Vor 100 Jahren schlug Albert Einstein erstmals vor, dass es in den Weiten des Universums sogenannte Ripples gibt – Welligkeiten der Raumzeit oder Gravitationswellen. Der Physiker selbst bezweifelte jedoch, dass sie jemals entdeckt werden würden. In den 1960er Jahren begannen Wissenschaftler jedoch ernsthaft mit der Suche nach Gravitationswellen, da neben der langsamen Expansion des Universums auch schnellere dynamische Prozesse in der Raumzeit ablaufen müssen. Und sie haben sich nicht geirrt: Am 14. April 2015 konnten Wissenschaftler mit den Gravitationswellendetektoren LIGO und VIRGO die Wellen der Raumzeit erfassen. Die Quelle der nachweisbaren Wellen war die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die vor 1,3 Milliarden Jahren zu einem verschmolzen. Die Wellen wurden von beiden an der Studie teilnehmenden Observatorien eingefangen. Sie sind mit hochempfindlichen Detektoren ausgestattet, den genauesten, die je hergestellt wurden. Nun hat der neue Gravitationswellendetektor in den ersten 153 Tagen seines Betriebs zwei mysteriöse Signale aufgezeichnet. Es ist jedoch nicht klar, was genau diese Signale darstellen, da sie durch eine Reihe von Phänomenen verursacht werden können. Ein solches Phänomen ist genau das, wofür der Detektor ausgelegt ist – hochfrequente Gravitationswellen, die noch nie zuvor entdeckt wurden.
Mysteriöse Signale, die der neue Gravitationswellendetektor aufnimmt, werfen viele Fragen auf
Welligkeit der Raumzeit
Die neue Entdeckung, deren Ergebnisse laut ihren Autoren in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, zeigte, dass der neue Detektor empfindlich ist und genaue Ergebnisse liefert , aber jetzt müssen wir genau bestimmen, was sie bedeuten”, sagte der Physiker Michael Tobar von der University of Western Australia.
Mit dieser Arbeit haben wir erstmals gezeigt, dass solche hochmodernen Geräte als hochempfindliche Detektoren für Gravitationswellen eingesetzt werden können.
Erinnern Sie sich daran, dass die innovative Detektion von Gravitationswellen erst vor sechs Jahren stattfand. Seitdem haben LIGO- und Virgo-Detektoren gezeigt, dass das Universum mit zuvor verborgenen Gravitationswellen gefüllt ist durch Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen entstehen. Diese Detektoren sind riesig und hochfrequente Gravitationswellen sind viel schwieriger zu entdecken, aber definitiv eine Untersuchung wert.
Gravitationswellen wurden mit LIGO- und VIRGO-Detektoren nachgewiesen
Die Wellenlänge von Gravitationswellen ist proportional zu die Größe des Universums; diejenigen, die später auftreten, sind größer, sodass kürzere Hochfrequenzwellen Informationen über den Urknall und das Universum zu Beginn der Zeit enthüllen könnten.
Weitere Informationen darüber, wie Wissenschaftler Gravitationswellen entdeckten, finden Sie im Material von mein Kollege Artem Sutyagin
Zu den Quellen hochfrequenter Gravitationswellen in der jüngeren Vergangenheit könnten hypothetische Objekte wie bosonische Sterne und urzeitliche Schwarze Löcher gehört haben. Diese Wellen können sogar durch dunkle Materiewolken erzeugt werden. Daher wären Astronomen sehr daran interessiert, diese Signale zu detektieren.
Tisch-Gravitationswellendetektor
Ein bahnbrechender Detektor zur Verfolgung hochfrequenter Gravitationswellen wurde von Forschern des ARC Center of Excellence for Dark Matter Physics (CDM) und der University of Western Australia entwickelt.
In den ersten 153 Tagen entdeckte seine Arbeit zwei Ereignisse, bei denen es sich im Prinzip um hochfrequente Gravitationswellen handeln könnte, die bisher von Wissenschaftlern nicht aufgezeichnet wurden. Solche hochfrequenten Gravitationswellen könnten von einem urzeitlichen Schwarzen Loch oder einer Wolke dunkler Materieteilchen erzeugt worden sein.
