Wie britische Wissenschaftler in Gravitationswellen Durchbruch eine zentrale Rolle

Entdecken Sie unglaublich winzige Vibrationen von einer Explosion öffnet mehr als 1 Milliarde Lichtjahre entfernt ein neues Fenster auf Platz


Ein vor langer Zeit, in einer Galaxie weit, weit entfernten kollidierte zwei massive eingestürzten Stars – bekannt als schwarze Löcher –. Die daraus resultierende Explosion erstellt Wellen im Gefüge der Raumzeit. Bekannt als Schwerewellen, erreicht die Wellen Erde am 14. September letzten Jahres, wo sie durch ein paar von Detektoren, bekannt als der Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo) abgeholt wurden.

Es war eine astronomische erste. Nach jahrzehntelangen Bemühungen hatten Wissenschaftler Gravitationswellen, deren Existenz, die Albert Einstein mit einigem Zögern, 1915 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt hatte, schließlich entdeckt. Nicht überraschend, wurde die Erkennung als einen wissenschaftlichen Meilenstein gefeiert und machte weltweit Schlagzeilen. Wenn nichts anderes, das war sicherlich die letzte Rechtfertigung, ein Jahrhundert, von den großen Mann Genie.

Aber es gibt noch mehr zu der Entdeckung, denn dies ist auch eine Geschichte der bemerkenswerten wissenschaftlichen Schwein-Benommenheit und Entschlossenheit, hat viele Gemeinsamkeiten mit Samuels Herb Ansicht der Wiederverheiratung wird ein Triumph der Hoffnung über die Erfahrung. Sicherlich könnten Wissenschaftler nicht beschuldigt werden schwache Nerven. Für die letzten 30 Jahre neue Gravitationswellendetektoren wurden gebaut, aber keinen Hinweis auf diese extra galaktischen Signale lokalisieren. Wissenschaftler und Ingenieure einfach zurück ans Reißbrett und verfeinert ihre Instrumente – versuchen Sie es erneut, nur um erneut scheitern.

Im Jahr 1998 interviewte ich Professor Jim Hough Glasgow Universität Physik-Abteilung über seine Arbeit auf den Geo-600 Gravitationswellen-Detektor, die deutsch-britische Zusammenarbeit, die gerade außerhalb Hannover gebaut worden war. Hough ist seit 1970 Jagd Gravitationswellen und damals war zuversichtlich, dass diese neueste Maschine bald Zahlen Schmutz schlagen würde. "Wir Gravitationswellen durch 2001 ausfindig machen sollte," sagte er mir getrost zur Zeit. Es stellt sich heraus, dass er 15 Jahre heraus war.

"Zur Zeit, wir dachten, dass Supernovae – explodierende Sterne – Gravitationswellen erzeugen würde, das wäre ziemlich leicht zu erkennen," Hough sagt heute. "Dann die Theoretiker, dass sie wahrscheinlich produzieren nicht nachweisbar Gravitationswellen beschlossen. So mussten wir unsere Instrumente noch sensibler zu machen, so dass wir Wellen eher esoterischen Ereignissen, wie Kollisionen von Neutronensternen oder schwarzen Löchern abholen konnte."

Dies erwies sich als ausgesprochen schwierig, jedoch. Gravitationswellen kann durch enorm energetischen Ereignisse generiert werden, aber diese sind auch unglaublich remote. Infolgedessen wird eine Welle Energie abgeführt, ein winziger Teil seiner ursprünglichen Größe zu der Zeit es Erde erreicht und erzeugt eine Verschiebung von nur wenigen 100 Milliarden-Milliardstel von einem Meter in einem Detektor Instrumente.

Es klingt eine unglaublich winzige Messung zu machen. In der Tat ist der Prozess Relativitätstheorie einfach. Ein Detektor hat Tunnel entlang zwei lange Arme (auf Ligo sie erstrecken sich über 4km) und eine identische Lichtstrahl, der auf einer einzigen Wellenlänge abgestimmt ist, jeder von ihnen schien. Am Ende ist ein Spiegel, der reflektiert die Strahlen zurück durch den Tunnel zu einem zentralen Detektor, wo sie neu kombiniert sind, so dass ihre Wellenlängen im Schritt gehalten werden. In anderen Worten, Lichtstrahlen der Wellen-Gipfel zusammen, produziert einen hellen Fleck.

Jedoch werden wenn die Spiegel Positionen verschoben werden, sehr leicht – durch zum Beispiel eine Gravitationswelle die Längenänderung von mehr als der andere Arm – ein Höhepunkt auf einem Balken mit einem Trog in der anderen zeitgleich wird Balken und das Bild abgedunkelt werden.

Das Problem ist, dass Gravitationswellen sind nicht die einzigen Arten von Vibrationen, die einen Detektor beeinflussen können. Wenn eine Person in der Nähe eines seiner Spiegel geht, werden seine oder ihre Masse ausreicht, um einen winzigen gravitativen Einfluss auf, verursacht den Spiegel zu verschieben. Im Falle von Geo-600 ist das Problem der Nordsee. Die Küste ist mehr als 100km entfernt. Trotzdem erstellen, die Wellen schlagen auf jenem fernen Ufer ein klares Signal für seine empfindliche Instrumente. Glücklicherweise dieses Signal ist ein sehr rhythmischer und kann die Maschinenleistung entnommen werden.

Weit noch schädlicher ist das Problem der thermischen Rauschen – die Wärme des Gerätes selbst. Dies bewirkt, dass Spiegel und Halterungen leicht vibrieren wieder schaffen Störsignale. Umgang mit diesem Thema hat den Einfallsreichtum der Gravitationswelle Wissenschaftler an seine Grenzen getrieben und engagiert sich die Entwicklung von empfindlichen Systemen von Spiegeln und Pendel aus reinem Silizium hergestellt. Dieses System eliminiert die meisten thermische Schwingungen, die Detektoren in der Vergangenheit belastet haben.

