Willkommen im Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie!

11. Februar 2016 von Leonard Burtscher in Allgemein

Welch eine Neuigkeit heute Nachmittag als der LIGO-Direktor David Reitze in der Pressekonferenz der amerikanischen National Science Foundation verkündete "We have detected gravitational waves. We did it!". Ein großer Jubel war im Livestream zu hören und hier in Garching, wo die Pressemitteilung unter anderem nach dem astronomischen Kolloquium im großen Hörsaal der ESO übertragen wurde, wurde ebenfalls geklatscht und gejubelt -- und anschließend auf bayerische Art mit Bier und Brez'n gefeiert...

Was Gravitationswellen sind, wie man sie entdeckt und wieso das alles wichtig ist, hat Markus Pössel schon sehr ausführlich in den letzten Tagen in den SciLogs beschrieben. Hier möchte ich kurz das astrophysikalische Begleitpaper ("Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW150914") diskutieren, das kurz nach der Hauptveröffentlichung freigeschaltet wurde und die astrophysikalische Relevanz dieser Entdeckung diskutiert.

 

Die Entdeckung der ersten Gravitationswellen

 

Aber zunächst eine kurze Zusammenfassung der Entdeckung: Das "Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory" (kurz LIGO) hat heute bekannt gegeben, am 14. September letzten Jahres in zwei unabhängigen Detektoren winzige Schwingungen der Raumzeit gemessen zu haben. Die Schwingungen waren in etwa so groß wie ein Tausendstel des Protonendurchmessers, bezogen auf die Länge der Interferometerarme von LIGO von etwa 4 km. Neben einigen bemühten Vergleichen, um diese Größe zu erklären, war folgendes aus meiner Sicht die beste Veranschaulichung, die ich für diese winzige Größe heute gehört habe: Diese Genauigkeit ist etwa so, als ob man den Abstand zum nächsten Stern auf den Durchmesser eines Haares genau bestimmen wollte!

Die Entdeckung der ersten Gravitationswelle GW150915 durch LIGO

Die Entdeckung der ersten Gravitationswelle GW150914 durch das Gravitationswellenobservatorium LIGO (aus dem Entdeckungspaper der LIGO Scientific Collaboration: "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger", Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.061102)

Diese Schwingungen wurden aber fast zeitgleich in den beiden Detektoren an der West- und Ostküste der USA registriert und entsprachen außerdem sehr genau dem Signal einer astrophysikalischen Quelle, in diesem Fall höchstwahrscheinlich der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. Die Bestimmung der Parameter dieser Gravitationswellen-Quellen erfolgt durch Vergleiche mit verschiedenen theoretischen Wellenformen, aber vereinfacht gesagt kann man aus der Frequenz die Massen der beiden Objekte abschätzen. Wenn man diese kennt, weiß man, wie "laut" die Quelle war und wenn man das wiederum vergleicht mit der gemessenen Intensität kann man grob abschätzen, wie weit entfernt das Signal etwa war (die "herkömmlichen" optischen Astronomen nennen das das Entfernungsmodul). Die Parameter dieser ersten Entdeckung lauten: zwei schwarze Löcher mit etwa 36 und 29 Sonnenmassen haben sich zu einem neuen schwarzen Loch mit etwa 62 Sonnenmassen vereinigt und dabei das Äquivalent von 62-(36+29) = 3 Sonnenmassen in Gravitationswellen abgestrahlt. Das ganze soll sich in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung abgespielt haben und zwar in etwa in Richtung der Magellanschen Wolken am Südsternhimmel (der genaue Ort ist leider nicht bekannt, dafür braucht man mehr Detektoren, um die Quelle "triangulieren" zu können).

Diese Entdeckung ist zweifellos ein großer Meilenstein in unserer Erforschung der Natur und belegt erstmals auf direkte Art, dass es Gravitationswellen gibt. (Indirekt sind sie ja schon seit der Entdeckung des Hulse-Taylor-Pulsars bekannt). Weil die Gravitationswellen von GW150914 fast zeitgleich bei den beiden Detektoren ankamen, weiß man darüberhinaus, dass die Träger dieser Gravitationswellen, die Gravitonen, so gut wie masselos sein müssen.

