Wir haben Gravitationswellen gefunden. Was nun?

David Reitze, Geschäftsführer des LIGO-Labors, nahm das Podium beim National Press Building in Washington, DC, an diesem Morgen, und sprach die Worte, die wir alle gespannt warte schon zu hören: "Wir haben Gravitationswellen entdeckt." Und einem voll besetzten Auditorium in Caltechs Cahill Gebäude in Pasadena — wo hatte Menschen versammelt, um den live-Feed zu sehen – in wilden Applaus ausbrach.

Ähnliche Szenen wahrscheinlich spielten am MIT, in Livingston, Louisiana, in Hanford, Washington, und in Europa, weil LIGO eine $ 1 Milliarde internationale Zusammenarbeit mit Hunderten von Wissenschaftlern ist. Und dieser Moment wurde 100 Jahre in der Herstellung. Einstein sagte voraus, die Existenz von Gravitationswellen mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie 1915 und Physiker aufgedeckt indirekte Hinweise in den 1970er und 1980er Jahren. Aber direkte Erkennung schwer fassbaren bewährt – bis jetzt. Und gerade jetzt beginnt die Geschichte von Gravitationswellen und was sie uns sagen können.

Hier ist, wie es ging. Am 14. September 2015 abgeholt um 5:51 Uhr EST, die LIGO-Detektoren an Livingston und Hanford beide Signale innerhalb von Millisekunden voneinander. Die Wellenformen der diese Signale abgestimmt genau vorhersagen der Simulationen (siehe links).

Es ist wie eine Audio-Fingerabdruck, vergleichbar mit den Verfall Unterschriften, mit denen energiereiche Physiker subatomaren Teilchen produziert in Kollisionen am Large Hadron Collider zu identifizieren. Und es ist genau das, was man erwarten würde, in Ihre Daten zu finden, wenn zwei schwarze Löcher, etwa 30 Sonnenmassen jeder (das 30 Mal größer als unsere Sonne), schraubte nach innen aufeinander zu und in einer massiven Kollisionsereignis zusammengeführten sendet starke Schockwellen, die Rippen in Raumzeit, etwa 1,3 Milliarden Jahren.

In der Tat war es so sauber, dass Reitze besorgt es war zu schön, um wahr zu sein. So hat Alan Weinstein, der LIGO Caltech leitet. Immerhin hatte in der frühen Betriebsphase des LIGO, Projektleiter absichtlich falsche Signale zu testen, die strenge der Analyse Daten eingefügt. Obwohl seine Kollegen ihm versichert, dass dieses neue Signal keine so genannte "blinde Injektion" Übung war, konnte es nicht Weinstein ganz glauben. Er fragte mich, ob es die Arbeit von einem verärgerten Mitglied des LIGO Teams Einspritzen ein falsches Signal in die Daten als Rache.

Oder vielleicht war es die Arbeit der ein böser Geist. "Wir das Böse Genie-Hypothese ausschließen kann nicht," deadpanned er während einer Pressekonferenz am Caltech. "Wir tun unser Bestes, um das Böse Genie-Hypothese auszuschließen. "Aber ich möchte glauben, dass eine Kollision der binären Schwarzen Loches wahrscheinlicher ist."

Aus nur, dass ein Signal allein könnten Physiker die Massen der beiden schwarzen Löcher schließen, durch das Studium der Frequenz (einer war 29 Sonnenmassen, die 36 Sonnenmassen). Nach der Fusion der neugeformte schwarzes Loch fehlte etwa 3 Sonnenmassen – in einem mächtigen Stoß von Gravitationswellen abgestrahlt. Stellen Sie sich drei unserer Sonnen plötzlich vernichtet und erhalten Sie eine Vorstellung davon, wie viel Energie wir hier reden. Studium der Amplitude erzählte ihnen, dass die Kollision passiert etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt in der südlichen Hemisphäre.

"Stellen Sie vor, dein ganze Leben Sie taub gewesen war, bis eines Tages Ihr Gehör wieder hergestellt wurde."

Nicht nur dies ist der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen, ist es auch der erste Beweis, dass binären Schwarzen Loches Systeme tatsächlich vorhanden sind. Und alles, was, die diese kamen aus Daten während einer technischen, rechts laufen, nachdem die aktualisierten Advanced LIGO online kam. Es ist noch nicht Jagd auf volle Empfindlichkeit noch. Wenn das passiert, erwarten Physiker zu viele weitere solche Veranstaltungen, indem Sie ihnen ein neues Fenster in wie das Universum funktioniert. In der Tat Weinstein sagte, dass wäre eine zusätzliche 12 LIGO-bezogenen Papiere geschrieben von heute.

