Der offizielle Tag der Entdeckung (Nachweis) von Gravitationswellen ist der 11. Februar 2016. Damals gaben die Leiter der LIGO-Kollaboration auf einer Pressekonferenz in Washington bekannt, dass es einem Forscherteam gelungen sei, dieses Phänomen zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit aufzuzeichnen.
Prophezeiungen des großen Einstein
Albert Einstein hat schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts (1916) im Rahmen der von ihm formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) die Existenz von Gravitationswellen vorgeschlagen. Man kann nur über die brillanten Fähigkeiten des berühmten Physikers staunen, der mit einem Minimum an realen Daten so weitreichende Schlussfolgerungen ziehen konnte. Unter den vielen anderen vorhergesagten physikalischen Phänomenen, die im nächsten Jahrhundert bestätigt wurden (Verlangsamung des Zeitflusses, Änderung der Richtung elektromagnetischer Strahlung in Gravitationsfeldern usw.), war es nicht möglich, das Vorhandensein dieser Art von Welle praktisch nachzuweisen Interaktion von Körpern bis vor kurzem.
Schwerkraft ist eine Illusion?
Im Allgemeinen im LichtDie Relativitätstheorie kann Schwerkraft kaum als Kraft bezeichnen. Dies ist eine Folge der Störung oder Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums. Ein gutes Beispiel für dieses Postulat ist ein gespanntes Stück Stoff. Unter dem Gewicht eines massiven Objekts, das auf einer solchen Oberfläche platziert wird, wird eine Vertiefung gebildet. Andere Objekte, die sich in der Nähe dieser Anomalie bewegen, ändern ihre Bewegungsbahn, als ob sie "angezogen" würden. Und je größer das Gewicht des Objekts (je größer der Durchmesser und die Tiefe der Krümmung), desto höher die „Anziehungskraft“. Wenn es sich durch den Stoff bewegt, können Sie das Auftreten einer divergierenden "Welle" beobachten.
Etwas Ähnliches passiert im Weltraum. Jede sich schnell bewegende massive Materie ist eine Quelle von Schwankungen in der Dichte von Raum und Zeit. Eine Gravitationswelle mit erheblicher Amplitude, die von Körpern mit extrem großen Massen oder bei Bewegung mit enormen Beschleunigungen gebildet wird.
Körperliche Eigenschaften
Die Schwankungen der Raum-Zeit-Metrik manifestieren sich als Änderungen im Gravitationsfeld. Dieses Phänomen wird auch als Raum-Zeit-Wellen bezeichnet. Die Gravitationswelle wirkt auf die angetroffenen Körper und Objekte ein und komprimiert und dehnt sie. Die Deformationswerte sind sehr klein - etwa 10-21 von der Originalgröße. Die ganze Schwierigkeit bei der Erkennung dieses Phänomens bestand darin, dass die Forscher lernen mussten, solche Veränderungen mit Hilfe geeigneter Geräte zu messen und aufzuzeichnen. Auch die Leistung der Gravitationsstrahlung ist extrem gering – für das gesamte Sonnensystem ist sie esein paar Kilowatt.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen hängt leicht von den Eigenschaften des leitenden Mediums ab. Die Schwingungsamplitude nimmt mit zunehmendem Abstand von der Quelle allmählich ab, erreicht jedoch nie Null. Die Frequenz liegt im Bereich von mehreren zehn bis hundert Hertz. Die Geschwindigkeit der Gravitationswellen im interstellaren Medium nähert sich der Lichtgeschwindigkeit.