 

 

Gravitationswellenastronomie

 

Neben der reinen Entdeckung, dass es Gravitationswellen gibt, erlauben uns Gravitationswellen aber auch einige Rückschlüsse auf die (mir gefällt das Wort) Gravitationswellen-Quellen. Ja, diese Entdeckung eröffnet tatsächlich ein völlig neues Fenster ins All oder wie es die LIGO-Sprecherin Gabriela González heute ausgedrückt hat: Wir können das Universum nun nicht nur sehen, sondern es auch hören! Doch was lernen wir aus der Gravitationswellenastronomie, also der Beobachtung von Himmelskörpern mithilfe von Gravitationswellen?

The young cluster RMC 136a

Der junge Sternhaufen RMC 136a im Tarantel-Nebel (der wiederum in der großen Magellanschen Wolke ist). Der darin enthaltene Stern R136a1 war bei seiner Geburt wohl etwa 320 Sonnenmassen schwer. Bild: ESO / Paul A. Crowther et al., ESO Release 1030

 

GW150914 zeigt zunächst, dass schwere Schwarze Löcher (> 25 Sonnenmassen) tatsächlich gebildet werden können. Das ist bei weitem keine Selbstverständlichkeit, denn Astronomen gehen davon aus, dass Sterne nicht beliebig "schwer" werden können. Wenn in molekularen Gaswolken, aus denen Sterne entstehen, mehr Material vorhanden ist, brechen sie auseinander und es formt sich ein Mehrfachsternsystem. Wie massereich Sterne wirklich werden können (und wieviel von dieser Masse am Ende ihrer Lebenszeit noch im Stern vorhanden ist), ist theoretisch nicht ganz einfach vorherzusagen, denn es hängt von einigen Annahmen ab (dazu gleich mehr).

Durch Beobachtungen wurde vor einigen Jahren ein Sternhaufen mit dem romantischen Namen R 136a vermessen (siehe Bild), in dem der schwerste Stern bei seiner "Geburt" wahrscheinlich etwa 320 Sonnenmassen schwer war. Der Stern ist derzeit etwa eine Million Jahre alt und "nur" noch 265 Sonnenmassen schwer. Je massereicher ein Stern nämlich ist, desto mehr Masse verliert er durch seinen Sternwind (das ist der Ausfluss an Material der bei uns -- durch die Sonne -- die Polarlichter macht). Wieviel Masse er aber genau verliert, ist nicht so genau bekannt und laut des astrophysikalischen Begleitpapers zu der Gravitationswellenentdeckung von heute gibt es wohl zwei Klassen von Modellen: Die einen sagen für solche Sterne starke Winde voraus und begrenzen daher die Masse die am Schluss über bleibt auf weniger als etwa 25 Sonnenmassen, andere sagen schwächere Winde voraus und erlauben auch größere Schwarze-Loch-Massen. Da die LIGO-Leute aber mit großer Sicherheit sagen können, dass das größere der beiden schwarzen Löcher aus dem September-Signal 32 Sonnenmassen hatte, dürften die Modelle für starke Winde in massereichen Sternen also widerlegt sein. Das ist schon faszinierend: Aus der Messung von Gravitationswellen lernt man also nicht nur einiges über Gravitation und schwarze Löcher, nein, man kann diese auch verwenden, um damit ganz klassische Vorhersagen aus der Sternentwicklung zu prüfen und zu widerlegen.

 

Wie ist das binary black hole entstanden?

