Astronomie

Was ist die Nachweisschwelle von Gravitationswellen für LIGO?

Was ist die Nachweisschwelle von Gravitationswellen für LIGO?


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Da nun zwei Neutronensterne entdeckt wurden, die über Gravitationswellen verschmelzen, frage ich mich, was die aktuelle Nachweisschwelle ist, die die LIGO-Detektoren erreichen können.

Angesichts der Tatsache, dass die ersten beobachteten Objekte zwei Schwarze Löcher mit einer Gesamtmasse von mehr als 60 Sonnenmassen waren und sie jetzt zwei Neutronensterne mit einer Gesamtmasse von nur etwa 3 Sonnenmassen entdeckten, fragte ich mich, was die Schwelle war, die diese Detektoren tatsächlich erkennen können .

Offensichtlich gibt es viel größere Sterne, die sich gegenseitig umkreisen, aber ihre Größe und ihr Abstand machen es zu schwer, Gravitationswellen zu entdecken. Welche Massen und in welchen Entfernungen können wir also in Zukunft erwarten?


Ich fürchte, das ist nicht einfach

Die Amplitude des Gravitationswellen-Dehnungssignals von einem verschmelzenden kompakten Doppelstern (Neutronenstern oder Schwarzes Loch) beträgt $$h sim 10^{-22} left(frac{M}{2.8M_{odot}} ight )^{5/3}left(frac{0.01{ m s}}{P} ight)^{2/3}left(frac{100 { m Mpc}}{d} ight ),$$ wobei $M$ die Gesamtmasse des Systems in Sonnenmassen ist, $P$ die momentane Umlaufzeit in Sekunden und $d$ die Entfernung in 100s von Mpc ist. $h sim 10^{-22}$ ist eine vernünftige Zahl für die Empfindlichkeit von LIGO gegenüber Gravitationswellen, wo sie am empfindlichsten ist (bei Frequenzen von 30-300 Hz).

Sie können also sehen, dass Sie zur Erhöhung der Beobachtbarkeit die Masse erhöhen, die Periode verringern oder die Entfernung verringern können.

Aber hier sind die Komplikationen. LIGO ist nur zwischen ca. 30-300 Hz empfindlich und die GW-Frequenzen sind zweimal die Orbitalfrequenz. Daher kann man die Periode nicht auf etwas sehr kleines verkürzen, weil es außerhalb des LIGO-Frequenzbereichs liegen würde, und man kann auch nicht die Masse auf etwas zu viel erhöhen, das zu viel größer ist als die bereits gesehenen Schwarzen Löcher, weil sie verschmelzen, bevor sie eine ausreichend hohe Umlaufbahn erreichen können Frequenzen zu sehen. (Die Häufigkeit bei der Verschmelzung beträgt $propto M^{-1}$).

Eine weitere Komplikation besteht darin, dass die Entwicklung der Signale bei geringeren Massen schneller ist. Das heißt, die Änderungsrate von Frequenz und Amplitude nimmt mit der Gesamtmasse schnell zu. Aus diesem Grund war die jüngste Verschmelzung von Neutronensternen 100 Sekunden lang von LIGO nachweisbar, während die massereicheren Verschmelzungen schwarzer Löcher nur etwa 1 Sekunde lang zu sehen waren. Dies bedeutet jedoch, dass Sie weniger Zyklen des Signals des Schwarzen Lochs haben, die "aufsummiert" werden können, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, was bedeutet, dass Quellen mit höherer Masse sind Weniger nachweisbar, als es eine einfache Anwendung der oben angegebenen Formel nahelegen würde. Eine weitere Komplikation besteht darin, dass es einen geometrischen Faktor gibt, der davon abhängt, wie die Quelle und die Detektoren zueinander ausgerichtet sind.

OK, das sind Komplikationen, aber die Formel kann immer noch als Näherung verwendet werden. Wenn wir also das GW170817-Signal nehmen, betrug die Gesamtmasse etwa $2,8M_{odot}$, die Quelle lag bei 40 Mpc, also hätte man bei Frequenzen von 200 Hz (entsprechend einer Periode von 0,01 s) ein Dehnungssignal erwartet expected von etwa $3 imes 10^{-22}$. Dies ergab ein sehr leicht nachweisbares Signal. Das Entdeckungspapier (Abbot et al. 2017) sagt, dass der "Horizont" für die Detektion ungefähr 218 Mpc für LIGO-Livingston und 107 Mic für LIGO-Hanford betrug. Da die Quelle viel näher als diese Zahlen war, überrascht es nicht, dass die Erkennung stark war.

Wenn wir die obige Formel und eine feste Umlaufzeit von 0,01 s verwenden, können wir sehen, dass die Horizontentfernung als $sim M^{5/3}$ skaliert. Ein binäres Schwarzes Loch von $10 M_{odot} + 10 M_{odot}$ könnte also zu $218 imes (20/2.8)^{5/3} = 5.7$ Gpc gesehen werden (dies ist eine Überschätzung um a Faktor von wenigen wegen des oben diskutierten Problems der Geschwindigkeit der Entwicklung zur Fusion).

Eine ausführlichere und technische Diskussion kann hier gelesen werden, obwohl dies ein paar Jahre veraltet ist und die Reichweite von LIGO seit diesen Berechnungen um etwa den Faktor fünf erweitert wurde.