Die Kieselsäure Einrichtung entwickelt bei Geo-600 verwendet vier Plattformen miteinander und voneinander in Schichten wie eine riesige, glänzende Mobile suspendiert. Dies beseitigt praktisch alle Schwingungen. "Es ist das wissenschaftliche Äquivalent zu den besten Kristallgläsern", sagt Hough Kollege Professor Sheila Rowan.

Das System wurde entwickelt, mit Beiträgen von einem Team von Wissenschaftlern von Strathclyde, Glasgow und Birmingham Universitäten und des Rutherford Appleton Laboratory in der Nähe von Didcot in Oxfordshire und war die letzte Komponente der sensationell erfolgreich Upgrade von Ligo. Wissenschaftler in den Laboren Ligo – basiert auf Hanford in den USA der Pazifische Nordwesten und die andere in Livingston, Louisiana – Jagd nach Gravitationswellen im Jahr 2002 begonnen hatte. Die zwei Detektoren nichts gefunden und wurden im Jahr 2010 abgeschaltet. Eine $200m Upgrade beteiligt Einbau mit neuen Features, die die Kieselsäure Spiegel enthalten, die britische Wissenschaftler entwickeln geholfen hatte.

Innerhalb von Wochen traf die Maschinen zahlen Schmutz. Im September letzten Jahres erkannt beide Gravitationswellen, die da gezeigt haben, von zwei massereiche Schwarze Löcher Kollision 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde kommen. "Wir haben es geschafft. Das war wirklich eine wissenschaftliche Moonshot. Wir landeten auf dem Mond", sagte David Reitze, Geschäftsführer von Ligo.

Anzumerken ist, dass diesmal Hough bemerkenswert vorausschauend bei der Antizipation der Entdeckung gewesen. "Wir sehen sollte Gravitationswellen, wahrscheinlich in eine amerikanische Maschine mit unseren Geräten bis etwa 2015," sagte er mir in einem 2012-Interview. Und das, natürlich, ist genau das, was sich zugetragen hat.

Die Begeisterung, mit der diese Entdeckung begrüßt worden, ist verständlich, wenn wir klar sein sollte, wie es dazu kam. Der theoretische Rahmen, die Gravitationswellen erklärt ist alt: Es wurde 1915 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein skizziert. Weder ist die grundlegende Methode neue: es war vor 20 Jahren im Einsatz.

Was den Zustand des Spielfeldes geändert wurde die Beteiligung der Teams von Wissenschaftlern aus verschiedenen Disziplinen und verschiedenen Nationen, darunter Großbritannien, Deutschland und den USA, die ihre Talente zu Wege finden, um alle Störsignale zu beseitigen, die Detektion von Gravitationswellen blockierten kombiniert. Diese massive Bereinigung Übung beteiligt viele Leute: Werkstoffwissenschaftler, der diese zarten Kieselsäure Spiegel entwickelt, die die thermische Schwingungen; entfernt Geologen, spielte eine Schlüsselrolle für das Verständnis der seismische Ereignisse, die Detektoren betroffen; und laser-Wissenschaftler, die die besondere stabile Balken nun in diesen Maschinen erstellt.

Das Engagement, das Niveau der Zusammenarbeit und den Fleiß und Entschlossenheit angezeigt, indem diese Jäger von Gravitationswellen ist verblüffend, und eine erfreuliche Hinweis darauf, was von der großen Wissenschaft erreicht werden. Seit Jahrzehnten neue Kopfschmerzen und Problemen zu kämpfen die Suche nach Gravitationswellen, aber mit bemerkenswerten Härte haben sie beiseite swatted worden.

Wir sollten zur Vorsicht, natürlich, einen Klang von Astronomen Gerry Gilmore der Universität Cambridge aufzeichnen. "Gravitationswellen sind"klassischen"Physik, die nur 5 % des Universums verbunden sind, die der gewöhnliche Materie gemacht wird", betont er. "Wir haben immer noch die Natur der Wirklichkeit zu entdecken. Also lasst uns aufgeregt aber bescheiden bleiben. Wir wissen in der Tat mehr und mehr, aber es ist immer noch alles über sehr wenig. Es geht zum Beispiel die Zusammensetzung der dunklen Materie zu entdecken."

Ist die Ligo-Ergebnis immer noch eine bemerkenswerte Entdeckung, natürlich, aber was kommt danach? Es gibt viele Antworten auf diese Frage herausstellt. Für den Anfang, es ist nun klar, dass Astronomen eine neue Art der Astronomie geschaffen haben: Gravitationswelle Beobachtung.

Bis jetzt hat alles, was wir, über das Universum gelernt haben basiert auf Studien der elektromagnetischen Strahlung – von Infrarot, sichtbares Licht, Gamma-Strahlen. Gravitationswellen sind gonna geben uns eine neue Sichtweise auf das Universum. In der Tat haben sie bereits ein unerwartetes Ergebnis geworfen. Das Platzen der röntgenologisch Ligo Gravitationswellen zeigt, dass sie entstanden durch eine Kollision eines schwarzen Lochs – ein kollabierten Stern, der 35-Mal die Masse unserer Sonne war – mit einem anderen, die etwas kleiner war.

"Wir waren zuversichtlich über die Existenz von kleinen schwarzen Löchern ein paar Mal die Masse der Sonne, und sehr, sehr große", sagt Hough. "Aber dies bestätigt die Existenz einer Reihe von zwischen-schwarze Löcher, worüber wir theoretische Zweifel hatte." Jetzt sind alle gegangen. Wir sind bereits unterwegs."

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