Umgangsbeweise
Die theoretische Bestätigung der Existenz von Schwerewellen wurde erstmals 1974 von dem amerikanischen Astronomen Joseph Taylor und seinem Assistenten Russell Hulse erh alten. Bei der Untersuchung der Weiten des Universums mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums (Puerto Rico) entdeckten die Forscher den Pulsar PSR B1913 + 16, ein Doppelsystem von Neutronensternen, die sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt drehen (ein eher seltener Fall). Die Umlaufzeit, die ursprünglich 3,75 Stunden betrug, wird jedes Jahr um 70 ms verkürzt. Dieser Wert ist ziemlich konsistent mit den Schlussfolgerungen aus den GR-Gleichungen, die eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit solcher Systeme aufgrund des Energieaufwands für die Erzeugung von Gravitationswellen vorhersagen. Anschließend wurden mehrere Doppelpulsare und Weiße Zwerge mit ähnlichem Verh alten entdeckt. Die Radioastronomen D. Taylor und R. Hulse erhielten 1993 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung neuer Möglichkeiten zur Untersuchung von Gravitationsfeldern.
Schwerkraftwelle entkommen
Erste Aussage überNachweis von Schwerewellen kam 1969 vom Wissenschaftler Joseph Weber (USA) von der University of Maryland. Dazu nutzte er zwei selbst konstruierte Gravitationsantennen im Abstand von zwei Kilometern. Der Resonanzdetektor war ein gut vibrierender einteiliger zwei Meter langer Aluminiumzylinder, der mit empfindlichen piezoelektrischen Sensoren ausgestattet war. Die Amplitude der angeblich von Weber aufgezeichneten Schwankungen war mehr als eine Million Mal höher als der erwartete Wert. Versuche anderer Wissenschaftler, mit solchen Geräten den "Erfolg" des amerikanischen Physikers zu wiederholen, brachten keine positiven Ergebnisse. Einige Jahre später wurden Webers Arbeiten auf diesem Gebiet als unh altbar erkannt, gaben jedoch Anstoß zur Entwicklung eines „Gravitationsbooms“, der viele Spezialisten auf dieses Forschungsgebiet zog. Übrigens war sich Joseph Weber selbst bis ans Ende seiner Tage sicher, Gravitationswellen empfangen zu haben.
Verbesserung der Empfangstechnik
In den 70er Jahren entwickelte der Wissenschaftler Bill Fairbank (USA) das Design einer mit flüssigem Helium gekühlten Gravitationswellenantenne unter Verwendung von SQUIDs - supersensitiven Magnetometern. Die damals existierenden Technologien erlaubten es dem Erfinder nicht, sein Produkt in "Metall" zu sehen.
Der Gravitationsdetektor Auriga wurde auf diese Weise im National Legnard Laboratory (Padua, Italien) hergestellt. Das Design basiert auf einem Aluminium-Magnesium-Zylinder mit einer Länge von 3 Metern und einem Durchmesser von 0,6 m. Eine Empfangsvorrichtung wiegt 2,3 Tonnenin einer isolierten Vakuumkammer aufgehängt, die fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Ein zusätzlicher Kilogramm-Resonator und ein computerbasierter Messkomplex werden zur Fixierung und Erfassung von Vibrationen verwendet. Angegebene Geräteempfindlichkeit 10-20.
Interferometer
Der Betrieb von Interferenzdetektoren für Gravitationswellen basiert auf den gleichen Prinzipien wie das Michelson-Interferometer. Der von der Quelle emittierte Laserstrahl wird in zwei Ströme aufgeteilt. Nach mehreren Reflexionen und Reisen entlang der Schultern des Geräts werden die Ströme wieder zusammengeführt, und das endgültige Interferenzbild wird verwendet, um zu beurteilen, ob Störungen (z. B. eine Gravitationswelle) den Verlauf der Strahlen beeinflusst haben. Ähnliche Geräte wurden in vielen Ländern hergestellt:
- GEO 600 (Hannover, Deutschland). Die Länge der Vakuumtunnel beträgt 600 Meter.
- TAMA (Japan) 300m Schultern
- VIRGO (Pisa, Italien) ist ein gemeinsames französisch-italienisches Projekt, das 2007 mit 3 km langen Tunneln gestartet wurde.