Abbildung 1 dieses Artikels zeigt die Horizontentfernung (Entfernung, bis zu der ein zirkular polarisiertes Overhead-Signal bei SNR 8) für größere Massensysteme bis zu einer Gesamtmasse von 1000 Sonnenmassen unter Annahme einer Suche mit kompakten binären Koaleszenzschablonen erfasst würde. Bei höheren Massen ist die Signalamplitude im Allgemeinen größer, aber sie verschmelzen bei niedrigeren Frequenzen, so dass die Signale im empfindlichen Band der Detektoren im Allgemeinen eine kürzere Lebensdauer haben. Da sie kürzer sind, sehen sie leider auch eher wie Klassen instrumentaler Störungen aus. Wenn sie also nicht so stark sind (knapp über einem Schwellenwert von ungefähr SNR 8), kann der Hintergrundpegel groß sein und zu einer geringeren Signifikanz von . führen irgendwelche Kandidaten.


Was ist die Nachweisschwelle von Gravitationswellen für LIGO? - Astronomie

Das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) ist ein groß angelegtes physikalisches Experiment und Observatorium, das entwickelt wurde, um kosmische Gravitationswellen zu erkennen und Gravitationswellenbeobachtungen als astronomisches Werkzeug zu entwickeln. [1] In den Vereinigten Staaten wurden zwei große Observatorien mit dem Ziel gebaut, Gravitationswellen durch Laserinterferometrie zu detektieren. Diese Observatorien verwenden Spiegel im Abstand von vier Kilometern, die eine Änderung von weniger als einem Zehntausendstel des Ladungsdurchmessers eines Protons erkennen können. [2]

Die ersten LIGO-Observatorien wurden von der National Science Foundation (NSF) finanziert und wurden von Caltech und MIT konzipiert, gebaut und betrieben. [3] [4] Sie sammelten Daten von 2002 bis 2010, aber es wurden keine Gravitationswellen entdeckt.

Das Advanced LIGO-Projekt zur Verbesserung der ursprünglichen LIGO-Detektoren begann 2008 und wird weiterhin von der NSF unterstützt, mit wichtigen Beiträgen des britischen Science and Technology Facilities Council, der deutschen Max-Planck-Gesellschaft und des Australian Research Council. [5] [6] Die verbesserten Detektoren wurden 2015 in Betrieb genommen. Der Nachweis von Gravitationswellen wurde 2016 von der LIGO Scientific Collaboration (LSC) und der Virgo Collaboration unter internationaler Beteiligung von Wissenschaftlern mehrerer Universitäten und Forschungseinrichtungen berichtet. Die am Projekt beteiligten Wissenschaftler und die Analyse der Daten für die Gravitationswellen-Astronomie werden vom LSC organisiert, dem weltweit mehr als 1000 Wissenschaftler [7] [8] [9] sowie 440.000 aktive [email protected] gehören Dezember 2016 [aktualisieren] . [10]

LIGO ist das größte und ehrgeizigste Projekt, das jemals von der NSF gefördert wurde. [11] [12] 2017 wurde Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry C. Barish der Nobelpreis für Physik "für entscheidende Beiträge zum LIGO-Detektor und zur Beobachtung von Gravitationswellen" verliehen. [13]

Die Beobachtungen werden in "Läufen" gemacht. Bis Dezember 2019 [Update] hat LIGO 3 Durchläufe gemacht und 50 Gravitationswellen entdeckt. Wartung und Upgrades der Detektoren werden zwischen den Läufen durchgeführt. Der erste Lauf, O1, der vom 12. September 2015 bis 19. Januar 2016 lief, machte die ersten 3 Entdeckungen, alle Verschmelzungen von Schwarzen Löchern. Der zweite Lauf, O2, der vom 30. November 2016 bis 25. August 2017 lief, machte 8 Entdeckungen, 7 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und die erste Verschmelzung von Neutronensternen. [14] Der dritte Lauf, O3, begann am 1. April 2019 und gliedert sich (bisher) in O3a, vom 1. April bis 30. September 2019, und O3b, vom 1. November 2019 [15] bis zur Aussetzung im März 2020 fällig zu COVID-19. [16]


Was ist so cool an Gravitationswellen?

Das erste signifikante an LIGOs direktem Nachweis von Gravitationswellen ist, dass es überhaupt passiert ist.

Aber lassen Sie uns zuerst ein wenig zurückgehen und über Albert Einstein sprechen. Er war ein kluger Kerl und hat eine Menge wirklich subtiler Dinge über das Universum herausgefunden, einschließlich der Tatsache, dass der Raum kein fester, starrer Hintergrund ist, wie eine Bühne, auf der sich kosmische Ereignisse abspielen. Stattdessen zeigte Einstein, dass der Raum flexibel ist und von den darin befindlichen Objekten und Ereignissen beeinflusst wird. Sehr massive Objekte erzeugen Krümmungen im Raum, so wie eine Bowlingkugel eine Matratze krümmt, wenn sie darauf gelegt wird.

(Einstein zeigte auch, dass Raum und Zeit eng miteinander verbunden sind – beides sind Fäden in dem universellen Gefüge, das er Raum-Zeit nannte. Wir werden diese Beziehung der Kürze halber beschönigen.)

Was hat das nun mit Gravitationswellen zu tun? Wenn ein massives Objekt die Raumzeit krümmen kann, dann kann die Bewegung eines massiven Objekts Wellen in der Raumzeit erzeugen. Stellen Sie sich ein Kanu vor, das sich über einen See bewegt, Wellen über die Wasseroberfläche schickt oder ein Hammer auf eine Trommel schlägt und Vibrationen auf der Oberfläche erzeugt.

Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, besser bekannt als LIGO, war das erste Experiment, das diese Wellen in der Raumzeit direkt nachweisen konnte, also der erste direkte physikalische Beweis dafür, dass sie tatsächlich existieren. Ihre erste Entdeckung erfolgte im September 2015, 100 Jahre nachdem Einstein ihre Existenz zum ersten Mal vorhergesagt hatte. Es ist auch 40 Jahre her, dass an den frühen Beschwörungen der Technologie gearbeitet wurde, mit der LIGO Gravitationswellen erkennt.

Diese Kräuselungen in der Raumzeit bestätigen also Einsteins Theorie (obwohl sie bereits als ziemlich luftdicht erwiesen wurde). Gravitationswellen sind eine extreme Illustration der allgemeinen Relativitätstheorie in der Vergangenheit, diese extremen Beispiele gab es nur auf dem Papier, in der theoretischen Welt. Daten können Wissenschaftlern immer helfen, mehr über das Universum zu erfahren, und wenn Einsteins Theorie angepasst werden muss (um sie beispielsweise mit der Quantenmechanik kompatibel zu machen), könnte LIGO herausfinden, wo. (Der Geschäftsführer von LIGO sagte, er bezweifle, dass LIGO diese Art von Rissen oder verlorenen Enden in Einsteins Theorie finden wird, aber es ist eine Möglichkeit.)


Eine glänzende Zukunft für die Gravitationswellen-Astronomie

So surreal es auch erscheinen mag, die Detektion von Gravitationswellen ist mittlerweile alltäglich geworden, nur fünf Jahre nach der ersten Detektion im September 2015. Mit nun 50 Gravitationswellen-Detektionen sind wir besser in der Lage, die Population von Schwarzen Löchern und Neutronensternen im gesamten Universum (siehe diese Zusammenfassung). Zusätzliche Gravitationswellendetektionen verbessern auch unser Verständnis der Allgemeinen Relativitätstheorie (siehe diese Zusammenfassung).

Die Zukunft der Gravitationswellen-Astronomie ist nach dem Hinzufügen von 39 Ereignissen aus den ersten sechs Monaten der O3-Beobachtungsperiode zunehmend vielversprechend. Die Analyse des zweiten Teils von O3 (O3b genannt) ist derzeit im Gange und wird unseren wachsenden Katalog an Transienten von Gravitationswellen weiter erweitern. Nach O3 werden die Detektoren weiteren technischen Verbesserungen unterzogen, um die astrophysikalische Reichweite rechtzeitig für den vierten Beobachtungslauf weiter zu erhöhen. Während wir auf instrumentelle Verbesserungen und den Bau neuer Detektoren warten, wird die Gravitationswellen-Community weiterhin die Natur von Schwarzen Löchern und Neutronensternen im gesamten Universum erforschen.


Beobachtungen

Signalspuren der ersten bestätigten Gravitationswellendetektion. T-Shirts wurden hergestellt, um den Fund zu feiern, und dieser Autor hat das Glück, eines zu haben.

Der erste direkte Gravitationswellennachweis wurde am 14. September 2015 von den beiden damaligen LIGO-Observatorien nachgewiesen. Seitdem wurden viele weitere erfolgreiche Beobachtungen gemacht, wobei der jüngste Beobachtungslauf 55 Erkennungen erfasste, bevor er durch COVID-19 eingeschränkt wurde. Da die Existenz von Gravitationswellen durch direkte Beobachtung bestätigt wurde, wird daran gearbeitet, die Phänomene besser zu verstehen. Jede Entdeckung stammt von einem anderen stellaren Ereignis und wirft mehr Licht auf die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Die bisher größte Entdeckung erfolgte am 21. Mai 2019, wahrscheinlich aufgrund der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Die Daten werden zwischen den beiden LIGO-Observatorien sowie einer ähnlichen Einrichtung in Italien namens VIRGO verglichen, um die Quelle beobachteter Wellen zu lokalisieren.

Die Detektion von Gravitationswellen ermöglicht die Untersuchung von Phänomenen, die mit der traditionellen optischen oder elektromagnetischen Astronomie schwer zugänglich waren.

Vor LIGO wussten wir nicht wirklich, wie viele binäre Schwarze Löcher es im Universum gibt. Man kann sie nicht wirklich sehen. Worauf LIGO empfindlich ist, ist der letzte Moment, in dem sie verschmelzen … Wir machen ein paar coole Sachen mit der Verteilung von binären Schwarzen Löchern – sie könnten isotrop im Universum verteilt sein oder es könnte mehr Schwarze Löcher in bestimmten Systemen geben.

Wenn weitere Messungen hinzukommen und sich physikalische Theorien entwickeln, können die im Rahmen des Projekts gesammelten Daten weitere Erkenntnisse über die Struktur des Universums selbst gewinnen.

Das LIGO-Experiment ist ein großartiges Beispiel für den Grad an Raffinesse, der erforderlich ist, um Phänomene auf dem neuesten Stand der Physik zu untersuchen. In diesem Fall liegt oft eine große Verzögerung zwischen vorgeschlagenen Theorien und erfolgreichen experimentellen Bestätigungen, ein ganzes Jahrhundert verging, bis Gravitationswellen direkt nachgewiesen werden konnten. Es ist harte Arbeit, die Geheimnisse des Universums zu entwirren, aber wie immer sind Wissenschaftler bereit, sich der Herausforderung zu stellen.


Astronomie

Zusammen mit Gravitationswellen wird erwartet, dass bei der Verschmelzung zweier binärer Neutronensterne ein starker Ausbruch von Gammastrahlen emittiert wird. Der Nachweis eines solchen Gammastrahlenausbruchs, der mit dem Nachweis von Gravitationswellen von einer Spirale zusammenfällt, würde diese Hypothese bestätigen.

