Bildnachweis: R. Hurt - Caltech / JPL.

Was ist die Zukunft der Gravitationswellenastronomie?

Was hält die Zukunft, nachdem LIGO zwei Paare verschmelzender Schwarzer Löcher gefunden hat?

"Wir werden nicht aufhören zu erforschen, und das Ende all unserer Erkundungen wird darin bestehen, dort anzukommen, wo wir begonnen haben, und den Ort zum ersten Mal zu kennen." -TS Eliot

Nach dem Einschalten im September 2015 haben die beiden Gravitationswellen-Observatorien des Laser-Interferometers - die LIGO-Detektoren in Hanford, WA und Livingston, LA - bei ihrem ersten Lauf nicht nur eine, sondern zwei endgültige Fusionen von Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern gleichzeitig entdeckt erreichte nur 30% der Empfindlichkeit, für die es entwickelt wurde. Diese beiden Ereignisse, eines von einem Schwarzen Loch mit 36 ​​und 29 Sonnenmassen, das am 14. September 2015 verschmolz, und eines von einem Schwarzen Loch mit 14 und 8 Sonnenmassen, das am 26. Dezember 2015 verschmolz, lieferten die ersten endgültigen direkten Entdeckungen des Gravitationswellenphänomene. Es ist an und für sich eine bemerkenswerte Tatsache, dass es ein ganzes Jahrhundert nach ihren Vorhersagen dauerte, bis die Technologie die Theorie einholte und sie tatsächlich einfing.

Das erste Gravitationswellenereignis, das jemals direkt erfasst wurde. Bildnachweis: Beobachtung von Gravitationswellen aus einer binären Schwarzlochfusion BP Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016).

Das Erkennen dieser Wellen ist jedoch erst der Anfang, da jetzt eine neue Ära in der Astronomie beginnt. Vor 101 Jahren stellte Einstein eine neue Gravitationstheorie auf: Allgemeine Relativitätstheorie. Anstatt dass sich entfernte Massen augenblicklich über das Universum anziehen, verformte das Vorhandensein von Materie und Energie das Gewebe der Raumzeit. Dieses völlig neue Bild der Schwerkraft brachte eine Reihe unerwarteter Konsequenzen mit sich, darunter Gravitationslinsen, ein expandierendes Universum, Gravitationszeitdilatation und - vielleicht am schwersten zu fassen - die Existenz einer neuen Art von Strahlung: Gravitationswellen. Wenn sich Massen relativ zueinander durch den Raum bewegen oder beschleunigen, bewirkt die Reaktion des Raums selbst, dass sich das Gewebe selbst kräuselt. Diese Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum, und wenn sie nach einer Reise durch das Universum durch unsere Detektoren laufen, können wir diese Störungen als Gravitationswellen erkennen.

Die Raumzeit in unserer Nachbarschaft, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen leicht gestört werden kann. Bildnachweis: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Am einfachsten zu erkennen sind die Dinge, die die größten Signale aussenden:

  • große Massen,
  • mit kleinen Abständen zwischen ihnen,
  • schnell umkreisen,
  • wo die Orbitalveränderungen schwerwiegend und signifikant sind.

Dies bedeutet, dass kollabierte Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne die Hauptkandidaten sind. Wir müssen auch die Frequenz berücksichtigen, mit der wir diese Objekte erfassen können, die ungefähr gleich der Weglänge des Detektors (die Armlänge multipliziert mit der Anzahl der Reflexionen) geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit ist.

Eine vereinfachte Darstellung des Laserinterferometersystems von LIGO. Bildnachweis: LIGO-Zusammenarbeit.

Für LIGO mit seinen 4 km langen Armen mit tausend Lichtreflexionen vor der Erzeugung des Interferenzmusters können Objekte mit Frequenzen im Millisekundenbereich gesehen werden. Dies beinhaltet das Zusammenwachsen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen in der Endphase einer Fusion sowie exotische Ereignisse wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne, die einen großen Teil der Materie absorbieren und ein „Beben“ erleiden, um sphärischer zu werden. Eine stark asymmetrische Supernova könnte auch eine Gravitationswelle erzeugen; Es ist unwahrscheinlich, dass ein Kernkollapsereignis nachweisbare Gravitationswellen erzeugt, aber vielleicht könnte es in der Nähe verschmelzende weiße Zwergsterne tun!

Bildnachweis: Bohn et al. 2015, SXS-Team, über zwei verschmelzende Schwarze Löcher und wie sie das Erscheinungsbild der Hintergrundraumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie verändern.

