Was sind Gravitationswellen?
Gravitationswellen sind Veränderungen im Gravitationsfeld, die sich ausbreiten
Polarisierte Gravitationswelle
In der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie inDie meisten anderen modernen Modelle weisen darauf hin, dass Gravitationswellen durch die Bewegung massiver Körper mit variabler Beschleunigung entstehen. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit frei im Raum aus. Sie sind sehr klein und schwer zu registrieren.
Gravitationswellen wurden erstmals entdecktIm September 2015 entdeckten zwei Zwillingsdetektoren des LIGO-Observatoriums Gravitationswellen, die wahrscheinlich aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher und der Bildung eines weiteren massereichen rotierenden Schwarzen Lochs resultieren.
Jeder Doppelstern dreht sich, wenn seine Bestandteile rotierenum einen gemeinsamen Schwerpunkt verlieren Energie (wie angenommen - durch die Strahlung von Gravitationswellen) und verschmelzen schließlich miteinander. Bei gewöhnlichen, nicht kompakten Doppelsternen dauert dieser Prozess jedoch sehr lange, viel länger als das heutige Alter des Universums.
Wenn das Doppelkompaktsystem aus bestehtPaare von Neutronensternen, Schwarzen Löchern oder eine Kombination aus beiden kann die Fusion in wenigen Millionen Jahren erfolgen. Zuerst nähern sich die Objekte einander und ihre Umlaufzeit nimmt ab. Im Endstadium tritt dann eine Kollision und ein asymmetrischer Gravitationskollaps auf. Dieser Prozess dauert einen Bruchteil einer Sekunde und während dieser Zeit wird Energie in die Gravitationsstrahlung freigesetzt, die nach einigen Schätzungen mehr als 50% der Masse des Systems ausmacht.
Wie werden Gravitationswellen gefunden?
Aufgrund ihrer Schwäche ist es ziemlich schwierig, Gravitationswellen zu erkennen. Die Geräte zu ihrer Registrierung sind Gravitationswellendetektoren. Seit Ende der 1960er Jahre wurden Entdeckungsversuche unternommen.
Gravitationswellen mit erkennbarer Amplitudeentstehen beim Zusammenbruch eines Doppelpulsars. Ähnliche Ereignisse ereignen sich in der Nähe unserer Galaxie etwa einmal im Jahrzehnt. Die stärksten und häufigsten Quellen von Gravitationswellen für Gravitationsteleskope und -antennen sind Katastrophen, die mit dem Zusammenbruch binärer Systeme in nahegelegenen Galaxien verbunden sind. Es wird erwartet, dass in naher Zukunft mehrere ähnliche Ereignisse pro Jahr auf verbesserten Gravitationsdetektoren aufgezeichnet werden, was die Metrik in der Nähe der Erde um 10−21—10−23 verzerrt.
Zwei Körper, die sich in kreisförmigen Bahnen um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen
Neue Wege zur Erkennung von Gravitationswellen
Im Jahr 2017 führten Wissenschaftler, die ein Experiment unter durchgeführtDas Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) erhielt den Nobelpreis für Physik für die erste direkte Detektion von Gravitationswellen, die durch die Fusion zweier Schwarzer Löcher etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt erzeugt wurden. Die durch diese Kollision erzeugten Wellen verletzten den Gravitationswellenhintergrund des Universums und erreichten die Erde.
Zusätzlich zu solchen einmalig starken Störungen,Was Astrophysiker bereits zu reparieren gelernt haben, gibt es einen sogenannten Hintergrund von Gravitationswellen - einen konstanten Fluss von Gravitationsstrahlung, der nach der Theorie die Erde ständig wäscht.
Eine weitere Möglichkeit, den Hintergrund zu erkennenvon Gravitationswellen, die das Universum füllen, ist ein hochpräzises Timing entfernter Pulsare - eine Analyse der Ankunftszeit ihrer Pulse, die sich auf charakteristische Weise unter der Wirkung von Gravitationswellen ändern, die durch den Raum zwischen der Erde und dem Pulsar laufen.
