Das größte Ereignis der Astronomie: riesige Gravitationswellen! erfassen!

Gerüchte über eine bedeutende Entdeckung in der Astrophysik kursierten bereits seit mehreren Tagen, und am 30. Juni kam die Wahrheit endlich ans Licht: Ein multinationales Wissenschaftlerteam, darunter auch chinesische Wissenschaftler, veröffentlichte gleichzeitig eine Reihe von Artikeln, in denen bekannt gegeben wurde, dass wir Beweise für Gravitationswellen im kosmischen Hintergrund gefunden hätten. Ein neuer Weg zu den Geheimnissen des Universums hat sich geöffnet.

Kip Thorne, ein berühmter amerikanischer theoretischer Physiker, war bei der Pressekonferenz anwesend.

01 Was sind Gravitationswellen?

Wenn man einen Stein ins Wasser wirft, entstehen Wasserwellen, beschleunigte Elektronen erzeugen elektromagnetische Wellen und dasselbe gilt für Gravitationswellen : Wellen, die entstehen, wenn sich ein Objekt mit Masse und Schwerkraft mit beschleunigter Geschwindigkeit bewegt . Leider ist die Schwerkraft eine so kleine Kraft, so klein, dass die Anziehungskraft der gesamten Erde möglicherweise nicht in der Lage ist, einige Ihrer Muskeln zu besiegen. Wenn Sie Ihr Telefon vom Tisch aufheben, ist das der Beweis für den Sieg Ihrer Muskeln. Gravitationswellen sind so winzig, dass sie keinerlei Einfluss auf unser tägliches Leben haben.

Es ist nicht schwer zu verstehen, warum Wissenschaftler im 19. Jahrhundert die Existenz von Gravitationswellen vorhersagten, es ihnen jedoch über hundert Jahre lang nicht gelang, diese nachzuweisen. Erst 1974 haben wir Gravitationswellen indirekt beobachtet und erst im 21. Jahrhundert konnten wir ihre Existenz direkt bestätigen .

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02 Sind Gravitationswellen nicht Schnee von gestern?

Im Jahr 2015 beobachteten Menschen zum ersten Mal direkt die „Gravitationswelle“ . Diese Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis für Physik 2017 ausgezeichnet. Später registrierten Wissenschaftler noch mehrere weitere Gravitationswellen, die ebenfalls Schlagzeilen machten. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen den vorherigen und diesem: Es handelte sich dabei allesamt um „kleine“ Wellen, die durch die Kollision und Fusion kleiner und mittelgroßer Schwarzer Löcher entstanden. Diesmal sind es die Großen!

Eigentlich ist es nicht ganz fair, zu sagen, dass es vorher „klein“ war. Die beiden im Jahr 2015 beobachteten Schwarzen Löcher waren 36-mal bzw. 29-mal so groß wie die Sonne, was für den Menschen unvorstellbare Ausmaße darstellt. Doch selbst bei diesen beiden großen Himmelskörpern können die von ihnen erzeugten Gravitationswellen den vier Kilometer langen Detektor nur um ein winziges Maß auf die Größe eines Tausendstels eines Protons ausdehnen und zusammenziehen.

Die Kollision kleiner und mittelgroßer Schwarzer Löcher hat jedoch einen Vorteil: Die von ihnen ausgesendeten Gravitationswellen sind hochfrequent und relativ „scharf“ und können von einem „kleinen“ Detektor mit einer Entfernung von nur wenigen tausend Metern erfasst werden. Handelt es sich um eine Gravitationsänderung größeren Ausmaßes, etwa durch ein supermassereiches Schwarzes Loch, den Nachhall des Urknalls oder etwas Ähnliches, werden die ausgesendeten Gravitationswellen eine niedrige Frequenz und relativ „tief“ haben, was einen extrem langen Detektor erfordern wird – von der Art, die nicht auf die gesamte Erde oder gar das gesamte Sonnensystem passt .

