Wir haben Festgestellt Gravitationswellen. Was Nun?

Künstler-Darstellung von kollidierenden Neutronensternen Schreddern Raumzeit, produziert Wellen von Gravitationswellen. Credit: NASA.

David Reitze, Geschäftsführer des LIGO Laboratory, nahm das podium, im National Press Building in Washington, DC, an diesem morgen, und sagte, die Worte, die wir alle haben, die warten weiter auf die Folter zu hören: “Wir haben entdeckt, Gravitationswellen.” Und ein voller Hörsaal in Caltech Cahill Gebäude in Pasadena, in dem Menschen hatten sich versammelt, um zu beobachten Sie die live-feed—brach in wilden Beifall aus.

Ähnliche Szenen wurden wahrscheinlich spielen am MIT, in Livingston, Louisiana, in Hanford, Washington, und in Europa, weil LIGO ist ein $1 Milliarde internationale Zusammenarbeit mit Hunderten von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Und dieser moment ist seit 100 Jahren in der Herstellung. Einstein sagte Voraus, die Existenz von Gravitationswellen mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1915, und die Physiker aufgedeckt indirekte Hinweise, die in den 1970er und 1980er Jahren. Aber der direkte Nachweis hat bewiesen, dass schwer—bis jetzt. Und die Geschichte von Gravitationswellen und was Sie sind in der Lage, uns zu sagen, ist jetzt gerade Anfang.

Hier ist, wie es ging. September 14, 2015 5:51 AM EST, die LIGO-Detektoren in Livingston und Hanford beide abgeholt Signale innerhalb von Millisekunden von einander. Die Wellenformen dieser Signale eng mit den Vorhersagen der Simulationen (siehe Links).

Es ist wie ein audio-fingerprint, ähnlich wie die decay-Signaturen, die Hochenergie-Physiker zu identifizieren subatomaren Teilchen produziert, die in Kollisionen am Large Hadron Collider. Und es ist genau das, was Sie erwarten würde, zu finden in Ihre Daten, wenn zwei schwarze Löcher, die etwa 30 Sonnenmassen (das ist 30 mal größer als unsere eigene Sonne), schraubte sich nach innen in Richtung zu einander und verschmolzen in einer massiven Kollision, sendet starke Druckwellen, die rippen über die Raumzeit, etwa 1,3 Milliarden Jahren.

Es war so sauber, dass Reitze besorgt, es war zu schön, um wahr zu sein. So hat Alan Weinstein, Leiter LIGO Caltech. Nachdem alle, die in der frühen operationellen phase von LIGO, Projektleiter hatte absichtlich eingefügt, falsche Signale in den Daten zu testen, die strenge der Analyse. Obwohl seine Kollegen ihn versichert, dass dieses neue signal war nicht eine so genannte “blind-injection” – übung, Weinstein konnte nicht ganz glauben. Er fragte sich, ob es die Arbeit von einem verärgerten Mitglied der LIGO-team Injektion ein Falsches signal in die Daten als Rache.

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Oder vielleicht war es die Arbeit von einem bösen Genie. “Wir können nicht ausschließen, das böse Genie Hypothese,” er deadpanned während eines Caltech Pressekonferenz. “Wir tun unser bestes, um auszuschließen, das böse Genie Hypothese. Aber ich mag zu denken, binary black-hole-Kollision ” ist wahrscheinlicher.”

Vor, dass nur ein signal allein, könnten die Physiker daraus die Massen von beiden schwarzen Löchern, durch die Untersuchung der Frequenz (einer war 29 Sonnenmassen, die anderen 36 Sonnenmassen). Nach der Fusion, die neu entstandene schwarze Loch fehlte etwa 3 Sonnenmassen—, die in einem kraftvollen Ausbruch von Gravitationswellen. Stellen Sie sich drei unserer Sonnen plötzlich vernichtet und du bekommst eine Vorstellung davon, wie viel Energie wir hier reden. Studium der amplitude erzählte Ihnen die Kollision geschah etwa 1,3 Lichtjahre entfernt in der südlichen Hemisphäre.

“Stell dir vor, dein ganzes Leben, das Sie hatten, waren taub, bis eines Tages Ihr Gehör wurde wiederhergestellt.”

So ist nicht nur der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen, es ist auch der erste Beweis dafür, dass binary black-hole-Systeme, die tatsächlich existieren. Und all dies kam aus Daten, die während eines engineering-Lauf direkt nach dem Upgrade Advanced LIGO kam online. Es ist immer noch nicht auf die Jagd bei voller Empfindlichkeit noch. Wenn das passiert, Physiker erwarten, dass viele weitere solche Ereignisse, indem Sie Ihnen ein neues Fenster, wie das Universum funktioniert. In der Tat, Weinstein sagte, dass eine zusätzliche 12 LIGO-bezogene Papiere werden würde, geschrieben von dem heutigen Tag.