Wir haben bereits Fusionen von Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern gesehen, und da sich LIGO weiter verbessert, können wir davon ausgehen, dass wir in den nächsten Jahren die ersten Bevölkerungsschätzungen für Schwarze Löcher mit Sternmasse (von einigen auf vielleicht 100 Sonnenmassen) vornehmen werden. LIGO ist auch sehr gespannt darauf, Neutronenstern-Neutronenstern-Fusionen zu finden. Wenn die vorgesehene Sensitivität erreicht ist, werden möglicherweise bis zu drei oder vier dieser Ereignisse pro Monat angezeigt, wenn unsere Schätzungen der Fusionsraten und der Sensitivität von LIGO korrekt sind. Dies könnte uns den Ursprung von kurzperiodischen Gammastrahlenausbrüchen lehren, bei denen der Verdacht besteht, dass sie Neutronensterne verschmelzen, dies wurde jedoch nie bestätigt.

Abbildung eines Sternbebens auf der Oberfläche eines Neutronensterns, eine Ursache für einen pulsaren „Fehler“. Bildnachweis: NASA.

Asymmetrische Supernovae und exotische Neutronensternbeben machen Spaß, wenn auch seltene Phänomene, aber es ist aufregend, diese auf eine neue Art und Weise zu untersuchen. Die größten neuen Fortschritte werden jedoch erzielt, wenn mehr Detektoren gebaut werden. Wenn der VIRGO-Detektor in Italien online geht, wird es endlich möglich sein, eine echte Positionstriangulation durchzuführen: um genau zu lokalisieren, wo im Weltraum diese Gravitationswellenereignisse entstehen, können erstmals optische Folgemessungen durchgeführt werden. Mit zusätzlichen neuen Gravitationswelleninterferometern, die in Japan und Indien gebaut werden sollen, soll sich unsere Abdeckung des Gravitationswellenhimmels in den nächsten Jahren rasch verbessern.

Künstlerische Darstellung von eLISA. Bildnachweis: AEI / MM / Exozet.

Die größten Fortschritte werden jedoch darin bestehen, unsere Ambitionen für Gravitationswellen in den Weltraum zu tragen. Im Weltraum sind Sie nicht durch seismisches Rauschen, rumpelnde Lastwagen oder Plattentektonik eingeschränkt. Sie haben das ruhige Vakuum des Weltraums als Hintergrund. Sie sind nicht durch die Krümmung der Erde begrenzt, wie lange Sie die Arme Ihres Gravitationswellenobservatoriums bauen können. Sie können es in die Umlaufbahn hinter der Erde oder sogar in die Umlaufbahn um die Sonne bringen! Anstelle von Millisekunden können wir Objekte mit Zeiträumen von Sekunden, Tagen, Wochen oder sogar länger messen. Wir werden in der Lage sein, die Gravitationswellen von supermassiven Schwarzen Löchern zu erfassen, einschließlich von einigen der größten bekannten Objekte im gesamten Universum.

Bildnachweis: Ramon Naves vom Observatorio Montcabrer, über http://cometas.sytes.net/blazar/blazar.html (main); Tuorla Observatory / University of Turku, über http://www.astro.utu.fi/news/080419.shtml (Einschub).

Und schließlich, wenn wir ein ausreichend großes, empfindlich genug Weltraumobservatorium bauen, können wir die übrig gebliebenen Gravitationswellen vor dem Urknall selbst sehen. Wir konnten die Gravitationsstörungen durch kosmische Inflation direkt erfassen und nicht nur unseren kosmischen Ursprung auf ganz neue Weise bestätigen, sondern gleichzeitig beweisen, dass die Gravitation selbst eine Quantenkraft in der Natur ist. Schließlich können diese inflationären Gravitationswellen nur erzeugt werden, wenn die Gravitation selbst ein Quantenfeld ist. Der Erfolg von LISA Pathfinder beweist mehr als, dass dies möglich ist. Alles was es braucht ist die richtige Investition.

Darstellung der Schwankungen der Dichte (Skalar) und der Gravitationswelle (Tensor), die sich aus dem Ende der Inflation ergeben. Bildnachweis: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, verwandt) - Gefördertes BICEP2-Programm.

Derzeit gibt es ein heiß umkämpftes Rennen darüber, was als Flaggschiff der NASA-Mission der 2030er Jahre ausgewählt wird. Obwohl viele Gruppen gute Missionen vorschlagen, ist der größte Traum ein weltraumgestütztes Gravitationswellenobservatorium im Orbit um die Sonne. Eine Reihe davon könnte unsere wildesten Gravitationswellenträume wahr werden lassen. Wir haben die Technologie; Wir haben das Konzept bewiesen. Wir wissen, dass die Wellen da sind. Die Zukunft der Gravitationswellenastronomie ist nur dadurch begrenzt, was uns das Universum selbst gibt und wie viel wir in sie investieren. Aber diese neue Ära ist bereits angebrochen. Die Frage ist nur, wie hell dieses neue Feld in der Astronomie sein wird. Und dieser Teil davon liegt ganz bei uns.

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