Inspirierende kompakte Doppelsterne bestehend aus Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen sind eine der vielversprechendsten Quellen von Gravitationsstrahlung für die erste Generation von Gravitationswellendetektoren wie LIGO. Auf Zeitskalen von 10 7 Jahren verliert ein kompaktes Doppelsternsystem Energie, indem es Gravitationswellen aussendet, wodurch seine Komponenten spiralförmig zusammenlaufen. Wenn die Umlaufbahn schrumpft, zirkuliert sie und die Periode nimmt ab. Mit LIGO suchen wir nach den Gravitationswellen, die in den letzten zehn Sekunden dieser Inspiration emittiert werden. Die Sterne umkreisen Hunderte Male pro Sekunde in Abständen von mehreren zehn Kilometern, bevor sie zusammenstürzen. Die erste Generation von Detektoren kann binäre Neutronensternsysteme mit einem vernünftigen Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 20 Mpc beobachten, mit einer geschätzten Rate, die alle 1,5 Jahre so hoch sein könnte, obwohl die wahre Rate unbekannt ist und niedriger sein könnte .

Es wird angenommen, dass die Koaleszenz von Neutronenstern-&8211Schwarzen Löchern (NS-BH) der vielversprechendste Vorläufer von kurz-harten Gammastrahlenausbrüchen ist. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen, die mit einem GRB verbunden sind, würde zwingende Beweise für diese Hypothese liefern und das seit langem bestehende Rätsel des kurz-harten GRB-Ursprungs lösen. Die Gravitationswellen solcher Systeme dürften jedoch komplex sein. Die Kopplung des Bahndrehimpulses einer NS-BH-Binäreinheit an den Spin des Schwarzen Lochs bewirkt eine Präzession der Binäreinheit. Die resultierende Modulation der Wellenform stellt erhebliche Herausforderungen für die Erkennung dar, da sie die Dimension des Wellenformparameterraums um eine Größenordnung vergrößert.

Die LSC/Virgo Compact Binary Coalescence Group ist für die Suche nach Gravitationswellen verantwortlich, die von inspirativen Quellen mit Matched-Filter-Techniken erzeugt werden. Mitglieder der Syracuse-Gruppe arbeiten mit anderen Mitgliedern der Compact Binary Coalescence Group zusammen, um Algorithmen zu entwickeln, zu implementieren und zu verwenden, die das Rauschen von Gravitationswellendetektoren nach Inspirationssignalen durchsuchen, und um die Relativität und Astrophysik zu untersuchen, die aus einer Detektion gewonnen werden können. Wir sind besonders daran interessiert, Suchtechniken für die oben beschriebenen rotierenden Binärdateien zu entwickeln und zur Suche nach binären Neutronensternen und binären Schwarzen Löchern beizutragen.


Wissenschaftler behaupten sensationellen Nachweis von Gravitationswellen und läuten eine neue Ära in der Astronomie ein

Das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium in Hanford, Washington. Bildnachweis: Caltech/MIT/LIGO Lab

Am 6. Mai 1981 schlossen die Physiker Kip Thorne und Jeremiah Ostriker eine Wette * . Wenn vor dem 1. Januar 2000 von mindestens zwei experimentellen Gruppen außerirdische Gravitationswellen entdeckt würden, würde Thorne die Wette und eine Kiste Rotwein gewinnen. Wenn nicht, dann hätte es Ostriker. Zufälligerweise hätte Thorne den Sieg gerochen, wenn sie nur beschlossen hätten, noch 16 Jahre zu warten.

Auf einer Pressekonferenz in Washington, DC am 11. Februar erklärte eine weltweite Kollaboration von Wissenschaftlern und Ingenieuren offiziell, dass sie Gravitationswellen entdeckt haben, Energiewellen, die durch das Gefüge der Raumzeit fliegen.

„Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen durch die LIGO-Wissenschaftskollaboration ist eine atemberaubende Entdeckung, weil er ein völlig neues Fenster zum Universum öffnet“, sagte Abhay Ashtekar, Direktor des Institute for Gravitational Physics and Geometry an der Pennsylvania State University. „Es wird Geheimnisse aus den entlegensten Regionen des Universums enthüllen, auf die wir mit konventioneller Astronomie keinen Zugriff haben.“

Abgesehen von einem besseren Verständnis, wie sich Neutronensterne und Schwarze Löcher entwickeln und verschmelzen, wird es Astronomen ermöglichen, sie mit Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu vergleichen. Kurz gesagt, solche Studien werden dazu beitragen, festzustellen, ob die Theorie ein perfektes Bild der Schwerkraft darstellt. Es wurde erstmals vor 100 Jahren veröffentlicht.

Im Monat vor der Erklärung machten Gerüchte über die Details der Entdeckung die Runde und wurden häufig gefeiert, als der „riesige“ Martin Rees, der britische Astronom Royal, schrieb, dass dies der „wissenschaftliche Höhepunkt des Jahrzehnts“ sei. #8221. Sollten sie in Zukunft durch weitere Experimente bestätigt werden – auch wenn die Kollaboration ein sehr zuverlässiges Ergebnis behauptet – könnte der 11. Februar 2016 der erste Tag der Ära der Gravitationswellen-Astronomie sein.

Und der Zeitpunkt, zu dem die Beobachtung mit der Bezeichnung GW150914 erfolgte, war der 14. September 2015, 15.21 Uhr IST, durch die Zwillings-Gravitationswellen-Observatorien Advanced Laser Interferometer (aLIGO) in Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana. Die Observatorien werden von der National Science Foundation der USA finanziert. Ihre Arbeitsprinzipien basieren auf Ideen, die Thorne, Rainer Weiss und Ronald Drever in den 1980er Jahren formuliert haben.