Das macht LIGO “ein neues instrument für die Beobachtung einer neuen form von Strahlung kommen aus dem Himmel”, sagte Bill Weber, ein Physiker an der Universita di Trento und Mitglied des LISA Pathfinder Zusammenarbeit.

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“Zuerst ist die Erkennung sehr wichtig im Hinblick auf die Grundlagenforschung in der Physik, weil von dem, was es sagt, über die Schwerkraft, aber es öffnet auch ein Fenster auf, was bisher das dunkle Universum”, sagte Avery Broderick, Physiker am Perimeter Institute und der University of Waterloo in Kanada. “Seit Jahrhunderten haben Astronomen suchen in den Nachthimmel und denkt an die helle Seite des Universums. Jetzt werden wir bekommen unsere ersten Blick auf die dunkle Seite. Da gibt es jede Erwartung, dass es genauso Reich und spannend.”

Denken Sie an das revolutionäre Potenzial dieser Art: jedes mal haben die Astronomen suchten in unserem Universum in einer anderen Wellenlänge des Lichts—mit Röntgen -, Infrarot -, radio -, oder gamma-Strahlen—Sie haben aufgedeckt, dass Aspekte, die wir nicht anders gesehen. Gravitationswellen sollte es nicht anders sein, nur mit etwas mehr mit dem Klang als das Licht. Nun, neben der Suche in unserem Universum, wir können hören, wie gut. Wie Jorge Cham von den PhD Comics so eloquent steckte es in seine illustrierte Erklärer, “Stell dir vor, dein ganzes Leben, das Sie hatten, waren taub, bis eines Tages Ihr Gehör wurde wiederhergestellt.”

Der entscheidende Unterschied ist, dass, während der sound benötigt ein medium, durch das Reisen, Gravitations-Wellen bewegen das medium—in diesem Fall die Raumzeit selbst. “Sie haben buchstäblich squash-und stretch-Gewebe der Raumzeit,” Chiara Mingarelli, einem Gravitationswellendetektor, Astrophysiker an der Caltech, sagte Gizmodo. Für unsere Ohren, die Wellen detektiert, die von LIGO klingen würde, wie ein chirp (“woo-OOP”).

Wie genau ist dieser “revolution” passieren wird? Gut, LIGO verfügt derzeit über zwei Detektoren, die als “Ohren” für Wissenschaftler, mit mehr Detektoren geplant, um online in die Zukunft. Und während LIGO bekommen es zuerst in Bezug auf die direkte Erkennung—ehrlich gesagt, es war immer zu erwarten, um so zu tun—es ist nicht das einzige Spiel in der Stadt. Es gibt mehr als eine Art von Gravitationswellen. In der Tat, es gibt ein ganzes Spektrum, ähnlich wie es gibt viele verschiedene Arten von Licht unterschiedlicher Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum. Also gibt es noch andere Kooperationen zugeschnitten auf die Jagd Wellen bei Frequenzen über das hinaus, was LIGO ist entworfen, um zu erkennen (Millisekunden-Bereich).

Credit: NanoGRAV

Mingarelli arbeitet mit der NanoGRAV (North American Nanohertz Observatorium für Gravitationswellen) Zusammenarbeit, Teil eines größeren internationalen Konsortium, zu dem auch der Europäische Pulsar Timing-Array und des Parkes Pulsar Timing Array in Australien. Wie der name schon sagt, NanoGRAV Wissenschaftler sind für die Jagd sehr niedrige Frequenz von Gravitationswellen in den 1 bis 10 nanohertz-regime; LIGO ist die Empfindlichkeit ist in den kilohertz – (hörbare) Teil des Spektrums. Das macht bei sehr langen Wellenlängen, in der Tat, es würde zehn Jahre dauern, um einen einzigen Zyklus abgeschlossen.

Die Zusammenarbeit setzt auf pulsar Daten des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico und die Green-Bank-Teleskop in West Virginia. Pulsare sind im Grunde schnell rotierende Neutronensterne, die entstehen, wenn Sterne mehr Masse als die Sonne, explodieren, und Zusammenbruch nach innen. Sie Spinnen schneller und schneller, wie Sie schrumpfen, genauso wie ein schweres Gewicht am Ende eines Seils schwingen schneller und schneller, je kürzer das Seil wird.

Sie geben auch off leistungsfähige Blasten von Strahlung, wie Sie drehen, wie der Strahl von einem Leuchtturm, erkannt werden als Impulse des Lichtes zurück auf die Erde. Und diejenigen, die regelmäßigen Rotationen sind bemerkenswert präzise—bis vor kurzem so genau wie eine Atom-Uhr. Dies macht Sie zu idealen kosmischen Detektor für Gravitationswellen. In der Tat, die erste indirekte Hinweise kamen aus dem Studium von Pulsaren im Jahr 1974, als Joseph Taylor, Jr und Russell Hulse gefunden, der einen pulsar umkreist einen Neutronenstern wurde langsam schrumpfen über die Zeit—ein Effekt, den man erwarten würde, um zu sehen, ob es war, wobei ein Teil seiner Masse in Energie in form von Gravitationswellen.

