Warum Suche nach Gravitationswellen so eine große Sache wäre


Dieser Artikel erschien ursprünglich am 11.01.2016.

Heute Morgen brach im Internet Gerüchte, dass Physiker haben schließlich Gravitationswellen beobachtet; Wellen im Gefüge der Raumzeit, die vor einem Jahrhundert von Albert Einstein vorhergesagt. Es ist zwar nicht das erste Mal wir aufgeregt flüstert die schwer fassbare Phänomene gehört haben, fühlt sich der Klatsch erfolgversprechender im Hinblick auf die kürzlich aktualisierten Detektor am Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), die hinter all dem Trubel ist.

Gravitationswellen zu entdecken wäre eine große Sache für Physik, Kosmologie und unser Verständnis des Universums im großen. Aber bist du kein Wissenschaftler eines der genannten Felder zu studieren, es ist möglich, dass Sie noch nie von diesen geheimnisvollen Wellen gehört. Was der Teufel sind Gravitationswellen, und warum haben Physiker seit einem Jahrhundert zu kämpfen? Außerdem, warum sollten wir kümmern?

Einfach ausgedrückt, Gravitationswellen sind Schwingungen im Gewebe des Universums – Lichtgeschwindigkeit Wellen in der Raumzeit selbst, verursacht durch episch gewalttätigen Ereignisse wie explodierende Sterne und schwarze Loch Fusionen. Dank unvorstellbar groß, gewalttätigen und fernen himmlischen Ereignisse sind die Atome, aus denen sich alles von den Sternen am Himmel den Menschen auf der Erde ein kleines bisschen, die ganze Zeit schütteln.

Und durch winzige ich meine wirklich winzig. Für all die Energie, die in der Herstellung von Gravitationswellen geht, sind die Raumzeit Wellen sich unglaublich leise. Physiker schätzen, dass durch die Zeit-Gravitationswellen die Erde erreichen, sie sind in der Größenordnung von einem Milliardstel der Durchmesser eines Atoms. Sie brauchen unglaublich präzise Instrumente in völlig geräuschlos Umgebungen zu messen, und bis vor kurzem unsere Detektoren einfach nicht bis zu Schnupftabak.

Numerische Simulation von zwei verschmelzen schwarze Löcher, die von der Albert-Einstein-Institut in Deutschland durchgeführt. Image Credit: Werner Benger / Wikimedia

Aber die Gravitationswelle Erkennung Spiel ist verändert in letzter Zeit mit einer jüngsten Flut von Verbesserungen an unseren führenden bodengebundene Observatorium, LIGO, und mit der Einführung des allerersten weltraumgestützten Gravitationswellendetektor Detektors LISA Pathfinder. Bewaffnet mit diesen zwei Labors, sind Physiker zuversichtlich, dass wir unsere allererste Raumzeit-Wellen bis Ende des Jahrzehnts messen können. Nun, es sieht wie das Tag früher viel kommen könnte.

Nachweis von Gravitationswellen ist im Prinzip ganz einfach; in der Praxis ist es wahnsinnig schwierig. Was Physiker zu tun versuchen misst kleine Schwankungen in den Abstand zwischen zwei Objekten durch eine bekannte Menge getrennt. Aber weil die atomare Bammel, was, die wir hoffen zu erkennen, so verdammt winzig sind, brauchen wir Experimente, die Objekte durch große Entfernungen voneinander trennen können. Wir müssen selbst dann Veränderungen in Distanz zu messen, sehr, sehr genau.

Das ist das Prinzip hinter unserer aktuellen State-of-the-Art Gravitationswellendetektoren. Im Falle von LIGO, die zuerst in den frühen 2000er Jahren online ging, sind zwei Spiegel hing sehr weit voneinander entfernt (in Richland, Washington und Baton Rouge, Louisiana), bilden einen primäre Arm, während ein weiterer zwei Spiegel senkrecht dazu eingerichtet wurden. Ein Lichtstrahl, der Laser ist ging durch einen Strahlteiler und hin und her zwischen beiden Armen spiegeln viele Male vor der Rückkehr zu seiner Quelle hüpfen durfte.

"Wenn die zwei Arme identische Längen haben, dann Interferenz der Lichtstrahlen wieder in den Strahlteiler leiten wird, dass alle das Licht zurück in Richtung der Laser", erklärt eine Caltech-informationelle-Website auf LIGO. "Aber wenn es einen Unterschied zwischen den Längen der beiden Teile gibt, etwas Licht reist, wo es von einem Photodetektor erfasst werden kann."

Einfache schematische Darstellung der LIGO-Detektor. Über LIGO.

In diesem Fall entsteht ein elektrisches Signal – und es hat bis zu Wissenschaftler um festzustellen, ob sie nur eine bona fide Gravitationswelle miterlebt. Das Problem ist, unser Planet ist ein unruhiger Umgebung, und viele andere Arten der Bewegung von Erschütterungen in der Erde zu Autos und Züge, kann das Signal Dreck. Die Hintergrundgeräusche unseres Planeten, gepaart mit Beschränkungen durch den Abstand der Melder, hat einige schwerwiegenderen Einschränkungen für unsere Fähigkeit zu erschnüffeln Gravitationswellen aus dem Boden. Die erste LIGO Beobachtungsdaten Kampagne, die im Jahr 2010 endete, kamen keine festen Beweise, obwohl wir fast täuschen durch eine gefälschte Signal bewusst pflanzte die LIGO innere Angelegenheiten Kommission Wissenschaftler auf Trab zu halten.