 

Man stellt sich heute vor, dass Doppel-Schwarze-Löcher (binary black holes, BBH) aus zwei sehr massereichen Sternen (in einem Doppelsternsystem) entstehen, indem zunächst der eine Stern zu einem schwarzen Loch wird und dann der andere Stern. Dabei stellt man sich natürlich gleich die Frage, ob denn dieses Binärsystem nicht zerstört wird, wenn der eine Stern zur Supernova wird, bevor er zu einem schwarzen Loch kollabiert. Diese Frage war bis heute wirklich offen und es gab Modelle, die sehr große "kicks" vorhergesagt haben, die den Orbit des resultierenden Binärsystems (also Schwarzes Loch + Stern) so groß werden hätten lassen, dass das System niemals (also nicht innerhalb der jetzigen Lebenszeit des Universums) verschmolzen wäre. Seit heute wissen wir: es geht doch! Der Kick, den die Supernova dem anderen Stern gibt kann also nicht zu groß sein, zumindest nicht immer.

Das Halo von M87

M87, die größte Galaxie des Virgo-Galaxienhaufens und ihre Umgebung. In großen, elliptischen Galaxien gibt es heute kaum mehr Sternentstehung und die Metallizität der wenigen neu gebildeten Sterne ist hoch. Bild: Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO

 

Darüberhinaus kann man aber noch fragen, in welcher Umgebung dieses Doppel-Schwarze-Loch entstanden sein mag. Prinzipiell gibt es dafür zwei Möglichkeiten (und alle Zwischentöne...): Die beiden schwarzen Löcher können in der Frühzeit des Universums entstanden sein und sich dann ganz gemächlich (durch Abstrahlen von Gravitationswellen) näher gekommen sein, bis sie verschmolzen sind. Alternativ können sie sich aber auch relativ schnell näher gekommen sein und daher nicht allzu lange vor dem Verschmelzungsprozess entstanden sein. Beide Möglichkeiten sind mit den Beobachtungen kompatibel, aber die Entdeckung, die heute verkündet wurde, kann uns dennoch ein paar Einschränkungen liefern. Das Argument ist allerdings ein bisschen indirekt. Also bitte einmal tief Luft holen...

Die Berechnungen für Sternwinde zeigen, dass nur Sterne mit deutlich niedrigerer "Metallizität" als die Sonne, Überbleibsel (also schwarze Löcher) mit den nun eben gemessenen Massen erzeugen. Kurz zur "Metallizität": Da im Urknall nur Wasserstoff und Helium (und winzige Mengen Lithium) entstanden sind, grenzen Astronomen alle anderen Elemente von diesen beiden ab und nennen sie, chemisch höchst inkorrekt, "Metalle". In der Sonne beträgt der Massenanteil von Wasserstoff etwa 73%, der von Helium 25% und der Rest macht etwa 2% aus, die Metallizität der Sonne ist also 2%. Da "Metalle" erst im Laufe des Universums in Sternen erbrütet worden sind, haben alte Sterne (die früh entstanden sind) eine geringere "Metallizität" als vergleichsweise junge Sterne (wie die Sonne).

Nun aber zurück zur Gravitationswellenastronomie: Die gemessenen Gravitationswellen zeigen, dass es sich um sehr massereiche schwarze Löcher gehandelt haben muss, die nur enstanden sein konnten, wenn ihre Vorgängersterne einen relativ schwachen Sternwind hatten und außerdem relativ geringe Metallizität. Sollte das Doppel-Schwarze-Loch also kurz nach Entstehung verschmolzen sein, muss es in einer relativ kleinen Galaxie gewesen sein, denn nur solche Galaxien haben im späteren Universum noch eine geringe Metallizität, aus der eben die Sterne mit dem schwachen Wind geformt worden sein können. Alternativ könnte es in einer "normalen" Galaxie vor langer Zeit entstanden sein und dich nur langsam näher gekommen sein. Auch wenn damit kein eindeutiges Szenario bestimmt ist, können die Autoren des Papers (immerhin 1091 an der Zahl!) die Entstehungsbedingungen damit doch recht genau auf zwei Möglichkeiten einschränken.

 

Was weiß man noch und wie geht es weiter?