Ab 2013 wird die Zeitgenauigkeit auf geschätztmuss um etwa eine Größenordnung erhöht werden, um Hintergrundwellen aus vielen Quellen in unserem Universum erkennen zu können, und diese Aufgabe kann noch vor Ende des Jahrzehnts gelöst werden. Aber der Durchgang einer Gravitationswelle sollte den Zeitpunkt, zu dem diese Flares aufgezeichnet werden, geringfügig, um einige Nanosekunden, verändern. Durch die genaue Verfolgung des Timings entfernter Pulsare ist es daher theoretisch möglich, den Gravitationswellenhintergrund der Galaxie zu erkennen. Dies wird durch vorläufige Ergebnisse des NANOGrav-Projekts bestätigt.
Welche neuen Gravitationswellen haben Wissenschaftler gefunden?
Wissenschaftler sagten, sie könnten Anzeichen einer konstanten Gravitationsstrahlung entdecken, die das Universum durchdringt und das Raum-Zeit-Gefüge verzerrt.
Wir haben in unserem Datensatz ein starkes Signal gefunden. Wir können noch nicht sagen, dass es sich um Hintergrundgravitationswellen handelt, aber unser Ziel kommt näher.
Joseph Simon, Astrophysiker und Hauptautor des Artikels
Laut den Autoren kein anderes ObservatoriumSie können Gravitationswellen im Hintergrund erkennen, da sie sich auf die Suche nach einmaligen Ereignissen konzentrieren, die mehrere Sekunden dauern. Im Rahmen des Experiments haben Wissenschaftler über mehrere Jahre 45 Pulsare verfolgt - und bereits Anzeichen für geringfügige Änderungen ihrer Frequenz gefunden. Pulsare können mit galaktischen Leuchttürmen verglichen werden, die sich ständig am selben Ort befinden.
Wir suchen nach Wellen, die Jahre oder Jahrzehnte anhalten.Der Theorie zufolge verursachen galaktische Verschmelzungen und andere kosmologische Ereignisse einen ständigen Ausbruch riesiger Gravitationswellen. Es dauert Jahre oder sogar länger, bis eine solche Welle die Erde passiert. Aus diesem Grund können keine anderen existierenden Experimente sie direkt nachweisen.
Joseph Simon, Astrophysiker und Hauptautor des Artikels
Die vorbeiziehenden Gravitationswellen ändern sichein stabiles Lichtmuster, das von Pulsaren ausgeht und die relativen Entfernungen, die diese Strahlen durch den Raum zurücklegen, vergrößert oder verkleinert. Mit anderen Worten, Wissenschaftler können theoretisch den Hintergrund von Gravitationswellen erfassen, indem sie korrelierte Änderungen in der Zeit des Eintreffens der Pulsarstrahlung auf der Erde verfolgen.
Was machen diese Gravitationswellen?
Vorübergehende Gravitationswellen verändern sichein stabiles Lichtmuster, das von Pulsaren ausgeht und die relativen Distanzen, die diese Strahlen durch den Raum zurücklegen, vergrößert oder verkleinert. Mit anderen Worten: Wissenschaftler könnten theoretisch den Hintergrund von Gravitationswellen erkennen, indem sie korrelierte Änderungen in den Ankunftszeiten der Pulsarstrahlung auf der Erde verfolgen. Dies reicht jedoch nicht aus, um endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen. Daher haben Astronomen Pläne zur Schaffung von IPTA angekündigt, einem Netzwerk von Instrumenten, das es ermöglichen soll, solche Abweichungen für eine große Anzahl von Pulsaren zu erkennen.
Die Erkennung des Gravitationswellenhintergrunds wird erfolgenein großer Schritt nach vorn, aber nur ein erster Schritt. Der nächste Schritt wird die Entdeckung ihrer Quellen sein, und dann – alles Neue, was sie uns über das Universum erzählen können.
Joseph Simon, Astrophysiker und Hauptautor des Artikels
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