Home |
Wir über uns |
Aktuelles |
Termine |
So finden Sie uns |
Galerie |
Beobachtung/Praxis |
Ausrüstung/Technik |
Kontakt/Impressum |
Links |
Partner-Seiten |
Einstein hatte Recht - Gravitationswellen erstmals entdeckt Bei einer Pressekonferenz des LSC (LIGO Scientific Collaboration) [1] im National Press Club [1] in Washington D.C., (Abb. 1) wurde am 11. Februar der erste Nachweis von Gravitationswellen[1, 2] bekanntgegeben.
Abb. 1a Ankündigung der Pressekonferenz des NSF am 11. Februar.
Die Teilnehmer waren Wissenschaftler des CalTech [1], MIT [1] und des LSC (Abb. 1b):
Abb. 1b Teilnehmer der Pressekonferenz am 11. Februar.
1. Die Pressekonferenz In ihrer kurzen Einführung betonte France Córdova, die Gravitationswellen- "Sehr geehrte Damen und Herren, wir haben Gravitationswellen gemessen." Reitze vergleicht die Entdeckung mit dem Entschluss Galileo Galileos [1], sein Teleskop [1] in den Himmel zu richteten und systematisch zu beobachteten. Die Messung von Gravitationswellen am LIGO erfolgte am 14. September 2015. Das Signal wurde an beiden Standorten von LIGO gemessen. Es stammt von einem "gravitativen Läuten", der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Die Objekte befinden sich in einer Entfernung von rund 1,3 Milliarden Lichtjahren [1]. Am 14. September des letzten Jahres habe man ein sehr spezielles und für bestimmte Ereignisse charakteristisches Signal gemessen; es entspreche exakt der Vorhersage zweier kollidierender Schwarzer Löcher, die aufeinander zu spiralen und schliesslich verschmelzen. Eine anschliessende genaue Überprüfung der Messdaten habe ergeben, dass es sich um ein reales Signal, eine Gravitationswelle, handelt. Ein entsprechendes Video [4] zeigt 2 Schwarze Löcher mit jeweils einer Masse von rund 30 Sonnenmassen, die sich umkreisen, sich immer näher kommen und anschliessend verschmelzen (Abb. 2). Die nächsten Abbildungen zeigen Ausschnitte aus diesem Video:
Abb. 2 Die Annäherung und anschliessende Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Wenn zwei Schwarze Löcher im Wege ihrer Verschmelzung "sterben", entsteht ein neues Schwarzes Loch. Ein weiteres Video [4] zeigt die dabei freiwerdende Gravitationsstrahlung bzw. Gravitationswellen (grün), aus dem wir die wichtigsten Szenen zeigen (Abb. 3):
Abb. 3 Die Gravitationsstrahlung zweier sich umkreisender und anschliessend verschmelzender Schwarzer Löcher.
Die grünen "Zonen" entsprechen der Gravitationswellenstrahlung, diese kann man sich aus geometrischer Sicht anschaulich wie in der nächsten Abbildung (Abb. 3a) vorstellen:
Abb. 3a Geometrische Veranschaulichung der Gravitationsstrahlung.
Die bei der Verschmelzung der Schwarzen Löcher entstehende Gravitations-
Abb. 4 Die Ausbreitung der Gravitationsstrahlung um das
Abb. 5 Die Ausbreitung der Gravitationsstrahlung um das
Das gezeigte Videomaterial basiert auf realen Computersimulationen von Lösungen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) [1]. Damit habe man die Existenz Schwarzer Löcher im Universum bewiesen. Jedes der beiden Schwarzen Löcher (in der Simulation) besitze einen Durchmesser* von 150 Kilometern und eine Masse von 30 Sonnenmassen. Die Gravitationswellenstrahlung des Ereignisses erreichte am 14. September die Erde und brachte sie leicht ins "Wanken". Es sei das erste Mal, dass das Universum mit uns auf dem Weg der Gravitationsstrahlung kommuniziert habe, so Reitze. Dabei sei die Raumzeit um weniger als einem Tausendstel Protonendurchmesser verrückt worden. Reitze hofft, dass wir in der Zukunft neben derartigen Ereignissen wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen neue, unerwartete Dinge im Universum wahrnehmen werden. Anschliessend berichtet Gabriela González von der fantastischen Entdeckung und präsentiert die Signale der beiden Stationen des LIGO vom 14. September 2015 (Abb. 6):
Abb. 6 Das Signal am 14. September 2015 an den beiden Standorten des Ligo. Das Signal vom 14. September 2015 wurde an beiden Standorten des LIGO (Livingston und Hanfort [1]) gemessen (Abb. 7). Dabei traf es wegen der Laufzeitverzögerung [1] an einem der beiden Standorte wenig später ein; die Differenz von 0,007 Sekunden entspreche exakt der Einsteinschen Vorhersage.
Abb. 7 Das Signal am 14. September 2015 an den beiden Standorten des Ligo.