 

Zu guter letzt konnte durch den Vergleich der gemessenen Signale mit Modellen zumindest für das größere der beiden schwarzen Löcher auch noch der Spin (also den Drall) näherungsweise zu etwa 70% des Maximalspins bestimmt werden (schwarze Löcher haben eine maximale Umdrehungsrate). Da sich der Spin eines schwarzen Lochs in der Doppel-Schwarze-Loch-Phase nicht mehr viel ändert, muss es also wohl mit diesem Spin entstanden sein. Die Signifikanz ist hier weniger, dass es sich wahnsinnig schnell dreht, sondern, dass es sich eben nicht maximal schnell dreht. Das lässt darauf schließen, dass die beiden schwarzen Loch aus einem isolierten Doppelsternsystem entstanden ist und nicht in einem Sternhaufen oder in einer anderen dichten Umgebung, in der sie durch Akkretion auf den maximalen Spin aufgedreht worden wären.

In wenigen Jahren (und durch die heute bekannt gegeben Entdeckung vielleicht sogar etwas schneller...) wird man auch vom Weltraum aus Gravitationswellen vermessen können. Diese Messungen werden benötigt, um kleinere Frequenzen zu messen, die auf der Erde von allerlei Störsignalen übertönt werden. Diese kleineren Frequenzen sind interessant, weil man damit Verschmelzungen von supermassereichen schwarzen Löchern, wie sie in den Zentren von Galaxien vorkommen, vermessen kann. Und wenn man bei diesen ebenfalls den Spin messen kann, wird man daraus Rückschlüsse ziehen können, wie diese schwarzen Löcher entstanden sind: durch kontinuierliches Wachstum durch Gasakkretion aus der Galaxie (dann sollten sie sich mit maximalem Spin drehen) oder eher durch Verschmelzen mit anderen (beliebig orientierten) schwarzen Löchern durch viele Galaxienverschmelzungen (woraus ein geringerer Spin folgen sollte)? Zukünftige Gravitationswellen-Messungen werden daher einen direkten Einfluss auf die heute so aktiv diskutierten Fragen der Galaxienentwicklung haben.

Es hat in der Tat mit dem heutigen Tag eine neue Ära in der Astronomie begonnen!


18 Kommentare zu “Willkommen im Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie!”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Gravitationswellensensoren müssen noch sehr viel empfindlicher werden. Dies zeigt das beobachtete Verschmelzen von 2 schwarzen Löchern bei dem in Sekundenbruchteilen mehr Gravitationswellenenergie erzeugt wurde als gleichzeitig im gesamten übrigen sichtbaren Universum. Das bedeutet, dass mit Gravitationswellenastronomie heute nur wenige Klassen von hochenergetischen Gravitations-Ereignissen registiert werden können. Doch immerhin scheint gemäss Gravitationswellen – warum die Aufregung? mit Gravitationswellenastronomie direkt die Entfernung zum Ereignis bestimmbar zu sein, womit nun ein neuer kosmischer Distanzmasstab im Entstehen begriffen ist.

    Wirklich aufregend wird es dann, wenn mit Graviationswellenastronomie die Anfänge des Universums untersucht werden können, also die Inflationsphase. Dazu braucht es weltraumbasierte GO's (gravitational wave observatories). eLISA wird hier den Anfang machen, DeciGO, ein japanisches DeziHertz-Observatorium wird dann eine sehr hohe Empfindlichkeit im DeziHertz-Frequenzbereich erreichen und weltraumbasierte Atom-Interferometer werden noch empfindlicher sein. Aber all das liegt noch Jahrzehnte in der Zukunft.

    • zabki Antworten | Permalink

      @Martin Holzherr
      " Dies zeigt das beobachtete Verschmelzen von 2 schwarzen Löchern bei dem in Sekundenbruchteilen mehr Gravitationswellenenergie erzeugt wurde als gleichzeitig im gesamten übrigen sichtbaren Universum"
      ist das so? Oder gibt es da eine Art Ausgleich bei den kleineren Quellen?