Die gesamte Erde kann es nicht fassen, wie könnten Menschen es also erschaffen? Eigentlich ist es ok. Physiker und Astronomen stehen häufig vor diesem Problem. Sie sind sehr gut darin, bereits in der Natur existierende supermassive Objekte in Teile der Sonde zu verwandeln. Dieses Mal haben sie die Sterne am Himmel verwendet.

03 Der Herrscher der Sterne über die Leere

Im Jahr 1967 war die britische Astrophysikerin Jocelyn Bell gerade erst im Aufbaustudium. Doch dieses Jahr entdeckte sie einen seltsamen Himmelskörper, der sehr stabil regelmäßige elektromagnetische Wellen aussendet. Einige Wissenschaftler scherzten, dass es sich dabei möglicherweise um ein von Außerirdischen zur Erde gesendetes Signal handeln könnte. Daher gaben sie und ihre Kollegen diesem Himmelskörper den Spitznamen „ Little Green Man 1 “. Spätere Forschungen bewiesen bald, dass es sich hierbei um ein rein natürliches Phänomen handelte und dass hierfür kein intelligentes Leben erforderlich war.

Dieses elektromagnetische Wellensignal erscheint und verschwindet in festen Intervallen, wie ein Impuls. Traditionell werden solche diskontinuierlichen Signale im Radio als „ Impulse “ bezeichnet, daher heißt der Himmelskörper, der dieses Signal aussendet, Pulsar . Die Entdeckung der Pulsare wurde später mit einem Nobelpreis ausgezeichnet. (Bell selbst hat den Preis jedoch nicht gewonnen, was einen der berühmtesten Fälle von Ungerechtigkeit gegenüber Wissenschaftlerinnen in der Geschichte des Nobelpreises darstellt.) Gravitationswellenausbrüche in Pulsaren.

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Wir wissen heute, dass Pulsare eine Art Neutronensterne sind , also „Leichen toter Sterne“. Die von einem Pulsar ausgesendeten elektromagnetischen Wellen sind nicht gepulst, sondern kontinuierlich, die elektromagnetischen Wellen werden jedoch nur in Richtung seiner eigenen Pole ausgesendet. Gleichzeitig rotiert er mit hoher Geschwindigkeit, sodass wir ihn nur sehen können, wenn seine elektromagnetischen Wellen über die Erde streichen . Wenn man es von der Erde aus betrachtet, ist es, als würde man das Licht eines Leuchtturms auf dem Meer betrachten, das ab und zu einmal aufblitzt. Theoretisch sollten die Intervalle zwischen den Blitzen den Intervallen zwischen den Rotationen entsprechen und völlig regelmäßig sein. Tatsächlich unterliegen die elektromagnetischen Wellen des Planeten auf dem Weg zur Erde jedoch verschiedenen kleinen Störungen, sodass winzige Unregelmäßigkeiten beobachtet werden können.

Die Wissenschaftler haben es auf die in diesem Gesetz verborgenen Unregelmäßigkeiten abgesehen.

Gravitationswellen sind Wellen, die vom Weltraum selbst übertragen werden. Wenn sie die Länge des Detektors ändern, ändert sich nicht der Detektor selbst, sondern der Raum, zu dem der Detektor gehört. Trifft das Pulsarsignal auf seinem Weg zur Erde auf Gravitationswellen, wird seine Reise selbst durch die Gravitationswellen länger oder kürzer, und auch die benötigte Zeit ändert sich entsprechend . Indem wir diese Veränderung beobachten, verwandeln wir den gesamten Raum zwischen uns und dem Pulsar in einen Gravitationswellendetektor.

Das ist natürlich leichter gesagt als getan. Neben Gravitationswellen gibt es viele weitere Faktoren, die Pulsarsignale stören können und die nach und nach eliminiert werden müssen. Darüber hinaus ist die Wirkung von Gravitationswellen äußerst gering und die verursachten periodischen Änderungen betragen möglicherweise nur 1 Mikrosekunde, was sehr präzise Instrumente erfordert. Daher haben Wissenschaftler aus aller Welt mehr als 20 Jahre lang zusammengearbeitet, um dieses Ergebnis zu erzielen.