Die Schwerkraft massereicher Objekte im Universum verformt die Raumzeit um sie herum. Die Bewegung anderer Objekte in der Nähe wird durch diese Verformung beeinflusst und sie empfinden dies als Schwerkraft. Die Arbeiten von Einstein sowie einer Gruppe anderer Mathematiker und Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts haben dazu beigetragen, dieses Bild der Funktionsweise der Schwerkraft zu verdeutlichen.

Es war jedoch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die voraussagte, dass massereiche Objekte, wenn sie beschleunigt werden, Störungen in der Raumzeit auslösen, die sich nach außen und im gesamten Universum ausbreiten. Diese Störungen sind die Manifestation des Verlusts der Gravitationsenergie der Objekte und der Energie, die in Form von Gravitationswellen abtransportiert wird. Wenn sich die Wellen durch das Kontinuum bewegen, verzerren sie vorübergehend die Entfernungen in den Regionen, die sie durchqueren.

Das LIGO-Projekt wurde 1992 zur Erkennung dieser vorbeiziehenden Verzerrungen ins Leben gerufen und bis 2014 zu einem empfindlicheren "fortgeschrittenen" Avatar, aLIGO, aufgerüstet. Jedes seiner Observatorien hat ein gemeinsames Design: zwei lange Tunnel, die an einem Scheitelpunkt verbunden sind, geformt wie ein 'L'. Eine Quelle am Scheitelpunkt feuert einen Laserpuls durch jeden Tunnel und wartet darauf, dass sie am Ende von einem Spiegel zurückreflektiert werden. Wenn die Impulse wieder zusammentreffen, bilden sie ein Interferenzmuster, das von einem Detektor registriert wird. In Abwesenheit einer Gravitationswelle ist die Interferenz vollständig destruktiv und der Detektor macht eine Leerstelle.

Wenn eine Gravitationswelle aLIGO passiert, zieht sie sich vorübergehend (und abwechselnd) zusammen und dehnt die Länge der Arme um einen winzigen Betrag aus. Als Ergebnis legt einer der Laserpulse eine längere Strecke zurück als der andere. Wenn sie wieder zusammenkommen, ist ein Impuls relativ zum anderen leicht außer Takt und ihre Interferenz ist nicht destruktiv. Der Detektor speichert ein Interferenzmuster. Laut der Ankündigung vom 11. Februar geschah dies am 14. September 2015.

Eine Simulation von GW150914 durch die Numerical Relativity Group am Georgia Institute of Technology.

Den veröffentlichten Daten zufolge stammen die Wellen wahrscheinlich von einem 1,2-1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Paar Schwarzer Löcher. Sie umkreisten einander, erreichten Geschwindigkeiten von etwa 180 Millionen Metern pro Sekunde und verschmolzen schließlich zu einem größeren Schwarzen Loch. Während sie anfangs 29 und 36 Sonnenmassen wogen, wog das resultierende Monster 62 Sonnenmassen. Die verbleibenden 3 Sonnenmassen (entsprechend 178,7 Milliarden Billionen Billionen Billionen Joule Energie) wurden während der Verschmelzung und des anschließenden Ringdowns als Gravitationswellen freigesetzt, wenn sich die resultierende Masse zu einer stabilen Form niederschlägt. Die gesamte Veranstaltung dauerte einige Sekunden, was bedeutet, dass – wie Thorne während der Pressekonferenz feststellte – die Leistung 50-mal so hoch war wie die Leistung aller Sterne im Universum zusammen.

“Das Coolste für mich ist, dass das Signal vor etwa 1,3 Milliarden Jahren ausgesendet wurde. Damals gab es keine bedeutende Lebensform auf der Erde. Das Signal reiste 1,3 Milliarden Jahre lang und durchquerte die Erde in weniger als einer halben Sekunde,&8221, sagte Karan Jani, Doktorand am Georgia Institute of Technology und Analyst bei der LIGO-Kollaboration.

Clifford Burgess, theoretischer Physiker an der McMaster University in Hamilton, Kanada, hatte eine E-Mail an seine Studenten durchgesickert – die schließlich im Internet zirkulierte – bevor bekannt gegeben wurde, dass die bei aLIGO registrierten Signale mit einer statistischen Signifikanz von mehr als 5 . erzeugt wurden sigma. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Entdeckung ein falsches Signal war, höchstens 1 zu 3,5 Millionen betrug, was unter Physikern ausreicht, um eine Entdeckung zu behaupten.

In einer Zusammenfassung der Ergebnisse, die die Ankündigung begleiten, heißt es: “Wir erwarten, dass ein so starkes Ereignis wie GW150914 nur einmal in etwa 200.000 Jahren mit solchen Daten zufällig auftritt.󈮦

Die Entdeckung dauerte genauso lange, weil die Gravitation von den vier fundamentalen Kräften in der Natur bei weitem die schwächste ist. Dadurch ist auch die Wirkung einer Gravitationswelle extrem klein und erfordert hochempfindliche Instrumente, um sie aufzunehmen. Gleichzeitig muss jeder Gravitationswellendetektor mindestens so groß sein wie die Quelle der Welle, die er erkennt.

