Warum wurden die von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen erst hundert Jahre später entdeckt?

Der Traum der Archäologen ist es, den Klang von Li Bais Gesängen aufzuzeichnen, der Traum der Paläontologen ist es, das Brüllen der Dinosaurier aufzuzeichnen. Ihre Träume sind zu schwierig. Nur Astronomen haben Glück. Sie „hören“ den „Klang“ supermassereicher Sterne und sogar früher kosmischer Aktivitäten vor Milliarden von Jahren – Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.

Gravitationswellen sind Wellen im Raum selbst . Unsere Welt besteht aus zwei Teilen: Einer ist Materie, und der andere ist der Raum, in dem die Materie existiert (einschließlich der Zeit, die Physiker auch „Raumzeit“ nennen).

Der Weltraum scheint sehr stabil zu sein. Wenn Sie ein Lineal zur Hand nehmen, ist es egal, ob Sie sich in Peking oder New York befinden oder ob Sie nach links oder rechts, nach vorne oder hinten, nach oben oder unten schauen: Ein Meter ist genau so lang und es gibt keine Veränderung.

Aber die Relativitätstheorie sagt uns, dass der Raum „gekrümmt“ ist. Darüber hinaus sagten Einstein und der Mathematiker Poincaré voraus, dass sich die Krümmung des Raums in vielen Fällen wie Wellen ausbreiten kann: Das gesamte Universum ist wie ein See, und (bestimmte) Bewegungen der Himmelskörper verursachen die Ausbreitung aller Arten von Wellen auf dem See – Gravitationswellen.

Wissenschaftler zeichneten die Grafik der Gravitationswellen auf und spielten die Wellenform ab, als wäre es eine Schallwelle. Auf diese Weise „hörten“ sie den Klang des Universums. Dies ist möglicherweise der älteste Laut, den sich der Mensch vorstellen kann. Er ist Hunderte Millionen oder sogar Dutzende Milliarden Jahre alt.

Gravitationswellen haben unterschiedliche Frequenzen. Gravitationswellen mit niedriger Frequenz entstehen im Allgemeinen durch die Rotation und Präzession supermassereicher Schwarzer Löcher, könnten aber sogar aus dem chaotischen frühen Universum stammen. Sie sind für die Menschen ein äußerst wertvolles Fenster, um die Geheimnisse supermassiver Schwarzer Löcher zu erforschen und sogar die Aktivitäten des frühen Universums zu studieren.

Das Erkennen von Schwankungen im Weltraum ist eine sehr schwierige Aufgabe, da die Schwankungen zu schwach sind. Die von Einstein vor hundert Jahren vorhergesagten Gravitationswellen wurden vom Menschen erst im Jahr 2015 endgültig nachgewiesen.

Die ursprüngliche Methode bestand darin, mithilfe eines Lasergeräts ein „Array“ zu bilden, das als „Lineal“ zur Messung der Länge des Raums fungierte. Wenn das Lineal plötzlich länger oder kürzer wird, bedeutet dies, dass Wellen der Raumkrümmung vorbeiziehen und Gravitationswellen erkannt wurden.

Mit Linealen unterschiedlicher Größe können Gravitationswellen unterschiedlicher Wellenlängen gefunden werden. Je größer das Lineal, desto länger ist die Wellenlänge der gefundenen Gravitationswellen, desto niedriger ist ihre Frequenz und desto wahrscheinlicher ist es, dass es Informationen über die Rotation und Spiralbewegung supermassereicher Schwarzer Löcher und Hinweise aus dem frühen Universum liefert.

Das erste Lineal, das der Mensch zur Erkennung von Gravitationswellen verwendete, war mehrere Kilometer lang und konnte räumliche Schwankungen von zehn bis hundert Hertz erfassen.

Da es auf der Erde schwierig ist, es zu vergrößern, haben Wissenschaftler ein Lineal im Weltraum gebaut. Mehrere Forschungsgruppen, darunter auch das „Tianqin-Projekt“ meines Landes, verlassen sich auf Satelliten, um im weiten Weltraum riesige Laserlineale zu bauen und damit großräumigere Raumschwankungen zu messen. Sie fanden Gravitationswellen mit einer Frequenz von wenigen Hertz.

