Bildnachweis: R. Hurt - Caltech / JPL.

Was ist die Zukunft der Gravitationswellenastronomie?

Wie sieht die Zukunft aus, nachdem LIGO zwei Paare von sich verschmelzenden Schwarzen Löchern gefunden hat?

"Wir werden nicht aufhören zu erforschen, und das Ende all unserer Erforschung wird sein, dort anzukommen, wo wir angefangen haben und den Ort zum ersten Mal zu kennen." Eliot

Nach dem Einschalten im September 2015 haben die beiden Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorien - die LIGO-Detektoren in Hanford, WA und Livingston, LA - beim ersten Durchlauf nicht nur eine, sondern zwei endgültige Schwarz-Schwarz-Loch-Fusionen gleichzeitig festgestellt erreichte nur 30% der Empfindlichkeit, für die es entworfen wurde. Diese beiden Ereignisse, eines von 36 und 29 Schwarzen Löchern mit Sonnenmasse, die am 14. September 2015 fusionierten, und eines von 14 und 8 Schwarzen Löchern mit Sonnenmasse, die am 26. Dezember 2015 fusionierten, lieferten die ersten endgültigen, direkten Nachweise des Gravitationswellenphänomene. Es ist eine bemerkenswerte Tatsache, dass es ein ganzes Jahrhundert gedauert hat, bis die Vorhersagen der Technologie der Theorie entsprachen und sie tatsächlich einfingen.

Das erste Gravitationswellenereignis, das jemals direkt erfasst wurde. Bildnachweis: Beobachtung von Gravitationswellen aus einer binären Schwarzlochfusion B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration und 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: die Allgemeine Relativitätstheorie. Anstatt entfernte Massen, die sich im gesamten Universum augenblicklich anziehen, deformierte die Gegenwart von Materie und Energie das Gefüge der Raumzeit. Dieses völlig neue Bild der Schwerkraft brachte eine Reihe unerwarteter Konsequenzen mit sich, darunter Gravitationslinsen, ein expandierendes Universum, die Ausdehnung der Gravitationszeit und - vielleicht am schlimmsten - die Existenz einer neuen Art von Strahlung: Gravitationswellen. Wenn sich Massen im Raum relativ zueinander bewegen oder beschleunigen, bewirkt die Reaktion des Raumes selbst, dass sich das Gewebe selbst kräuselt. Diese Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum. Wenn sie nach einer Reise durch das Universum unsere Detektoren passieren, 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. Diese entspricht in etwa der Weglänge des Detektors (die Armlänge multipliziert mit der Anzahl der Reflexionen) geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit.

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

Für LIGO kann es mit seinen 4 km langen Armen mit tausend Lichtreflexionen vor dem Erzeugen des Interferenzmusters Objekte mit Frequenzen im Millisekundenbereich sehen. Dies beinhaltet das Verschmelzen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Endstadium einer Fusion, zusammen mit exotischen Ereignissen wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen, die einen großen Teil der Materie absorbieren und sich einem „Beben“ unterziehen, um sphärischer zu werden. Eine stark asymmetrische Supernova könnte ebenfalls eine Gravitationswelle erzeugen. Es ist unwahrscheinlich, dass ein Kernkollaps-Ereignis nachweisbare Gravitationswellen hervorruft, aber in der Nähe verschmelzende weiße Zwergsterne könnten es vielleicht tun!

Bildnachweis: Bohn et al. 2015, SXS-Team, von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern und wie sie das Erscheinungsbild der Hintergrundraumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie verändern.

Wir haben bereits Fusionen zwischen Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern gesehen, und da sich LIGO weiter verbessert, können wir mit vernünftigen Erwartungen rechnen, dass in den nächsten Jahren die ersten Bevölkerungsschätzungen von Schwarzen Löchern mit Sternenmasse (von wenigen bis zu vielleicht 100 Sonnenmassen) durchgeführt werden. LIGO ist auch sehr gespannt darauf, Neutronenstern-Neutronenstern-Fusionen zu finden. Wenn die geplante Sensitivität erreicht ist, kann es sein, dass bis zu drei oder vier dieser Ereignisse pro Monat eintreten, wenn unsere Schätzungen der Fusionsraten und der Sensitivität von LIGO korrekt sind. Dies könnte uns die Entstehung von kurzzeitigen Gammastrahlenbursts 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 Pulsar-Störimpuls. 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, und damit erstmals optische Folgemessungen zu ermöglichen. 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 daraus resultieren, dass wir unsere Ambitionen für Gravitationswellen in den Weltraum tragen. Im Weltraum sind Sie nicht durch seismisches Rauschen, rumpelnde Lastwagen oder Plattentektonik eingeschränkt. Sie haben das stille Vakuum des Weltraums als Hintergrund. Sie sind nicht an die Krümmung der Erde gebunden, solange Sie die Arme Ihres Gravitationswellen-Observatoriums aufbauen 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 können die Gravitationswellen von supermassiven Schwarzen Löchern erfassen, einschließlich einiger der größten bekannten Objekte im gesamten Universum.

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

Und schließlich, wenn wir ein ausreichend großes und empfindliches Weltraumobservatorium bauen, können wir die verbleibenden Gravitationswellen von vor dem Urknall selbst sehen. Wir konnten die Gravitationsstörungen durch die kosmische Inflation direkt erkennen und unseren kosmischen Ursprung nicht nur auf völlig 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, verwandte) - Gefördertes BICEP2-Programm.

Derzeit gibt es ein heiß umkämpftes Rennen um die Auszeichnung als Flaggschiff der NASA-Mission der 2030er Jahre. Obwohl viele Gruppen gute Missionen vorschlagen, ist der größte Traum ein weltraumgestütztes Gravitationswellenobservatorium in der Umlaufbahn um die Sonne. Eine Reihe von diesen 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 durch das begrenzt, was uns das Universum selbst gibt und wie viel wir in es 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 liegt ganz bei uns.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!