Da zwei Schwarze Löcher, die sich umkreisen, nur wenige Kilometer voneinander entfernt sein können, bevor sie zerschmettern, sind die Arme der aLIGO's 4 km lang und werden mit einem perfekten Vakuum gehalten. Die Laser und Detektoren sind so konfiguriert, dass sie Raumlängenänderungen in der Größenordnung von 10 bis 20 Metern erfassen – das ist etwa 10.000 Mal kleiner als der Kern eines Wasserstoffatoms. Diese Empfindlichkeit bedeutet, dass die Detektoren auch viel Rauschen aufnehmen – von Fahrzeugen, die sich in der Nähe auf der Oberfläche bewegen, kleineren seismischen Störungen im Untergrund, Störungen, die von alten kosmischen Ereignissen hinterlassen wurden, und anderen Aktivitäten, die für so ziemlich alle anderen Zwecke 8217t lästig sein.

Also auch wenn a Bona Fide entdeckt wird, müssen die Wissenschaftler fortschrittliche Datenfilterungstechniken anwenden, um sie in dem von den Detektoren aufgezeichneten Rauschen zu erkennen. Satya Mohapatra, eine Mitarbeiterin des LIGO-Labors am Massachusetts Institute of Technology, Boston, erklärte, dass verschiedene Gruppen innerhalb der Kollaboration „Tausende von Kanälen in den LIGO-Instrumenten untersuchten, um verschiedene Rauschquellen zu charakterisieren, die ein potenzielles Gravitationswellensignal beeinflussen könnten“. Weitere Gruppen untersuchten auch, wie Gravitationswellen aussehen würden, die aus anderen Quellen als der Verschmelzung von Schwarzen Löchern stammen, um sie besser herausfiltern zu können.

Quelle: LIGO/Georgia Institute of Technology

Mohapatra fuhr fort: „Die genaue Form der Gravitationswelle, die aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher entsteht, blieb bis 2005 schwer fassbar, da die Allgemeine Relativitätstheorie eine sehr nichtlineare Theorie ist.“ In diesem Jahr wurde „die erste vollständige Simulation der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher von Frans Pretorius demonstriert“. Pretorius ist heute Professor für Physik an der Princeton University in New Jersey.

Aber das war noch nicht das Ende dieses Weges. „Auch Schwarze Löcher und Neutronensterne haben Spins. Daher wurden nicht alle Wellenformen für verschiedene Kombinationen von Massen und Spins simuliert“, sagte Mohapatra. Die Ankündigung vom 11. Februar war also effektiv das Ergebnis großer Fortschritte in der numerischen Astrophysik.

Die Existenz von Gravitationswellen war seit den 1970er Jahren gesichert, als zwei Astronomen der University of Massachusetts-Amherst ein Paar umkreisender Neutronensterne entdeckten, deren Umlaufbahnen mit einer Geschwindigkeit schrumpften, die von Einsteins Gleichungen für die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Die Astronomen erhielten 1993 den Nobelpreis für Physik für den Zusammenhang, dass die Neutronensterne Gravitationsenergie verlieren – wahrscheinlich durch die Emission von Gravitationswellen.

Ein großer Teil der Aufregung liegt jetzt also nicht daran, dass die Wellen endlich direkt entdeckt wurden, sondern weil wir jetzt ein Instrument haben, das tiefer in die mysteriösen Quellen der Wellen selbst eindringen kann.

Obwohl Einstein beispielsweise damit zufrieden war, wie seine allgemeine Relativitätstheorie das Verhalten der Schwerkraft im Universum erklären zu können schien, war er mit einer ihrer direkten Folgen nicht zufrieden: Schwarzen Löchern. Die Fähigkeit dieser Naturfreaks, die Raumzeit so weit zu verzerren, dass sie elektromagnetische Strahlung in sich selbst beugt, hat es sehr schwierig gemacht, sie mit Teleskopen zu untersuchen, die mit elektromagnetischer Strahlung „sehen“.

Mögliche Gebiete am Südhimmel, aus denen die Gravitationswellen von GW150914 stammen könnten. Die Farben stellen Konfidenzintervalle dar, wobei Violett eine 90-prozentige Wahrscheinlichkeit darstellt, dass die Verschmelzung innerhalb des Raumvolumens stattgefunden hat, und Gelb eine 50%ige Chance. Quelle: LIGO/Georgia Institute of Technology

Gravitationswellen-Observatorien hingegen „hören“ mit der Natur der Schwerkraft, die „an alles gekoppelt ist und nicht maskiert werden kann“, so Ghanashyam Date, Professor am Institut für Mathematische Wissenschaften in Chennai. Und die Konfiguration von Detektoren wie aLIGO, um die Wellen besser zu erkennen und zu untersuchen, eröffnet eine neue Möglichkeit, den Kosmos zu erforschen. Wie David Reitze, der geschäftsführende Direktor des LIGO Laboratory, California Institute of Technology, auf der Pressekonferenz sagte: “Dies ist das erste Mal, dass das Universum zu uns spricht – durch Gravitationswellen.”

Zum einen sagt die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit starten sollten, was bedeutet, dass die hypothetischen Teilchen, die Gravitationsenergie tragen – Gravitonen – keine Masse haben sollten. Die Wellen in GW150914 erreichten die Detektoren von Louisiana und Washington mit einem Abstand von etwa siebentausendstel Sekunden, was der Zeit entspricht, die das Licht für die gleiche Entfernung benötigen würde.

Sollten die Wellen in Zukunft jedoch langsamer passieren, müssen sich theoretische Physiker ans sprichwörtliche Reißbrett zurückziehen, um neue Ideen zur Partikelgravitation zu finden.