Das LIGO macht "ein neues Instrument für die Beobachtung einer neuen Form der Strahlung kommen vom Himmel", sagte Bill Weber, ein Physiker an der Universita di Trento und Mitglied der LISA Pathfinder Zusammenarbeit.

"Erste Erkennung ist sehr wichtig in Bezug auf die grundlegende Physik wegen was es über die Schwerkraft sagt, aber auch ein Fenster auf, was das dunkle Universum bisher", sagte Avery Broderick, Physiker am Perimeter Institute und der University of Waterloo in Kanada. "Seit Jahrhunderten Astronomen wurden nach oben in den Nachthimmel und Nachdenken über die helle Seite des Universums. Jetzt gehen wir unseren ersten Blick auf die dunkle Seite zu bekommen. Es gibt jede Erwartung, dass es genauso reich und spannend sein wird."

Betrachten Sie das revolutionäre Potenzial so: jedes Mal, wenn unser Universum in einer anderen Wellenlänge des Lichts Astronomen angeschaut haben – mit Röntgenstrahlen, Infrarot, Radio oder Gamma Strahlen – sie haben entdeckt, dass Aspekte, die wir sonst nicht gesehen hätte. Gravitationswellen sollte nicht anders, nur mit etwas mehr Licht ähnlich Klang. Jetzt zusätzlich mit Blick auf unser Universum, hören wir es auch. Wie Jorge Cham PhD Comics so eloquent formulierte es in seiner illustrierten Erklärer, "Stellen Sie sich Ihr ganze Leben Sie taub gewesen war, bis eines Tages Ihr Gehör wiederhergestellt wurde."

Der wesentliche Unterschied ist, dass während Ton ein Medium erfordert, um zu reisen, Gravitationswellen das Medium durchlaufen – in diesem Fall Raumzeit selbst. "sie buchstäblich squash und spannen Sie den Stoff der Raumzeit", sagte Chiara Mingarelli, eine Gravitationswelle Astrophysiker am Caltech, Gizmodo. Für unsere Ohren würden die Wellen von LIGO erkannt klingt wie ein Chirp ("woo-OOP").

Wie genau wird diese Revolution geschehen? Nun, hat LIGO derzeit zwei Detektoren, die als "Ohren" für Wissenschaftler, mit mehr Detektoren geplant, um in Zukunft online geschaltet werden. Und während LIGO es zunächst im Hinblick auf die direkte Nachweis bekommen haben – ehrlich gesagt, es wurde immer erwartet, dies zu tun – es ist nicht das einzige Spiel in der Stadt. Es gibt mehr als eine Art von Gravitationswellen. In der Tat gibt es ein ganzes Spektrum, ähnlich wie es viele verschiedene Arten von Licht unterschiedlicher Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum gibt. So gibt es weitere Kooperationen zugeschnitten Wellen bei Frequenzen über welche LIGO jagen soll (die Millisekunde Regime) zu erkennen.

Mingarelli arbeitet mit der NanoGRAV (North American Nanohertz Observatorium für Gravitationswellen) Zusammenarbeit, Teil einer größeren internationalen Konsortiums, das auch das Europäische Pulsar-Timing-Array und des Parkes Pulsar-Timing-Arrays in Australien. Wie der Name schon sagt, sind NanoGRAV Wissenschaftler sehr niederfrequente Gravitationswellen in 1 bis 10 Nanohertz Regime Jagd; LIGO Empfindlichkeit ist im Kilohertz (hörbar) Teil des Spektrums. Das macht für sehr lange Wellenlängen; in der Tat dauert es zehn Jahre, um einen einzigen Zyklus abgeschlossen.

Die Zusammenarbeit stützt sich auf Pulsar Daten dem Arecibo-Observatorium in Puerto Rico und der Green-Bank-Teleskop in West Virginia. Pulsare sind im Grunde schnell rotierende Neutronensterne, gebildet, wenn mehr Masse als die Sonne Sterne explodieren und Zusammenbruch nach innen. Spinnen sie schneller und schneller, als sie schrumpfen wie ein schweres Gewicht auf das Ende einer Leine schneller schwingen wird und je kürzer das Seil schnellere wird.

Sie geben auch mächtige Explosionen der Strahlung wie sie drehen, ebenso wie der Strahl eines Leuchtturms, die als Impulse von Licht zurück auf der Erde erkannt werden. Und die regelmäßige Rotationen sind bemerkenswert präzise – bis vor kurzem so genau wie eine Atomuhr. Dadurch sind sie einen ideale kosmischen Detektor von Gravitationswellen. In der Tat kam die erste indirekte Beweise Pulsare in 1974, als Joseph Taylor, Jr. und Russell Hulse fand, dass ein Pulsar umkreisen eines Neutronensterns im Laufe der Zeit langsam schrumpfte zu studieren – ein Effekt einer erwarten zu sehen, ob es Teil seiner Masse in Energie in Form von Gravitationswellen konvertiert wurde.