      • Martin Holzherr Antworten | Permalink

        Sich umkreisende Massen erzeugen Gravitationswellen. Das Erde-Sonnesystem gibt etwa 200 Watt an Gravitationsenergie pro Sekunde ab. Das ist fast nichts. Beinahe punktförmige schwarzen Löcher, die sich spiralig aufeinander zubewegen und dann verschmelzen können dagegen riesige Mengean an Gravitationsenergie abgeben. Beim vom LIGO beobachteten Merger von 2 schwarzen Löchern mit je etwa 30 Sonnenmassen wurden 3 Sonnenmassen in Gravitationswellenenergie umgewandelt. Nur unter diesen extremen Bedingugen wie sie beim Verschmelzen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen vorhanden sind ist mit der Freisetzung grosser Mengen an Gravitationswellenenergie zu rechnen. Verglichen damit ist alles andere was an Gravitationswellen freigesetzt wird vernachlässigbar.

  2. Walther Mathieu Antworten | Permalink

    "200 Watt pro Sekunde an [...] Energie". Joule pro Quadratsekunde?
    Da sträuben sich mir die Borsten... wegen der physikalischen Einheit.
    Wenn die schon nicht stimmen kann, wie plausibel ist dann der Wert?

    • Martin Holzherr Antworten | Permalink

      "200 Watt pro Sekunde " Energie meint: Die abgestrahlte Leistung ist 200 Watt. Die Gravitationswellen-Energie, die damit pro Sekunde erzeugt wird ist 200 Wattsekunden. So gesehen haben sie recht, dass pro Sekunde irreführend ist, denn damit verbindet man eine Division, hier aber müssen wir multiplizieren.
      Sind es nun 200 Watt Leistung, die das Erde/Sonne-System an Gravitationswellen abstrahlt oder mehr oder weniger? Dazu liest man in der Wikipedia

      In theory, the loss of energy through gravitational radiation could eventually drop the Earth into the Sun. However, the total energy of the Earth orbiting the Sun (kinetic energy + gravitational potential energy) is about 1.14×1036 joules of which only 200 joules per second is lost through gravitational radiation, leading to a decay in the orbit by about 1×10−15 meters per day or roughly the diameter of a proton.

      Das Erde/Sonne System gibt also 200 Joule Gravitationswellenenergie pro Sekune ab. Das sind 200 Watt.

    • Martin Holzherr Antworten | Permalink

      Klarstellung: Das Erde/Sonne System verliert pro Sekunde 200 Joules an Energie in Form von Gravitationswellen, die es emittiert.

  3. Leonard Burtscher Antworten | Permalink

    Die in Form von Gravitationswellen abgestrahlte Energie entspricht dem Energie-Äquivalent von drei Sonnenmassen. Da das meiste davon in sehr kurzer Zeit emittiert wurde, entspricht die maximale Leuchtkraft (= Leistung = Energie/Zeit) dem Äquivalent von 200 Sonnenmassen pro Sekunde.

  4. monsignore tutti Antworten | Permalink

    Ein paar Fragen vom Laien: Gibt es einen Zusammenhang zwischen Dunkler Energie und Energie die sich in Form von Gravitationswellen ausbreitet, oder wurde bei ersterer die zumindest theoretisch bereits bekannte GW-Energie schon immer ausgeschlossen? Interpretiere ich letzten Absatz richtig: je größer die beteiligten Massen, desto niedriger die Frequenz der GW? Aufgrund der Trägheit? Sind sich umkreisende Schwarze Löcher/Massen die einzigen Quellen von GW oder auch Sternexplosionen bei denen in kurzer Zeit lokal große Masseverschiebungen/-Veränderungen stattfinden?