In einem anderen Fall können Astronomen angesichts der Empfindlichkeit der aktuellen Generation von LIGO gegenüber Gravitationswellen auch messen, wie viele Schwarze Löcher unterschiedlicher Masse es gibt und wie oft sie an intensiven Ereignissen wie Verschmelzungen beteiligt sind. „Man dachte, dass Schwarze Löcher in der Astrophysik in zwei extreme Klassen gehören – stellare Schwarze Löcher mit einem Gewicht von weniger als 20 Sonnenmassen und solche in den Zentren von Galaxien mit einem Gewicht von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen“, sagte Jani. Auch für diese Schwarzen Löcher gibt es Indizien aus konventionellen Teleskopen – was die aktuelle Detektion unwahrscheinlicher machte.

„Wir hatten einfach keine starken astrophysikalischen Grenzen, ob es im Universum Schwarze Löcher mit solchen Massen geben kann“, erklärte Jani. Sie wiegen dazwischen 50-10.000 Sonnenmassen und wurden nicht viel mit Teleskopen untersucht. Aber bei LIGO erzeugen sie die „lautesten“ Signale. „Mit [diesem Befund] von Schwarzen Löchern, die nur leichter als die mittlere Masse sind, haben wir jetzt einen glatten Bereich möglicher Massen für Schwarze Löcher im Universum“, sagte Jani.

Derzeit gibt es fünf Gravitationswellen-Observatorien: zwei in den USA und je eines in Italien (Virgo), Deutschland (GEO600) und Japan (KAGRA). Das japanische Observatorium hat eine andere Detektionstechnik. Inzwischen bilden die amerikanischen und deutschen Observatorien ein Netzwerk von Observatorien, das für einige hundert Grad des Himmels blind ist. Das heißt, das Netzwerk ist nicht in der Lage, die Quelle der Gravitationswellen von diesem Himmelsfleck zu lokalisieren.

Standorte existierender Gravitationswellendetektoren und wie weit entfernt ein LIGO in Indien wäre. Quelle: LIGO

Wie Jani im Zusammenhang mit GW150914 erklärte, das von den beiden amerikanischen Observatorien aufgezeichnet wurde: Die Gravitationswellen, die wir beobachtet haben, kamen aus einer Entfernung von 1,2 Milliarden Lichtjahren. Basierend auf der Masse der beiden Schwarzen Löcher, die jeweils fast das 30-fache der Sonnenmasse aufweisen, müssen sie durch die Entwicklung sehr schwerer Sterne entstanden sein. Dies impliziert, dass sich die Schwarzen Löcher in einer Wirtsgalaxie befinden müssen, aber es ist schwierig, sie zu lokalisieren.”

Es wurden viele Upgrades für das aLIGO-Netzwerk vorgeschlagen, um in diesem Sinne besser zu werden. Eine davon ist die Evolved Laser Interferometer Space Antenna (ELISA), die aus drei Raumfahrzeugen besteht, die die Sonne in einem gleichseitigen Dreieck umkreisen. Aufgrund der Abstände zwischen ihnen wird ELISA in der Lage sein, nach Gravitationswellen von sehr großen Quellen zu suchen. Vor dem Start im Jahr 2034 wurde am 3. Dezember 2015 eine Testmission namens LISA Pathfinder gestartet.

Das andere ist ein aLIGO in Indien. Laut Tarun Souradeep vom Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics in Pune würde sein Standort den blinden Fleck des aLIGO-Netzwerks um eine Größenordnung reduzieren. Das Projekt mit einem Wert von etwa 1.500 Mrd. Rupien wird vom Department of Atomic Energy finanziert und von der ehemaligen Planungskommission in ihrem 12. Fünfjahresplan genehmigt. Im Moment wartet es auf die Zustimmung des Unionskabinetts.

In der Zwischenzeit, in Erwartung zukünftiger Tests, die den Nachweis bestätigen, ist die Ankündigung von aLIGO zweifellos ein Nobelmoment. Fraglich ist, wen der spätere Nobelpreis am Ende übersehen wird. Die LIGO Scientific Collaboration umfasst über 1.000 Wissenschaftler aus 19 Ländern, wobei über 250 Forschungsinstitute an der Entwicklung von Technologien und der Analyse der Ergebnisse beteiligt sind. Die Observatorien werden vom Massachusetts Institute of Technology, Boston, und dem California Institute of Technology betrieben.


Wissenschaftler machen ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen

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Almost 100 years ago today, Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time that are set off by extremely violent, cosmic cataclysms in the early universe. With his knowledge of the universe and the technology available in 1916, Einstein assumed that such ripples would be “vanishingly small” and nearly impossible to detect. The astronomical discoveries and technological advances over the past century have changed those prospects.

Now for the first time, scientists in the LIGO Scientific Collaboration — with a prominent role played by researchers at MIT and Caltech — have directly observed the ripples of gravitational waves in an instrument on Earth. In so doing, they have again dramatically confirmed Einstein’s theory of general relativity and opened up a new way in which to view the universe.

But there’s more: The scientists have also decoded the gravitational wave signal and determined its source. According to their calculations, the gravitational wave is the product of a collision between two massive black holes, 1.3 billion light years away — a remarkably extreme event that has not been observed until now.

The researchers detected the signal with the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) — twin detectors carefully constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves. Once the researchers obtained a gravitational signal, they converted it into audio waves and listened to the sound of two black holes spiraling together, then merging into a larger single black hole.

“We’re actually hearing them go thump in the night,” says Matthew Evans, an assistant professor of physics at MIT. “We’re getting a signal which arrives at Earth, and we can put it on a speaker, and we can hear these black holes go, ‘Whoop.’ There’s a very visceral connection to this observation. You’re really listening to these things which before were somehow fantastic.”