Im Falle NanoGRAV wäre die Smoking Gun eine Art schimmernden Effekt. Die Hülsenfrüchte sollten zur gleichen Zeit ankommen, aber wenn sie durch eine Gravitationswelle geschlagen sind, sie kommen etwas früher oder später, weil Raumzeit wird schrumpfen oder dehnen, wie die Welle durchläuft.

Pulsar-Timing-Arrays (PTA) sind besonders empfindlich auf die Gravitationswellen durch die Zusammenlegung der supermassiven schwarzen Löcher 1 Milliarde oder zehn Milliarden Mal die Masse unserer Sonne, wie Sie glaubten, in der Mitte der massereichsten Galaxien lauern. Sollten zwei solcher Galaxien verschmelzen, so würde die schwarzen Löcher in ihren Zentren, Gravitationswellen aussenden. "LIGO sieht ganz am Ende der Fusion, wenn die Binärdateien sehr eng beieinander liegen", sagte Mingarelli. "Mit PTAs, würden wir sie früher in der Spirale-Phase, wenn sie gerade erst anfangen zu einander umkreisen sehen."

Dann gibt es die weltraumgestützte Mission bekannt als LISA (Laser Interferometer Space Antenne). Erdgebunden LIGO eignet sich zum Nachweis von Gravitationswellen entspricht der menschlichen audio-Teil des Spektrums – die Art von diesem neu entdeckten binären Schwarzen Loches Fusion produziert. Aber viele interessante Quellen dieser Wellen sind bei niedrigeren Frequenzen. Physiker müssen also gehen in den Raum, sie zu erkennen. Das primäre Ziel der aktuellen LISA Pathfinder-Mission (gestartet im Dezember) soll die Detektortechnologie zu validieren. "Mit LIGO, das Instrument, knacken das Vakuum und Fix Dinge Herunterfahren können", sagte MITS Scott Hughes. "Wenn Sie im Raum vermasseln, bist du tot. "Du hast es von Anfang an alles in Ordnung zu bekommen." Wie Gizmodo Maddie Stone zurück im Dezember schrieb:

[LISA] Ziel ist einfach: mit Laser-Interferometer, das Raumschiff wird versuchen, die relativen Positionen der zwei 1,8-Zoll-Gold-Platin-Würfel im freien Fall genau zu messen. Untergebracht in separate Elektrode Boxen, die nur 15 Zoll auseinander, die Test-Objekte aus dem Sonnenwind und andere äußere Kräfte, abgeschirmt werden, derart, dass die winzigen Bewegungen verursacht durch Gravitationswellen (hoffentlich) erkannt werden können.

Schließlich gibt es zwei Experimente zum Ziel die Abdrücke hinterlassen von primordialen Gravitationswellen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (das Nachglühen des Urknalls): BICEP2 (Hintergrund Imaging of Cosmic extragalaktischen Polarisation 2) und der Planck-Satellit-Mission. BICEP2 erklärte berühmt, dass es solche Beweise, im Jahr 2014 gefunden hatte, nur um seine Hoffnungen abgelassen, wenn diese Signale erwies sich aufgrund von kosmischem Staub.

Aber beide Kooperationen sind die Jagd, in der Hoffnung, Licht auf die frühe Geschichte unseres Universums fort – und hoffentlich die Bestätigung einer wichtigen Vorhersage der inflationären Theorie. Diese Theorie sagt voraus, dass das Universum kurz nach seiner Geburt einen schnelles Wachstum-Spurt unterzog sich, der starke Gravitationswellen, so dass einen Abdruck in der CMB in Form einer speziellen Ausrichtung von Lichtwellen (Polarisation) produziert haben sollte.

Jede dieser vier Gravitationswelle Regime geben Astronomen vier neue Fenster ins Universum.

Aber wir wissen, was du wirklich denkst – doch jetzt es Zeit die Warp-Antriebe hochzufahren ist, baby! Bedeutet die LIGO-Entdeckung, dass sollten wir alle Zeichen oben für Star Flotte nächste Woche? "Ich denke, das ist die Antwort eindeutig"Nein"," Broderick sagte. "Aber je besser wir verstehen Schwerkraft, desto besser können wir uns vorstellen, versuchen, so etwas zu entwerfen. Das ist, was Wissenschaftler tun. Wir herausfinden, wie das Universum funktioniert, so dass wir unsere Fähigkeit, die es unseren Willen innerhalb dieser Gruppe von Regeln unterwerfen optimieren können."

Also... du sagst es gibt Chance. Machen Sie es so.

Folgen Sie des Autors @JenLucPiquant.

Maddie Stone trug zu diesem Artikel berichten.