Erste Erkennung von Gravitationswellen und warum ist es wichtig?

Die über 100-jährige Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, die sich seit mehr als 40 Jahren experimenteller Versuche der Bestätigung entzogen hat, wurde endgültig bestätigt. Gravitationswellensignal Zum ersten Mal wurde ein binäres Black-Hole-Merger-Ereignis erkannt. Am 14. September 2015 entdeckte das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) eine winzige Verformung des Weltraums in den Armen des Interferometers, die durch eine Gravitationswelle aus einem Zusammenschluss zweier schwarzer Löcher verursacht wurde. Das Wellensignal GW150914 wurde mit einer statistischen Signifikanz von mehr als 5,1 Sigma bestätigt - genug, um absolut sicher zu sein, dass es sich um eine echte Detektion handelt, die auch den Gründer von LIGO Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip S. Thorne den Nobelpreis bescherte 2017. Die Beobachtungen lieferten nicht nur Einzelheiten darüber, wie zwei Schwarze Löcher in ein Loch übergehen, sondern sie haben einen neuen Weg eröffnet, um astronomische Ereignisse zu detektieren, die keine elektromagnetische Strahlung aussenden, und haben ein völlig neues Instrument für astrophysikalische Studien eingeführt.

Albert Einstein zeigte in seiner allgemeinen Relativitätstheorie, dass ein massives Objekt, wenn es beschleunigt, Wellen in der Raumzeit erzeugt, die sich vom Objekt weg ausbreiten und Energie in Form einer Welle, nämlich der Gravitationswelle, transportieren. Während des Fusionsereignisses beschleunigten sich zwei massive Schwarze Löcher, die ineinander geraten und Gravitationswellen erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt war die von den schwarzen Löchern abgestrahlte Gravitationswellenleistung mehr als zehnmal größer als die kombinierte Leuchtstärke (d. H. Die Lichtleistung) jedes Sterns im beobachtbaren Universum. Das LIGO-Observatorium hat diese Wellen an zwei Standorten in Livingston, Louisiana und Hanford, Washington, mit zwei Interferometern von jeweils 4 km Länge detektiert. Innerhalb der Interferometer gibt es Laserstrahlen, die kohärent sind und die Längen der Arme der Interferometer ständig verfolgen. Als die Gravitationswellen die Interferometer durchliefen, verlängerte sich die Biegung des Raumes und verkürzte die Längen der Arme, die von in ihnen laufenden Laserstrahlen verfolgt wurden. Die Differenz der Längen führte zu einer Phasenverschiebung zwischen den Laserstrahlen und erzeugte in jedem der Tausende von Kilometern entfernten Interferometer das gleiche Interferenzmuster.

Nobelpreisträger für Physik 2017: Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip S. ThorneEines der beiden Interferometer bei Hansford. (Kredit: Caltech / MIT / LIGO Lab)
Wie waren sich die Physiker über die Gravitationswellen so sicher?

Die gesammelten Daten wurden dann mit einer umfangreichen Reihe vorberechneter theoretischer Wellenformen verglichen. Dies wird als Matched-Filterung bezeichnet. Bei dieser Analyse wurden drei verschiedene Phasen des Zusammenführungsereignisses betrachtet. In-Spirale, die tatsächliche Fusion und das Rufsignal nach der Fusion. Das vorhergesagte theoretische Signal für diese drei Stufen wurde an die gesammelten Daten der beobachteten Gravitationswellen angepasst. Eine der Eigenschaften dieser Gravitationswellen ist ihre Dehnungsamplitude und sie ist proportional zu der Längendifferenz der Interferometer, wenn die Wellen sie passieren. Dieser Unterschied ist so gering, dass er etwa 1/10 000 der Breite eines Protons entspricht. Die Amplitude könnte durch die Umgebungsgeräusche und die Instrumentengeräusche überwältigt werden. Eine Reihe statistischer Untersuchungen wurde durchgeführt, um die Gültigkeit der Signale zu belegen. Die Analyse zeigte, dass zur Beobachtung einer zufälligen Rauschschwankung, die ein Signal erzeugt, das so stark ist wie das Ereignis GW150914, etwa 200.000 Jahre warten musste.

Die Entdeckung der binären schwarzen Verschmelzung und die erste Erfassung der Gravitationswellen haben ein neues Fenster für die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften astrophysikalischer Ereignisse im Universum geöffnet. Seit der ersten Ankündigung des Nachweises von Gravitationswellen Anfang 2016 waren die Gravitationswellen mehr als 3000 Studien (Stand: März 2019) in verschiedenen Bereichen der Astronomie. Bislang wurden zehn Gravitationswellenereignisse festgestellt. Im April 2019 startet das LIGO-Observatorium zusammen mit dem VIRGO-Observatorium in Italien einen neuen Beobachtungslauf nach einer umfassenden Aufrüstung der Ausrüstung. Es wird erwartet, dass im kommenden Jahr Dutzende neuer Gravitationsfusionsereignisse erwartet werden.