By further analyzing the gravitational signal, the team was able to trace the final milliseconds before the black holes collided. They determined that the black holes, 30 times as massive as our sun, circled each other at close to the speed of light before fusing in a collision and giving off an enormous amount of energy equivalent to about three solar masses — according to Einstein’s equation E=mc 2 — in the form of gravitational waves.

“Most of that energy is released in just a few tenths of a second,” says Peter Fritschel, LIGO’s chief detector scientist and a senior research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “For a very short amount of time, the actual power in gravitational waves was higher than all the light in the visible universe.”

These waves then rippled through the universe, effectively warping the fabric of space-time, before passing through Earth more than a billion years later as faint traces of their former, violent origins.

“It’s a spectacular signal,” says Rainer Weiss, a professor emeritus of physics at MIT. “It’s a signal many of us have wanted to observe since the time LIGO was proposed. It shows the dynamics of objects in the strongest gravitational fields imaginable, a domain where Newton’s gravity doesn’t work at all, and one needs the fully non-linear Einstein field equations to explain the phenomena. The triumph is that the waveform we measure is very well-represented by solutions of these equations. Einstein is right in a regime where his theory has never been tested before.”

The new results are published today in the journal Physical Review Letters.

“Magnificently in alignment”

The first evidence for gravitational waves came in 1974, when physicists Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of neutron stars, 21,000 light years from Earth, that seemed to behave in a curious pattern. They deduced that the stars were orbiting each other in such a way that they must be losing energy in the form of gravitational waves — a detection that earned the researchers the Nobel Prize in physics in 1993.

Now LIGO has made the first direct observation of gravitational waves with an instrument on Earth. The researchers detected the gravitational waves on September 14, 2015, at 5:51 a.m. EDT, using the twin LIGO interferometers, located in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington.

Each L-shaped interferometer spans 4 kilometers in length and uses laser light split into two beams that travel back and forth through each arm, bouncing between precisely configured mirrors. Each beam monitors the distance between these mirrors, which, according to Einstein’s theory, will change infinitesimally when a gravitational wave passes by the instrument.

“You can almost visualize it as if you dropped a rock on the surface of a pond, and the ripple goes out,” says Nergis Malvalvala, the Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics at MIT. “[It’s] something that distorts the space time around it, and that distortion propagates outward and reaches us on Earth, hundreds of millions of years later.”

Last March, researchers completed major upgrades to the interferometers, known as Advanced LIGO, increasing the instruments’ sensitivity and enabling them to detect a change in the length of each arm, smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton. By September, they were ready to start observing with them.

“The effect we’re measuring on Earth is equivalent to measuring the distance to the closest star, Alpha Centauri, to within a few microns,” Evans says. “It’s a very tough measurement to make. Einstein expected this to never have been pulled off.”

Nevertheless, a signal came through. Using Einstein’s equations, the team analyzed the signal and determined that it originated from a collision between two massive black holes.

“We thought it was going to be a huge challenge to prove to ourselves and others that the first few signals that we saw were not just flukes and random noise,” says David Shoemaker, director of the MIT LIGO Laboratory. “But nature was just unbelievably kind in delivering to us a signal that’s very large, extremely easy to understand, and absolutely, magnificently in alignment with Einstein’s theory.”

For LIGO’s hundreds of scientists, this new detection of gravitational waves marks not only a culmination of a decades-long search, but also the beginning of a new way to look at the universe.

“This really opens up a whole new area for astrophysics,” Evans says. “We always look to the sky with telescopes and look for electromagnetic radiation like light, radio waves, or X-rays. Now gravitational waves are a completely new way in which we can get to know the universe around us.”

Tiny detection, massive payoff

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of some 950 scientists at universities around the United States, including MIT, and in 15 other countries. The LIGO Observatories are operated by MIT and Caltech. The instruments were first explored as a means to detect gravitational waves in the 1970s by Weiss, who along with Kip Thorne and Ronald Drever from Caltech proposed LIGO in the 1980s.

“This has been 20 years of work, and for some of us, even more,” Evans says. “It’s been a long time working on these detectors, without seeing anything. So it’s a real sea change and an interesting psychological change for the whole collaboration.”

“The project represents a triumph for federally funded research,” says Maria Zuber, vice president for research and E. A. Griswold Professor of Geophysics at MIT. “LIGO is an example of a high-risk, high-return investment in discovery-driven science. In this case the investment was major and sustained over many years, with a successful outcome far from assured. But the scientific payoff is shaping up to be extraordinary. While the discoveries reported here are already magnificent, they represent the tip of the iceberg of what will be learned about fundamental physics and the nature of the universe.”

The LIGO Observatories are due for more upgrades in the near future. Currently, the instruments are performing at one-third of their projected sensitivity. Once they are fully optimized, Shoemaker predicts that scientists will be able to detect gravitational waves emanating “from the edge of the universe.”

“In a few years, when this is fully commissioned, we should be seeing events from a whole variety of objects: black holes, neutron stars, supernova, as well as things we haven’t imagined yet, on the frequency of once a day or once a week, depending on how many surprises are out there.” Shoemaker says. “That’s our dream, and so far we don’t have any reason to know that that’s not true.”

As for this new gravitational signal, Weiss, who first came up with the rudimentary design for LIGO in the 1970s as part of an experimental exercise for one of his MIT courses, sees the tiny detection as a massive payoff.

“This is the first real evidence that we’ve seen now of high-gravitational field strengths: monstrous things like stars, moving at the velocity of light, smashing into each other and making the geometry of space-time turn into some sort of washing machine,” Weiss says. “And this horrendously strong thing made a very tiny effect in our apparatus, a relative motion of 10 to the minus 18 meters between the mirrors in the interferometer arms. It’s sort of unbelievable to think about.”


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