Das ist schon erstaunlich, aber die menschliche Erforschung nimmt kein Ende. Ein paar hundert Hertz reichen nicht aus, ein paar Hertz reichen nicht aus, wir brauchen Nanohertz (ein Milliardstel Hertz).

Wie kann man das Lineal größer machen? Um nach Gravitationswellen mit Nanohertz-Frequenzen zu suchen, müssen wir das gesamte Universum als Labor nutzen und sie mit einem Lineal erfassen, das so lang ist wie die Entfernung zwischen den Galaxien? ——Ist das möglich?

Es ist nicht nur möglich, es wurde auch schon getan.

Wissenschaftler nutzen Pulsare im Universum direkt als Versuchsinstrumente und stellen damit ein extrem großes „Maßstabsinstrument“ im kosmischen Maßstab her.

Pulsare sind eine besondere Art von Himmelskörpern, die kontinuierlich hochenergetische Strahlen aussenden und sich gleichzeitig stetig und schnell drehen, genau wie eine Person, die eine Taschenlampe mit hoher Helligkeit in der Hand hält und sie im dunklen Universum hin und her dreht. Wenn sein Taschenlampenlicht über die Erde strahlen könnte, würden die Menschen ein intermittierendes „Taschenlampen“-Signal mit sehr stabilen Zeitintervallen beobachten.

Was bedeutet es also, wenn dieses stabile „Taschenlampen“-Signal plötzlich kürzer oder länger wird? Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Raum, in dem es sich ausbreitet, verzerrt ist. Mit anderen Worten: Eine Gravitationswelle könnte durch dieses Gebiet gefegt sein. Wenn mehrere Pulsare gleichzeitig beobachtet werden, ist das von Gravitationswellen erfasste Signal deutlicher und genauer.

Wissenschaftler betrachten die vielen bisher bekannten Pulsare als ein „Array“ und leiten die Informationen der Gravitationswellen ab, indem sie beobachten, welche Pulsarsignale im Array sich wann ändern. Dieses im Universum angeordnete Array wird wissenschaftlicher als Pulsar Timing Array (PTA) bezeichnet. Das chinesische Team und das zugehörige Projekt in China werden im Titel CPTA genannt.

Vor kurzem hat China mithilfe eines riesigen Radioteleskops (FAST, das „Chinesische Himmelsauge“) in den Bergen von Guizhou eine Reihe von Pulsaren mit einer Periode von 57 Millisekunden beobachtet und mit sehr hoher Präzision (mit einer Falschalarmrate von etwa eins zu fünfhunderttausend) Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich erhalten.

Solche niederfrequenten Gravitationswellen haben eine Wellenlänge von mehreren Lichtjahren und eine Frequenz von mehreren Jahren, die Raumverzerrung ist jedoch vernachlässigbar. Das chinesische Team hat eine herausragende Präzision erreicht. Dies ist das Ergebnis der langjährigen und sorgfältigen Verfeinerung unserer Wissenschaftler unter Verwendung experimenteller Geräte im kosmischen Maßstab.

Bei unserer ersten Untersuchung von Nanohertz-Gravitationswellen können wir nicht sagen, dass das von uns erfasste Signal einem bestimmten astronomischen Ereignis entspricht. Es ist eher so, als ob der Hintergrund des gesamten Universums mit einer Frequenz von Nanohertz vibriert. genau wie das Seewasser, kräuselt und sinkt seine Gesamtform, abgesehen von den Windwellen, Fischmustern und Regentropfen, immer noch langsam. Bei diesen Signalen handelt es sich um riesige Lichtmuster, die von den supermassereichen Schwarzen Löchern und sogar vom Universum selbst über Dutzende und Hunderte von Milliarden Jahren in den unendlichen Raum gezeichnet werden. wie ein chinesischer Dichter einmal schrieb:

„Wenn der Stift den Horizont zeichnet

Du wurdest vom orientalischen Gong geweckt

Blühen im Echo ist

Die Rose der Zeit“.