An diesem morgen, das Internet brach mit Gerüchten, dass die Physiker haben schließlich beobachtet Gravitationswellen; Wellen im Gewebe der Raumzeit vorhergesagt von Albert Einstein vor einem Jahrhundert. Während es ist nicht das erste mal, das wir gehört haben, aufgeregt flüstern über die schwer fassbare Phänomene, die Gerüchte fühlt sich vielversprechend, in Anbetracht der kürzlich aktualisiert Detektor bei der Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) ,der hinter all dem Trubel.
Die Entdeckung von Gravitationswellen wäre eine große Sache für Physik, kosmologie, und unser Verständnis des Universums zu groß. Aber wenn Sie nicht einen Wissenschaftler, der ein Studium in einem der oben genannten Gebieten, ist es möglich, Sie habe noch nie gehört von dieser geheimnisvollen Wellen. Was zum Teufel sind Gravitationswellen, und warum haben die Physiker zu kämpfen, um Sie zu finden, die ein Jahrhundert? Außerdem, warum sollten wir uns sorgen machen?
Einfach ausgedrückt, Gravitations-Wellen sind Schwingungen in das Gewebe des Universums—Licht-Geschwindigkeit Wellen in der Raumzeit, die durch eine derart Episch gewalttätigen Ereignisse wie explodierende Sterne und schwarzen Loch Fusionen. Dank unvorstellbar großen, gewalttätigen und Fernen himmlischen Ereignisse, die Atome, aus denen alles, was von den Sternen in den Himmel zu den Menschen auf der Erde wackelt ein klein wenig, die ganze Zeit.
Und durch winzige, ich meine wirklich winzig. Für all die Energie, die zur Produktion von Gravitationswellen, die Raumzeit der Wellen selbst sind unglaublich schwach. Physiker schätzen, dass durch die Zeit, die Gravitationswellen, die die Erde erreichen, sind Sie auf die Bestellung von einem Milliardstel der Durchmesser eines atoms. Sie benötigen lächerlich präzise Instrumente Betrieb in ganz noise-free-Umgebungen zu Messen, und bis vor kurzem unsere Detektoren einfach noch nicht bis zu Schnupftabak.
Numerische simulation von zwei verschmelzende schwarze Löcher, durchgeführt von der Albert-Einstein-Institut in Deutschland. Bildnachweis: Werner Benger / Wikimedia
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Aber die Gravitationswellen-Erkennung Spiel verändert spät, mit einem letzten Reihe von Verbesserungen, um unsere führende Boden-Observatorium, LIGO, und mit der Einführung der ersten Weltraum-Gravitationswellen-Detektor, LISA Pathfinder. Bewaffnet mit diesen zwei science laboratories, Physiker sind zuversichtlich, dass wir in der Lage sein zu Messen unseren ersten Raumzeit Wellen bis Ende des Jahrzehnts. Nun, es sieht aus wie, dass der Tag kommen könnte viel früher.
Im Prinzip Nachweis von Gravitationswellen ist ganz einfach; in der Praxis ist es maddeningly schwer. Was Physiker versuchen zu tun ist, Messen kleinen Schwankungen der Abstand zwischen zwei Objekten getrennt durch eine bekannte Menge. Aber da die atomaren zittern, hoffen wir, zu erkennen, sind so verdammt winzig, wir brauchen Experimente, können separate Objekte durch die riesigen Entfernungen. Selbst dann, wir müssen zur Messung der Veränderungen in der Distanz sehr, sehr genau.
Das ist das Prinzip unserer aktuellen state-of-the-art-Gravitationswellen-Detektoren. Bei LIGO, die erstmals online ging in den frühen 2000er Jahren, zwei Spiegel aufgehängt sind sehr weit auseinander (in Richland, Washington und Baton Rouge, Louisiana), bilden eine primäre arm, während die anderen zwei Spiegel sind senkrecht nach oben gezogen. Ein laser-Licht weitergegeben wird durch einen Strahlteiler und erlaubt zu hüpfen hin und her zwischen den beiden Armen’ Spiegel, viele Male, bevor er wieder zu seiner Quelle.
“Wenn die zwei Arme haben identische Längen, wird die Interferenz zwischen den Lichtstrahlen, die Rückkehr zu den Strahlteiler wird all das Licht zurück in Richtung des Lasers,” ein Caltech Informations-website auf LIGO erklärt. “Aber wenn es einen Unterschied zwischen den Längen der zwei Arme, ein wenig Licht zu Reisen, wo es aufgenommen werden kann, durch einen Photodetektor.”
Einfache schematische Darstellung der LIGO-Detektor. Bild-Kredit: LIGO
Wenn das passiert, wird ein elektrisches signal erzeugt wird— und es ist bis zu den Wissenschaftlern, um zu bestimmen, ob Sie einfach nur erlebt, dass ein bona-fide-Gravitationswellen. Das Problem ist, unser planet ist ein lauter Ort, und viele andere Arten von Bewegung, von Tremor in die Erde, um die Autos und Züge, kann muck bis das signal. Das hintergrund-Rauschen unseres Planeten, gepaart mit Einschränkungen durch den Abstand der Detektoren, hat einige gravierende Einschränkungen auf unsere Fähigkeit zu erschnüffeln Gravitationswellen aus dem Boden. Die ersten LIGO Beobachtungs-Kampagne, die Ende 2010, kam keine festen Beweise, obwohl wir waren fast täuschen von einem falschen signal absichtlich gepflanzt, die von der LIGO Innere Angelegenheiten Kommission zu halten Wissenschaftler auf Ihren Zehen.