04 Der schwankende Ozean der Gravitationswellen

Bei dieser Entdeckung handelte es sich nicht nur um ein einzelnes Gravitationswellenereignis, sondern um die Ansammlung von Daten aus aller Welt. Forscher aus Nordamerika, Europa, Australien, Indien, Japan und natürlich China berichteten über die Ergebnisse unzähliger Teleskopbeobachtungen. Dieses Ergebnis stützt die seit langem bestehende Vermutung, dass das Universum von einer Hintergrundstrahlung aus Gravitationswellen umgeben ist und dass überall lang anhaltende Gravitationswellen mit niedriger Frequenz oszillieren .

Um eine Analogie zu geben: Die Erde ist wie ein kleines Boot, das im riesigen Ozean kosmischer Gravitationswellen treibt. In den letzten Jahren haben wir Vibrationen am Rumpf festgestellt, die beweisen, dass es in diesem Ozean Wellen gibt. Doch nun können wir endlich aufs Meer hinausblicken und mit eigenen Augen sehen, wie die Wellen die Oberfläche bedecken.

Weltraumlandschaft mit Nebel und Pulsar. Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Dies bringt jedoch auch viele neue Probleme mit sich. Wir sind uns beispielsweise nicht sicher, woher diese niederfrequenten Gravitationswellen kommen. Daran führt kein Weg vorbei. Es gibt zu viele seltsame Dinge im Universum. Die Kollision zweier supermassereicher Schwarzer Löcher scheint die wahrscheinlichste Ursache zu sein, es gibt jedoch viele andere Möglichkeiten. Vielleicht Wellen im expandierenden Universum? Vielleicht handelt es sich um eine Spur eines Phasenübergangs im frühen Universum? Vielleicht ein Netzwerk von Defekten im Weltraum? Über die großräumige Struktur des Universums wissen wir noch immer vieles nicht. Aber gerade deshalb ist die Beobachtung des niederfrequenten Gravitationswellenhintergrunds so spannend: Sie öffnet die Tür zu vielen unbekannten kosmischen Ereignissen .

Darüber hinaus erreicht die Qualität dieser Ergebnisse nicht immer den „Goldstandard“ der Physik. In der modernen Physik ist es üblich, dass ein Ergebnis den Wert „5σ“ erreichen muss, d. h., die Wahrscheinlichkeit, dass ein neues Phänomen rein zufällig ist, muss weniger als eins zu einer Million betragen, bevor es als „solider Hammer“ betrachtet werden kann. Nicht alle diesmal veröffentlichten Ergebnisse erfüllen diese Anforderung.

Streng genommen müsste man sagen, dass diese Entdeckung „Beweise gefunden hat, die mit der Gravitationswellenhintergrundstrahlung übereinstimmen“, und nicht „die Gravitationswellenhintergrundstrahlung entdeckt hat“. Es werden jedoch derzeit weitere Tests und Datenanalysen durchgeführt und die meisten sind davon überzeugt, dass mit dieser Methode schon bald unwiderlegbare Beweise auf 5σ-Ebene erbracht werden können.

Im Vergleich zum Universum ist der Erfassungsbereich der menschlichen Sinne zu klein. Was ein Mensch sah, als er vor Millionen von Jahren zu den Sternen aufblickte, übertraf möglicherweise jegliche menschliche Erfahrung, doch im Kontext der gesamten materiellen Welt war das, was er sah, nicht einmal ein Tropfen auf den heißen Stein. Später erfanden die Menschen Teleskope, Radios und Spektrometer, und nach und nach wurden Aspekte des Universums enthüllt, doch in der Dunkelheit sind immer noch mehr Geheimnisse verborgen, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Die Entdeckung von Gravitationswellen ist die jüngste von zahllosen neuen Türen, die sich im Laufe von Millionen von Jahren geöffnet haben, und der Gravitationswellenhintergrund ist ihr jüngster Meilenstein.

Die Straße geht weiter .

Autor: Fang Gang, Doktorand in Evolutionsbiologie

Gutachter: Yu Heng, Außerordentlicher Professor, Abteilung für Astronomie, Beijing Normal University

Planungsredakteur: Xu Lai

Verantwortlicher Redakteur: Xu Lai