- LIGO (USA, Pazifikküste), Jagd nach Schwerewellen seit 2002.
Letzteres ist eine genauere Betrachtung wert.
LIGO Advanced
Das Projekt wurde von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und des California Institute of Technology initiiert. Umfasst zwei 3.000 km voneinander entfernte Observatorien in den Bundesstaaten Louisiana und Washington (die Städte Livingston und Hanford) mit drei identischen Interferometern. Länge des senkrechten VakuumsTunnel ist 4 Tausend Meter. Dies sind die größten derartigen Strukturen, die derzeit in Betrieb sind. Bis 2011 brachten zahlreiche Versuche, Schwerewellen nachzuweisen, keine Ergebnisse. Die durchgeführte erhebliche Modernisierung (Advanced LIGO) erhöhte die Empfindlichkeit der Geräte im Bereich von 300-500 Hz um mehr als das Fünffache und im Niederfrequenzbereich (bis 60 Hz) um fast eine Größenordnung ein so begehrter Wert von 10-21. Das aktualisierte Projekt startete im September 2015 und die Bemühungen von mehr als tausend Mitarbeitern wurden mit Ergebnissen belohnt.
Schwerewellen entdeckt
Am 14. September 2015 zeichneten fortschrittliche LIGO-Detektoren mit einem Intervall von 7 ms Gravitationswellen auf, die unseren Planeten vom größten Phänomen erreichten, das am Rande des beobachtbaren Universums aufgetreten ist - der Verschmelzung zweier großer schwarzer Löcher mit Massen 29- und 36-fache Masse der Sonne. Während des Prozesses, der vor mehr als 1,3 Milliarden Jahren stattfand, wurden in Sekundenbruchteilen etwa drei Sonnenmassen Materie für die Strahlung von Schwerewellen verbraucht. Die Anfangsfrequenz von Gravitationswellen wurde mit 35 Hz aufgezeichnet, und der maximale Spitzenwert erreichte 250 Hz.
Die gewonnenen Ergebnisse wurden immer wieder umfassend überprüft und aufbereitet, alternative Interpretationen der gewonnenen Daten sorgfältig abgeschnitten. Schließlich wurde am 11. Februar letzten Jahres die direkte Registrierung des von Einstein vorhergesagten Phänomens der Weltgemeinschaft bekannt gegeben.
Fakt, der die titanische Arbeit der Forscher veranschaulicht: Die Amplitude der Schwankungen in den Abmessungen der Interferometerarme betrug 10-19m - dieser Wert ist so viel kleiner als der Durchmesser von ein Atom, da es kleiner als eine Orange ist.
Weitere Interessenten
Die Entdeckung bestätigt einmal mehr, dass die Allgemeine Relativitätstheorie nicht nur eine Reihe abstrakter Formeln ist, sondern ein grundlegend neuer Blick auf das Wesen von Gravitationswellen und der Schwerkraft im Allgemeinen.
In der weiteren Forschung setzen die Wissenschaftler große Hoffnungen in das ELSA-Projekt: die Schaffung eines riesigen orbitalen Interferometers mit Armen von etwa 5 Millionen km, das in der Lage ist, selbst geringfügige Störungen von Gravitationsfeldern zu erkennen. Die Intensivierung der Arbeit in dieser Richtung kann viel über die Hauptstadien in der Entwicklung des Universums aussagen, über Prozesse, die in traditionellen Bands nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Es besteht kein Zweifel, dass Schwarze Löcher, deren Gravitationswellen in Zukunft fixiert werden, viel über ihre Natur verraten werden.
Um das Relikt Gravitationsstrahlung zu untersuchen, das über die ersten Momente unserer Welt nach dem Urknall berichten kann, werden empfindlichere Weltrauminstrumente benötigt. Ein solches Projekt existiert (Big Bang Observer), aber seine Umsetzung ist Experten zufolge frühestens in 30-40 Jahren möglich.