Im Fall von NanoGRAV, die smoking gun wäre eine Art von schimmernden Effekt. Die Impulse sollten zur gleichen Zeit eintreffen, aber wenn Sie sind betroffen von einem Gravitationswellen -, kommen Sie etwas früher oder später, weil die Raumzeit wird schrumpfen oder dehnen, so wie die Welle durchläuft.

Pulsar-timing-arrays (PTAs) sind besonders empfindlich auf die Gravitationswellen, produziert von verschmelzenden supermassiven schwarzen Löchern eine Milliarde oder zehn Milliarden mal die Masse unserer Sonne, wie jene, die glaubten, lauern in der Mitte der massereichsten Galaxien. Sollte solche zwei Galaxien verschmelzen, so würden die schwarzen Löcher in Ihren Zentren, strahlt Gravitationswellen. “LIGO sieht das Ende der Verschmelzung, wenn die Binärdateien sind sehr nahe beieinander”, sagte Mingarelli. “Mit PTAs, wir würden sehen, wie Sie weiter oben in die spiral-phase, wenn Sie gerade erst anfangen, einander umkreisen.”

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Dann gibt es die Weltraum-mission, bekannt als LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Erde-gebunden LIGO ist ideal für das trennen von Gravitationswellen entspricht der menschlichen audio-Teil des Spektrum — von der Art, produziert von der neu entdeckten binary black-hole-Fusion. Aber viele interessante Quellen dieser Wellen bei niedrigeren Frequenzen. So haben Physiker in den Raum zu gehen, um Sie zu erkennen. Das primäre Ziel der aktuellen LISA Pathfinder-mission (Start im Dezember) ist die überprüfung des Detektor-Technologie. “Mit LIGO, können Sie Herunterfahren des Instruments, knacken öffnen Sie das Vakuum, und beheben Sie Dinge,” sagte MIT Scott Hughes. “Wenn Sie Schraube in Platz, sind Sie tot. Sie haben es alle rechts von der get-go.” Wie Gizmodo ist Maddie Stein schrieb zurück, im Dezember:

[LISA] Ziel ist einfach: mithilfe von laser-interferometern wird das Raumschiff versuchen, präzise Messung der relativen Positionen von zwei 1,8-Zoll-gold-Platin-Würfel im freien fall. Untergebracht in getrennten Elektrode Boxen nur 15 Zentimeter auseinander, die test-Objekte werden abgeschirmt vom Sonnenwind und alle anderen externen Kräften, so dass die winzigen Bewegungen, verursacht durch Gravitationswellen können (hoffentlich) erkannt werden.

Schließlich gibt es zwei Experimente mit dem Ziel entwickelt, die Abdrücke Links von primordialen Gravitationswellen in der kosmischen Mikrowellen-hintergrund-Strahlung (das Nachglühen des Big Bang): BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalaktische Polarisation 2) und der Planck-satellitenmission. BICEP2 bekanntlich erklärt, dass er gefunden hatte, ein solcher Nachweis in 2014, nur um seine Hoffnungen entlüftet, wenn diese Signale stellte sich heraus, dass durch kosmischen Staub.

Aber beide Kooperationen sind die Fortsetzung der Jagd, in der Hoffnung, etwas Licht in die frühe Geschichte unseres Universums—und hoffentlich bietet Bestätigung der wichtigsten Vorhersage der Inflations-Theorie. Diese Theorie sagt Voraus, dass kurz nach seiner Geburt, das Universum erlebte einen rasanten Wachstumsschub haben soll produziert leistungsstarke Gravitationswellen, so dass ein Impressum der CMB in form einer speziellen Ausrichtung der Lichtwellen (Polarisation).

Jede dieser vier Gravitationswellen-Regime geben wird, die Astronomen vier neue Fenster ins Universum.

Aber wir wissen, was Sie wirklich denken—doch jetzt ist es Zeit, um Feuer auf die warp-Antriebe, baby! Hat der LIGO Entdeckung meine, wir alle sollten melden Sie sich für Star-Flotte in der nächsten Woche? “Ich denke, die Antwort darauf ist eindeutig “Nein”,” Broderick sagte. “Aber je besser wir verstehen, Schwerkraft, desto besser können wir uns vorstellen, zu versuchen, das design so eine Sache. Das ist es, was Wissenschaftler tun. Wir herauszufinden, wie das Universum funktioniert, so können wir optimieren unsere Fähigkeit, es zu biegen, um unseren Willen in die Vorschriften.”

So…. du sagst es ist Zufall. Machen Sie es so.

Folgen Sie dem Autor @JenLucPiquant.

Maddie Stein dazu beigetragen, die Berichterstattung zu diesem Artikel.