Aber im Anschluss an die Kampagne 2010 LIGO unterzog sich einer Reihe von Upgrades über einen Zeitraum von fünf Jahren. Als Advanced LIGO schließlich vergangenen September online kam, waren seine glänzenden neuen Detektoren dreimal empfindlicher als die anfängliche LIGO-Experiment. Das bedeutet Advanced LIGO können jetzt in einer viel ausgedehnteren Schneise der Raum "hören" – bis zu 225 Millionen Lichtjahre entfernt, im Vergleich zu den 65 Millionen Lichtjahren Entfernung erreicht während der letzten Gravitationswelle Jagd. Und schließlich die Wissenschaftler hoffen, Advanced LIGO Empfindlichkeit bis zehnmal zu steigern, die von der ursprünglichen LIGO experimentieren.

Die Jagd nach Gravitationswellen ist auch für dieses Jahr zum ersten Mal nach Raum geleitet. LISA Pathfinder, die am 2. Dezember ins Leben gerufen, ist ein Proof-of-Principle-Experiment, die grundlegende Technologien zur Detektion von Gravitationswellen jenseits der Erde testen werde.

Computermodell des LISA Pathfinder experimentelle Kammern (gold-Boxen) und Laser-Interferometer-System (Mitte). Über ESA.

Es gibt ein paar Gründe, warum Weltraum ist ein überzeugendes Ort Suche nach Gravitationswellen. Zum einen ist es eine viel ruhigere Umgebung als die Erde – die einzige wirklichen Quellen von Hintergrundgeräuschen, die wir zu kämpfen haben werden, Sonnenwind und kosmische Strahlung, die durch sorgfältige Schirmung vermieden werden kann. (In der Abbildung der LISA Pathfinder experimentelle Kammer oben gezeigt, sind zwei Testmassen in separate Elektrode-Boxen, wo sie von allen äußeren Kräften geschützt sind untergebracht. Wie bei LIGO, wird der Abstand zwischen ihnen genau gemessen mit Laser Interferometer.)

Aber der wahre Grund warum die Wissenschaftler die Jagd nach Gravitationswellen Raum bringen mit Abstand zu tun hat. Befreit von den räumlichen Zwängen eines kleinen felsigen Planeten, wir können Positionierung von Objekten viel weiter auseinander, und dabei so ein viel breiteres Netz für Gravitationswellen gegossen. Während LISA Pathfinder Experiment versucht, die relative Position der beiden Massen getrennt durch eine bloße 15 Zoll messen, könnte eine zukünftige weltraumgestützten Gravitationswellendetektor Observatorium basierend auf Lisas Technologie genau dasselbe über Hunderte von Tausenden von Meilen tun.

Warum Gravitations Wellen so eine große Sache zu beobachten ist? Abgesehen von der Tatsache, dass es ein großes Stück von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bestätigen würde können Gravitationswellen verwendet werden, einige der geheimnisvollsten Phänomene in den Kosmos zu erforschen. Als LISA Pathfinder sagte Wissenschaftler Bill Weber Gizmodo letzten Monat, sie sind "der direkteste Weg der Untersuchung großen Teil des Universums, das dunkel ist."

Schwarze Löcher, Neutronensterne und andere Objekte, die nicht Leuchten sind sehr schwierig, direkt von unserem Standpunkt aus zu studieren. Aber Gravitationswellen, die solche Objekte wie ein Messer durch Butter zu durchlaufen, bieten uns ein Fenster. In das dunkle Universum mit Gravitationswellen sondieren, könnten wir neue himmlische Wunder entdecken wir nie davon geträumt.

LISA Pathfinder, bereit, im Dezember 2015 zu starten. Über ESA.

Was mehr ist, als Fingerabdrücke der energiereichsten Ereignisse im Universum, können Gravitationswellen helfen uns zu verstehen, wie die Kraft von Schwerkraft unter extremen Bedingungen funktioniert; Das heißt, in der Nähe von starken Feld Limit. Es gibt eine Menge, die wir einfach nicht wissen, über wie die Gravitation funktioniert wenn sehr massereiche Objekte bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit umeinander tanzen.

Das Gerücht, die wir heute gehört, dass Advanced LIGO Gravitationswellen, erkannt haben, kann noch nicht bestätigt werden. Gizmodo Jennifer Ouellette weist darauf hin, ist es wahrscheinlich, dass die LIGO-Gemeinschaft wird nicht uns Seelenfrieden jederzeit schnell bieten. Aber die Tatsache, dass Physiker in einem Tizzy über die bloße Möglichkeit spricht die vielversprechende Zukunft für den Nachweis von Gravitationswellen. LIGO Empfindlichkeit wächst weiter, und als LISA Pathfinder in eine stabile Umlaufbahn in der L1 Lagrange-Punkt einnistet, können wir viele weitere flüstert der Raumzeit Wellen erwarten — vielleicht sogar einige dürftige Überprüfung – in den Wochen und Monaten zu kommen.

Spannende Zeiten, in die wir leben.

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Bild oben: LISA Pathfinder Elektrodenkammern Gehäuse, wo die ersten Raum-basierte Tests für Gravitationswellen stattfinden wird, über statt CGS SpA.

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