Die Frequenz des gemessenen Signals ist ein Indikator für die Masse der beiden Schwarzen Löcher; mithilfe von Simulationen kann man die Messung wie folgt interpretieren: Die Massen der Schwarzen Löcher betragen 29 bzw. 36 Sonnenmassen [1]. Die Masse des neuen Schwarzen Loches konnte zu Mithilfe der Amplitude des Signals kann die Entfernung der Schwarzen Löcher bestimmt werden: sie befinden sich 1,36 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Als das Ereignis stattfand, existierte auf unserem Planeten noch kein Leben. Die folgende Animation (Abb. 7) zeigt das Eintreffen der Gravitationswellen an den beiden Standorten von LIGO. Dabei gleicht das Auftauchen des Signals zuerst einem Rauschen, danach einem "Zwitschern" - wie wir es von einem Vogel kennen. Ein entsprechendes Video finden Sie unter [5].
Abb. 7 Animation des Signals am 14. September.
Der gemessene Frequenzbereich des Ereignisses befindet sich im Bereich des menschlichen Ohres: wir können sozusagen die Gravitationsstrahlung dieser Verschmelzung hören [5]. Die beiden Schwarzen Löcher befinden sich am südlichen Sternenhimmel, in Richtung der Magelhanschen Wolken (s. Fernão de Magalhães) [1] (Abb. 8):
Abb. 8 Himmelsausschnitt der wahrscheinlichen Position des Gravitationswellenereignisses vom 14.09.2016.
Die Forscher hoffen, dass das geplante Gravitationswellen-Netzwerk bis Ende des Jahres um ein weiteres Interferometer erweitert werden kann; in den nächsten Jahren sollen Interferometer in Japan und Indien dazukommen. Wir befänden uns erst am Beginn der Erforschung des Universums mithilfe von Gravitationswellen, so González, "wir beginnen das Universum zu hören". Rainer Weiss, Gründer des LIGO, berichtet anschliessend über die Technik am LIGO. Durch das genaue Timing [1] von Laserlicht sei es möglich, Gravitationswellen mithilfe von 2 Spiegeln aufzuspüren (Abb. 9). Dabei könne man selbst kleinste Bewegungen (Streckung und Kompression) der von den Laserstrahlen zurückgelegten Wege messen. Der Umlenkspiegel wiegt rund
Abb. 9 Schematischer Aufbau des LIGO-Interferometers.
Die Verbiegung des Raumes durch die von Einstein vorhergesagte enorme Gravitationswirkung beschleunigter grosser Massen verdeutlicht Weiss mit dem Auseinanderzeihen bzw. Zusammenquetschen eines flexiblen Gitters (Abb. 10):
Abb. 10 Rainer Weiss demonstriert die Verbiegung des Raumes.
Am Ende präsentiert Kip Thorne einen Überblick über die Ereignisse: er habe im Bereich der Schwarzen Löcher und der vorhergesagten Gravitationsstrahlung stets die Vision gehabt, man könne Gravitationswellen irgendwann aufspüren. In seinem Buch Black Holes and Warped Spacetime [1] habe er ein ähnliches Szenario - wie es nun gemessen wurde - beschrieben. Daher habe er sich schon sehr früh für die Verwirklichung von LIGO engagiert und sei überwältigt, dass man nach mehr als 50 Jahren der Suche die Einsteins Vorhersage habe bestätigen können. Vor rund 35 Jahren hätten das CalTech und das MIT eine Vorstufe von LIGO gegründet. Bisher habe man im Universum lediglich Ereignisse sehen können, bei denen die die Objekte umgebende Raumzeit leicht verbogen sei, vergleichbar mit einem Ozean an einem windstillen Tag. Niemals zuvor habe man den Ozean in einem Sturm und zusammen mit Wellenbrechern gesehen. Die nun beobachteten Schwarzen Löcher bewirkten eine enorme Verbiegung der Raumzeit: die Form des sie umgebenden Raumes wurde stark verbogen. Thorne präsentiert ein Video, das sozusagen "von oben" - aus einer weiteren Dimension - auf das Geschehen, das Verschmelzen der Schwarzen Löcher, blickt: Die folgenden Abbildungen (Abb. 11) berichten von der zeitlichen Abfolge [in Sekunden] des Ereignisses, der Simulation des gemessenen Ereignisses: Negative Zeitangaben entsprechen dem Verhalten vor der Verschmelzung der Objekte, positive nach der Bildung des neuen Schwarzen Lochs. Im unteren Teil der Abbildungen ist die dazugehörige Position des gemessenen Signals blau markiert. In den Abbildungen blickt man auf die 3-dimensionale Darstellung der beiden Schwarzen Löcher: sie machen sich durch Vertiefungen der Raumzeit bemerkbar machen. Je gelber bzw. röter die Färbung der Raumzeit dargestellt wird, desto stärker ist ihre Krümmung.