  5. Leonard Burtscher Antworten | Permalink

    Monsignore Tutti,
    nein, es gibt keinen Zusammenhang zwischen Dunkler Energie und Gravitationswellen. Was Markus Pössel in seinem Blog schon über den nicht vorhandenen Zusammenhang zwischen Dunkler Materie und Gravitationswellen schrieb, gilt auch für die Dunkle Energie, sogar noch extremer: Dunkle Energie ist nach gegenwärtiger Vorstellung eine Eigenschaft des Raumes (jeder Kubikmeter hat eine bestimmte Menge davon) und besitzt "negativen Druck", d.h. sie hat eine abstoßende Wirkung auf normale und dunkle Materie. Sie kann sich also nie in einem kompakten Objekt zusammenballen und daher auch keine nennenswerten Gravitationswellen aussenden.
    Was den Zusammenhang zwischen Masse und Frequenz angeht: der Radius eines schwarzen Loches (der Schwarzschildradius oder Ereignishorizont) ist proportional zur Masse. Andererseits ist der kleinste stabile Orbit, den eine Masse rund um ein schwarzes Loch haben kann, proportional zum Schwarzschildradius. Auf diesem kleinsten Orbit bewegen sich die Massen fast mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn nun also zwei kleine schwarze Löcher (z.B. 20-30 Sonnenmassen wie in der jetzt bekannt gewordenen Verschmelzung) umeinander kreisen, so können sie sich sehr nahe kommen, d.h. sehr viele Umdrehungen pro Sekunde durchführen. Für größere schwarze Löcher ist dieser letzte stabile Orbit viel größer und daher dauert eine Umdrehung länger -- die Frequenz der abstrahlten Gravitationswellen ist daher kleiner.
    Ein kleines Zahlenbeispiel: Der Schwarzschildradius der Sonne ist 3 km. Der innerste stabile Orbit ist typischerweise ein paar Mal so groß wie dieser Schwarzschildradius (wie groß genau hängt davon ab, wie schnell sich das schwarze Loch dreht). Nehmen wir mal an, er wäre zwei Mal so groß, dann wäre der innerste stabile Orbit eines 30-Sonnenmassen schweren schwarzen Loches also etwa 30 * 3 km * 2 * pi oder ungefähr 565 km. Licht bräuchte auf diesem Orbit etwa 2 Millisekunden für eine Umlaufbahn, die schwarzen Löcher ein bisschen länger. Außerdem ist die Abstrahlung von Gravitationswellen schon sehr stark, wenn die Orbits noch etwas größer sind als der innerste stabile Orbit. Man kann sich also vorstellen, dass man für solch ein schwarzes Loch starke Gravitationswellen erhält wenn die Umlaufdauer etwa 10 ms ist, entsprechend einer Frequenz der Gravitationswellen von 100 Hz. Die gemessenen Frequenzen der Gravitationswellen von GW150914 waren tatsächlich im Bereich 35 bis 250 Hz. Die Größenordnung stimmt also (und für Details muss man sich die relativistischen Rechnungen genauer ansehen).
    Nun zu den großen schwarzen Löchern in Galaxienzentren: Diese sind viele Millionen bis Milliarden Sonnenmassen "schwer". Nehmen wir mal an wir hätten eine Verschmelzung, in der das größere Objekt (das die Umlaufdauer bestimmt) 300 Millionen Sonnenmassen schwer ist. Da wäre die Umlaufbahn, auf der starke Gravitationswellen abgestrahlt werden, also etwa 10 Millionen Mal größer, die Frequenz entsprechend 10 Millionen Mal kleiner. Wir hätten es also mit Frequenzen im Bereich von etwa 10 Mikro-Hertz zu tun (etwa eine Rotation pro Tag) -- das sind Frequenzen, die man hofft mit eLISA messen zu können (https://de.wikipedia.org/wiki/Laser_Interferometer_Space_Antenna).

    • Monsignore Tutti Antworten | Permalink

      Herr Burtscher,

      vielen Dank für Ihre erhellende Antwort.

      Grüße
      Tutti.

