form eines L, wobei jedes Bein ungefähr 3,2 Kilometer lang ist. Mit Hilfe von Lasern und Spiegeln kann dieses Gerät Veränderungen erkennen, die viel kleiner als ein Proton in der Länge jedes L - Beines sind. Die Empfindlichkeit entspricht der Messung der Entfernung von hier zu Alpha Centauri und in der Lage, Änderungen so klein wie die Dicke von zu sehen ein menschliches Haar.

Da die Gravitationswellen emittiert wurden, waren es auch Gammastrahlen. Sie reisten auch die 130 Millionen Lichtjahre zwischen NGC 4993 und Erde und wurden von den NASA Fermi und ESA INTEGRAL Satelliten beobachtet.

Eine Gruppe von Teleskopen in Chile war glücklicherweise in der Lage, zu den ersten zu gehören, die eine neue, helle Quelle sahen, die es vorher nicht gab. Zum Beispiel zeigte das Blanco-Teleskop die Identität des Ortes der Fusion, obwohl mehrere andere Einrichtungen gleichzeitige Beobachtungen machten. Sobald der Standort festgelegt war, konnten sich weitere Teleskope anschließen, darunter das Hubble-Weltraumteleskop der NASA und das Chandra-Röntgenobservatorium. Diese Beobachtungen fanden in den nächsten zwei Wochen weltweit statt.

Also, welchen Nutzen hat diese Beobachtung? Nun, wir sind jetzt in eine neue Ära der Astronomie eingetreten. Forscher sind nicht länger auf das elektromagnetische Spektrum beschränkt, wenn sie den Himmel nach spektakulären kosmischen Ereignissen durchsuchen; Sie können jetzt Gravitationsbeobachtungen zu der Mischung hinzufügen.

Genauer gesagt bestätigt diese Messung eindeutig, dass Neutronen-Stern-Verschmelzungen eine Ursache für Gammastrahlenausbrüche sind. Dies wurde lange vermutet, aber die gleichzeitige Beobachtung von Gammastrahlen und Gravitationswellen macht es möglich.

Das Verschmelzen von Neutronensternen ist auch eine Quelle der schwersten chemischen Elemente auf der Erde. Diese neue Beobachtung wird beleuchten, wie dies geschieht. Bereits Messungen dieses Ereignisses bestätigten, dass Gold, Uran und Platin erzeugt wurden. Möglicherweise ist das Gold Ihres oder Ihres Eherings aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne vor Milliarden von Jahren entstanden.

Eine grundlegende Frage, die beantwortet werden kann, ist die Geschwindigkeit der Gravitationswellen. Lange Zeit wurde angenommen, dass es sich um die Lichtgeschwindigkeit handelt. Eine erste Messung im Jahr 2003, als Jupiter vor einem entfernten Quasar vorbeifuhr, bestätigte, dass Licht und Schwerkraft mit der gleichen Geschwindigkeit flogen - obwohl die Messung nicht sehr präzise war. Die heutige Messung ist jedoch atemberaubend. Nach einer Reise von 130 Millionen Lichtjahren erreichten Gammastrahlen mit Lichtgeschwindigkeit und Gravitationswellen, die sich mit der Schwerkraft bewegen, die Erde innerhalb von 1,7 Sekunden, wobei die Gravitationswellen zuerst ankamen. Dies ist eine schlüssige Messung der Erdbeschleunigung.

Während die heutige Messung eine aufregende ist, ist es wichtig sich daran zu erinnern, dass es nur eine einzige Beobachtung ist. Noch spannender ist die Tatsache, dass die Astronomen gerade damit begonnen haben, diese Fähigkeit zu nutzen. Gravitationswellendetektoren fangen gerade an, uns über einige der gewalttätigsten Ereignisse im Universum zu berichten. Ich weiß noch nicht, welche Geschichte sie uns erzählen werden, aber es wird faszinierend sein.

Lassen Sie Ihren Kommentar