Abb. 11 Simulation der Verschmelzung der Schwarzen Löcher bis zur
Thorne weist darauf hin, dass Schwarze Löcher nicht die einzigen Quellen von Gravitationswellen sind. Man erhoffe sich in der Zukunft die Messung ebenso bei Neutronensternen, Supernovae und möglicherweise sog. Kosmischen Strings [1] (Abb. 12).
Abb. 12 Mögliche weitere astronomische Quellen der Gravitationswellen.
Gravitationswellen sind ein neues Fenster ins Universum. Sicherlich werden uns die Gravitationswellen einige grosse Überraschungen liefern. LIGO sei nur der Beginn der Gravitationswellenastronomie. "Wir begannen mit einem Traum, heute erleben wir einen grossen Triumph", so Thorne. Am Ende der Pressekonferenz weist France Córdova nochmals auf den sehr speziellen, einen historischen Moment, dieses Tages hin. Nun sähe man das Universum mit ganz neuen Augen und auf eine ganz andere Art und Weise. Córdova erwähnt auch die Beiträge aus Grossbritannien und Deutschland sowie Australien: diesen Ländern seien wichtige Beiträge zur Arbeit von LIGO zu verdanken, ihre Rolle sei bedeutend. 2. Die Diskussion
Was dachten Sie als sie das Signal zum ersten Mal gesehen haben? Als das Signal empfangen wurde, befand sich LIGO im sog. engineering test [1]; zu diesem Zeitpunkt arbeitete LIGO völlig normal. Daher waren wir zuversichtlich, dass es sich um ein reales Ereignis handelt. Sämtliche Tests ergaben, dass es sich um kein blindes Signal handelt. Ein Geschenk der Natur! Das Signal hätte LIGO vor dem Upgrade [2] nicht "sehen" können, es wäre nicht deutlich genug gewesen. Das Upgrade brachte eine enorme Verbesserung der Empfindlichkeit für die Messung von Signalen.
Wird es Messungen von Gravitationswellen im Weltraum geben? Im Jahr 2011 sei das Projekt LISA [1] aufgrund von (finanziellen) Problemen von der NASA [1] gestoppt worden. Im Dezember 2015 wurde das Projekt LISA Pathfinder [1] als technologischer Test in den Weltraum befördert.
Das Signal befand sich für 0,2 Sekunden oberhalb des Rausch-Niveaus von LIGO. Wir konnten nur die letzte Phase der Verschmelzung beider Schwarzer Löcher sehen. Das gesamte Signal dauerte wesentlich länger. Wir haben den Beweis für zwei Schwarze Löcher und deren Verschmelzung gemessen. Dieses Ereignis wurde von keinem anderen irdischen Detektor gemessen. Die Messung widerspricht keiner gültigen physikalischen Theorie. Es handelt sich erst um den 1. Run nach dem Upgrade von LIGO. Detektoren mit einer höheren Empfindlichkeit werden sicherlich weitere Schwarze Löcher finden. Kommentar in Richtung von Thorne: "Wir warten auf Interstellar 2".
Die Wellenform berichtet über einen "wilden Sturm der Raumzeit", der sich exakt so verhält wie es Einstein und die Simulationen der entsprechenden Gleichungen vorhersagen. Das Signal beinhaltet Information über die Entfernung, die Vorgängersterne und das Endstadium des Ereignisses.
Wahrscheinlich bringt es uns dem Verständnis der Physik näher, insbesondere wie sich die Dynamik der Raumzeit verhält, wenn sie hochgradig verbogen ist und sich die beteiligten Objekte mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. In Bezug auf Zeitreisen besitzt das Signal keinerlei Bedeutung.
Thorne: Bei dem Vergleich der Form der Gravitationswellen mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie würde man eine leichte Verbiegung der Gravitationswellenform bemerken, falls die Raumzeit eine von Null verschiedene Restmasse [1] besäße. Weiss: Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie wurden bereits in schwachen Gravitationsfeldern sowie dem Doppel-Pulsar [1] getestet; die Messung stellt einen Test der Gleichungen in einem starken Gravitationsfeld dar. Einsteins Theorie scheint dort zu funktionieren, das ist erstaunlich.
Das japanische Interferometer CAGRO [1] besitzt zwar nur eine Länge von 3 Kilometern, jedoch wird es eine modernere Technologie als LIGO besitzen, zudem eine verbesserte Kühlung. Die Nutzung von drei Interferometern wird eine Triangulation [1] zur besseren Positions- _________________________________ Teil III: Die wissenschaftliche Veröffentlichung im Detail
Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu
Ihre
* Der Durchmesser eines Schwarzen Loches entspricht dem doppelten Schwarzschildradius [1].
Quellenangaben: [1] Mehr Information über astronomische Begriffe [2] http://ig-hutzi-spechtler.eu/aktuelles__gravitationswellen_entdeckt.html [3] Reitze verkündet die Entdeckung von Gravitationswellen [4] Video zur Erklärung der Beobachtung am LIGO [5] Animation/Video des LIGO-Signals vom 14.09.2015
|
|