Aber nach der Kampagne 2010 LIGO unterzog sich einer Reihe von upgrades über einen Zeitraum von fünf Jahren. Wenn Advanced LIGO kam schließlich online im vergangenen September seinen glänzenden neuen Detektoren wurden drei mal empfindlicher als die ersten LIGO experiment. Das bedeutet, dass Advanced LIGO kann jetzt “hören” in einem viel größeren Fläche von Raum—bis zu 225 Millionen Lichtjahre entfernt, im Vergleich mit den 65 Millionen Lichtjahren Entfernung erreicht in den letzten Gravitationswellen-Jagd. Und schließlich hoffen die Wissenschaftler zu steigern Advanced LIGO ist die Empfindlichkeit der zehn-fache der anfänglichen LIGO experiment.
Die Jagd nach Gravitationswellen ist auch geleitet, um Platz für das erste mal in diesem Jahr. Die LISA Pathfinder, startete am 2. Dezember, ist ein proof-of-principle-experiment, das zu testen werde grundlegenden Technologien, die notwendig sind für Gravitationswellen Nachweis über die Erde.
Computer-Modell von der LISA pathfinder experimentelle Kammern (gold-Boxen) und laser-interferometer-system (Mitte). Bild: ESA
Es gibt ein paar Gründe outer space ist eine überzeugende Ort für die Suche nach Gravitationswellen. Für die einen ist es ein sehr ruhiger Umgebung, als die Erde—die einzige echte Quellen der hintergrund Lärm, den wir zu kämpfen haben, sind mit dem Sonnenwind und der kosmischen Strahlung, die vermieden werden können, mit sorgfältige Abschirmung. (In der Abbildung der LISA-Pathfinder experimentelle Kammer oben gezeigt, zwei testmassen befinden sich in separaten Elektrode Boxen, wo Sie geschützt sind vor allen äußeren Kräfte. Wie bei LIGO, der Abstand zwischen Ihnen ist genau gemessen mit laser-Interferometer.)
Aber der eigentliche Grund Wissenschaftler bringen die Jagd nach Gravitationswellen, um Raum zu tun hat, mit Abstand. Befreit von den räumlichen Einschränkungen einer kleinen felsigen Planeten, können wir die position der Objekte viel weiter auseinander, und dabei warf einen viel breiteren net für Gravitationswellen. Während die LISA Pathfinder experiment versuchen zu Messen, die relative position der beiden Massen getrennt durch eine bloße 15 Zoll, eine zukünftige Weltraum-Gravitationswellen-Observatorium basierend auf LISA ‘ s-Technologie machen könnte, die genau die gleiche Sache, die über Hunderte von tausenden von Kilometern.
Warum ist die Beobachtung von Gravitationswellen so eine große Sache? Abgesehen von der Tatsache, dass es zu bekräftigen, ein großes Stück von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, Gravitationswellen können verwendet werden, um die Sonde einige der geheimnisvollsten Phänomene in den Kosmos. Als LISA Pathfinder Wissenschaftler Bill Weber sagte Gizmodo letzten Monat, Sie sind “der direkteste Weg, das Studium der Großteil des Universums, die dunkel ist.”
Schwarze Löcher, Neutronensterne und andere Objekte, die nicht Licht emittieren, sind sehr schwierig zu studieren, direkt von unserem Standpunkt aus. Aber Gravitationswellen, die passieren solche Objekte wie ein Messer durch butter, bieten wir ein Fenster. In der Untersuchung der dunklen Universum mit Gravitationswellen, die wir vielleicht entdecken Sie neue himmlische Wunder, die wir nie zu träumen gewagt hätte.
LISA Pathfinder, bereit zum Start im Dezember 2015. Bild: ESA
Was mehr ist, als Fingerabdrücke von den energiereichsten Ereignisse im Universum, Gravitationswellen können uns helfen zu verstehen, wie die Schwerkraft arbeitet unter extremen Bedingungen, das heißt, in der Nähe der starken Feld zu begrenzen. Es gibt eine Menge, dass wir einfach nicht wissen, wie die Schwerkraft funktioniert, wenn massereiche Objekte sind tanzen um einander bei Geschwindigkeiten nahe, dass von Licht.
Das Gerücht, die wir heute gehört, dass Advanced LIGO kann festgestellt haben, Gravitationswellen, muss noch bestätigt werden. Wie Gizmodo ist Jennifer Ouellette Punkte heraus, ist es wahrscheinlich, dass der LIGO-community nicht bieten uns Frieden des Geistes, in absehbarer Zeit. Aber die Tatsache, dass die Physiker sind alle in einem tizzy über die bloße Möglichkeit spricht die vielversprechende Zukunft für Gravitationswellen-Erkennung. Als LIGO die Empfindlichkeit weiter zu wachsen, und als LISA Pathfinder setzt sich in eine stabile Umlaufbahn um den lagrangepunkt L1, können wir erwarten Sie viele weitere flüstert der Raumzeit Wellen—vielleicht sogar einige dürftige überprüfung—im Laufe der Wochen und Monate zu kommen.
Spannende Zeiten in der wir Leben.
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Oben: LISA Pathfinder – Elektrode Gehäuse Kammern, von denen der erste Raum-basierte tests für Gravitationswellen stattfinden wird. Bild-Kredit: CGS SpA