Desktop-Gravitationswellen-Detektor. Foto: University of Western Australia
Wie Albert Einstein ursprünglich vorgeschlagen hat, Die Bewegung astronomischer Objekte kann Krümmungswellen der Raumzeit verursachen , die sich im ganzen Universum ausbreiten, fast wie die Wellen, die entstehen, wenn man Steine in einen Teich wirft. Die Forscher glauben, dass niederfrequente Gravitationswellen dadurch verursacht werden, dass sich zwei Schwarze Löcher drehen und miteinander verschmelzen oder ein Stern in einem Schwarzen Loch verschwindet.
Seitdem hat eine neue Ära der Gravitationswellenforschung begonnen, aber die aktuelle Generation aktiver Detektoren ist nur für niederfrequente Signale hochempfindlich; Die Erkennung hochfrequenter Gravitationswellen bleibt ein unerforschtes und äußerst schwieriges Gebiet in der Astronomie.
Trotz der Tatsache, dass niederfrequenten Gravitationswellen die meiste Aufmerksamkeit gewidmet wird, gibt es eine beträchtliche Anzahl theoretischer Vorschläge für hochfrequente Gravitationswellenquellen sowie beispielsweise primordiale Schwarze Löcher. Der von der Forschungsgruppe entwickelte Detektor zur Erfassung hochfrequenter Gravitationswellen basiert laut Scitechdaily-Portal auf einem Quarzresonator mit Bulk Acoustic Wave (BAW).
So funktioniert der neue Detektor für hochfrequente Gravitationswellen
Mehr zum Thema: Können Gravitationswellen die Krise der Kosmologie lösen? – für akustische Wellen, die durch ihre Dicke gehen. Diese Wellen induzieren dann im gesamten Gerät eine elektrische Ladung, die durch Anordnen leitfähiger Platten auf den Außenflächen der Quarzscheibe nachgewiesen werden kann.
Das BAW-Gerät wurde dann mit einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät namens SQUID verbunden, das als extrem empfindlicher Verstärker für das Niederspannungssignal der Quarz-BAW fungiert. Diese Baugruppe wurde in mehrere Strahlungsschilde gelegt, um sie vor elektromagnetischen Streufeldern zu schützen, und auf eine niedrige Temperatur gekühlt, damit der SQUID-Verstärker die akustischen Schwingungen eines niederenergetischen Quarzkristalls in Form von hohen Spannungen registrieren konnte.
Gravitationswellen ermöglichen es uns, unser Universum aus einer anderen Perspektive zu betrachten
Der gesamte Detektor ist unter anderem in einer strahlungsgeschützten Vakuumkammer untergebracht, um möglichst viele Störungen zu vermeiden. Mit diesem Setup führte das Team zwei Beobachtungsläufe durch und machte bei jedem Lauf eine Entdeckung – den ersten am 12. Mai 2019 und den zweiten am 27. November 2019. Das Team, zu dem Dr. Maxim Goryachev, Professor Michael Tobar, William Campbell, Ik Xiong Heng, Serge Galliu und Professor Yevgeny Ivanov gehörten, wird nun daran arbeiten, die Art des Signals zu bestimmen, das möglicherweise die Erkennung hochfrequenter Gravitationswellen bestätigt.
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Hochfrequente Gravitationswellen und andere Entdeckungen
Die Autoren der neuen Studie stellen fest, dass hochfrequente Gravitationswellen einige der möglichen entdeckten Kandidaten sind, aber andere Erklärungen könnten entweder das Vorhandensein geladener Teilchen oder die Ansammlung von mechanischer Spannung oder ein Meteoritenereignis oder ein interner atomarer Prozess sein. Darüber hinaus konnten die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit erstmals zeigen, dass solche Geräte als hochempfindliche Detektoren für Gravitationswellen eingesetzt werden können.
Die Kollision eines Schwarzen Lochs erzeugt Gravitationswellen
Weltweit in Derzeit laufen nur zwei Experimente, die nach hochfrequenten Gravitationswellen bei diesen Frequenzen suchen, und wir planen, unsere Abdeckung auf noch höhere Frequenzen auszudehnen, wo zuvor keine anderen Experimente und Studien durchgeführt wurden, berichten Physiker.
Interessanterweise wird die nächste Generation des Experiments einen Klon eines Detektors und eines Myonendetektors beinhalten, der für diese kosmischen Teilchen empfindlich ist. Ausführlicher darüber, was ein Myon ist und wie es entdeckt wurde, habe ich in diesem Artikel erklärt. Ich empfehle, es zu lesen. Nun, wenn zwei neue Detektoren das Vorhandensein von Gravitationswellen detektieren, dann wird es ein wirklich aufregendes Ereignis. Bist du einverstanden?