  6. adenosine Antworten | Permalink

    Mit dem LIGO wurde die Distanz zwischen Spiegeln über mehrere Kilometer hinweg vermessen. Allein aus ein paar Distanzschwankungen in der Größe ca. 1/1000 Atomdurchmesser hat man nur geschlossen, dass diese Schwankungen mit Sicherheit aus einer Schwarzlochkollision in Milliarden Lichtjahre Entfernung per per Grav-Welle verursacht wurden und nicht durch Dreckeffekte oder andere Ereignisse. Für nachgewiesen halte ich so eine Hypothese erst, wenn auch durch andere Sensoren (elektromagnetisch oder Neutrinos) zeitgleich so ein Ereignis festgestellt wird.

    • Leonard Burtscher Antworten | Permalink

      Hallo adenosine,
      wäre das Signal nur in einem Detektor gemessen worden, so wäre es in der Tat deutlich schwieriger, dieses von Rauschsignalen zu unterscheiden. Dass es aber an zwei Stellen unabhängig voneinander und fast zeitgleich detektiert wurde, ist für mich ein sehr überzeugender Beleg, dass es sich um ein echtes Signal handelt. Es wird sicher spannend, weitere Signale zu sehen und damit diese Detektionen zu verifizieren.
      Man sollte noch festhalten, dass bei einer Verschmelzung von zwei starken Löchern nicht notwendigerweise elektromagnetische Strahlung frei wird (auch keine Neutrinos). Diese Bestätigung wird es also zumindest für diese Art von Ereignis leider nicht geben.
      Grüße,
      Leonard Burtscher

      • adenosine Antworten | Permalink

        Hallo, ich hab das so verstanden, dass die beiden LIGOs das Signal nicht unabhängig voneinander zeigen. Die permanenten Schwingungen der Erdkruste im Mikrometer-Bereich liegen ja um ca. 9 Größenordnungen über dem gesuchten Signal, das man wohl erst mit einer Korrelation beider Messungen sieht. Ein derartiger schlechter Rauschabstand macht die Messung aber sehr empfindlich gegen systematische Fehler in Hard- oder Software oder unbekannten Störeinflüssen.

  7. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Frage: wie geht es weiter? Antwort: Gravitationswellen werden mit Atominterferometrie 100 Mal genauer vermessen werden als heute mit der Laserinterferometrie möglich ist. In einem Atominterferometer nehmen Atome die gleiche Rolle ein wie Licht in einem Laserinterferometer wobei die Welleneigenschaften von Atomen ausgenutzt werden um um vieles präzisere Messungen in Bezug auf Gravitationsfelder oder auch Gravitationswellen machen zu können. Die höhere Genauigkeit der Atominterferometrie geht auf die wesentlich kürzeren Wellenlängen und damit verbunden wesentlich höheren Frequenzen zurück, womit höhere Genauigkeiten erreichbar sind. Meist werden in Atominterferometeren sowohl atomare Wellen (in ultrakalten atomaren Gasen) als auch Laserquellen eingesetzt wie beispielsweise im arxiv-Papier Atom interferometric gravitational wave detection using heterodyne laser links dargelegt, wo ein System von zwei Satelliten vorgeschlagen wird, wobei innerhalb jedes Satelliten an einer Atomwolke Atominterferometrie betrieben wird und die beiden Satelliten über Laserstrahlen miteinander synchronisiert werden.Wichtige Vorteile der Atominterferometrie gegenüber der Laserinterferometrie sind:

    - phase multiplication through multiple pulse sequences,
    - proof mass resilience [3],
    - laser frequency noise immunity and quantum back-action noise immunity [4].

    Insensitivity to laser frequency noise also allows for the possibility of a detector design based on a single linear baseline, requiring only two satellites instead of the conventional three.

    Die Atomwelleninterferometrie ist relativ neu hat aber dennoch bereits einen hohen Grad an Technical Readyness erreicht. Mit einem kleinen Atominterferometer könnten sogar an Bord der ISS Gravitationswellen gemessen werden, allerdings nur auf dem gleichen Präzisionsniveau wie bei LIGO. Allerdings wäre eine solch ein kleines Atominterferometer, das an Bord der ISS Platz hat, um ein Vielfaches kostengünstiger als LIGO.

Einen Kommentar schreiben


sechs − = 1