Nachweis von Gravitationswellen und der Expansion des Universums

Vor kurzem gab es die faszinierende Nachricht von neuen Messungen, die von LIGO durchgeführt wurden, in diesem Fall die Erfassung der Gravitationswellen zweier kollidierender Neutronensterne. Diese Entdeckungen veranlassten die Astronomen, auch nach den emittierten elektromagnetischen Wellen der Nachwirkungen zu suchen, da sie nun dank der GW-Messungen wussten, in welcher Richtung sie suchen mussten.

Diese Entdeckungen sorgen für wirklich spannende Zeiten in der Physik, ich persönlich bekomme Gänsehaut, wenn ich davon lese. Zugegebenermaßen ist es für jemanden, der nicht auf diesem Gebiet tätig ist, sehr schwierig, die Physik, die hier vor sich geht, zu verstehen, aber es wäre unglaublich wertvoll, wenn kurz etwas Licht darauf geworfen werden könnte, wie diese neuen Entdeckungen mit dem Problem der Geschwindigkeit zusammenhängen der Expansion des Universums, was es Physikern möglicherweise ermöglicht, die Hubble-Zahl weiter zu testen. So dass man zumindest auf konzeptioneller Ebene eine ungefähre Vorstellung davon bekommen kann, was die Schlüsselidee hinter dieser Beziehung sein könnte.

Konkreter:

  1. Als kleine Vorfrage, was sind nach unserem derzeitigen Verständnis die Hauptelemente, die eine Rolle bei der Balance zwischen Expansion und Kontraktion des Universums spielen? Was man oft hört, ist, dass es ein starkes Zusammenspiel zwischen Materie, EM-Strahlung und potenziell dunkler Energie gibt, die die Expansionsrate des Universums beeinflussen.

  2. Wie hängt die jüngste Entdeckung von GWs mit der Untersuchung der Expansionsrate des Universums zusammen?

Dies ist lediglich ein Versuch, mehr Input zu erhalten, um einige der wichtigsten Ideen zu verstehen, da dies angesichts der langen Geschichte hinter diesen Problemen und Vorhersagen und all den Debatten um sie herum sehr aufregende Neuigkeiten sind.

Dies ist sehr weit gefasst; es würde helfen, ein bisschen zu spezifizieren. Für (1) und (2): Worüber haben Sie bisher gelesen? Was genau möchten Sie wissen?

Antworten (3)

Teil 1 der Frage ist bereits ziemlich gut beantwortet, also werde ich nicht darauf eingehen. Teil 2 ist:

  • Das LIGO-Experiment hat uns versichert, dass wir die Gravitationswellen tatsächlich nachweisen können, denn dieses Mal haben wir sie nicht nur auf LIGO entdeckt, wir haben das Ereignis buchstäblich von anderen Instrumenten aus gesehen.
  • Die neue Entdeckung half uns zu erkennen, dass die Gammablitze nicht so funktionieren, wie wir dachten, und verbessert werden müssen.
  • Es wird uns helfen, dichte Kollisionen abzubilden, und wenn es Auswirkungen dieser Kollisionen gibt, könnten wir uns das ansehen.
  • Um Ihre Frage wirklich zu beantworten, worin uns das helfen wird: Wir wissen es nicht. Selbst Einstein kannte die möglichen Ergebnisse seiner mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeit nicht.

Aber bis wir dunkle Energie und dunkle Materie verstehen, können wir keine genaue Expansionsrate finden.

  1. Lassen Sie uns einfach einen kurzen Stopp bei jeder der Schlüsselzutaten einlegen:

    • Materie (normale und dunkle) verlangsamt die Expansion durch Gravitationsanziehung. Mit der Zeit nimmt die Dichte der Materie ab, weil es nur so viel Materie und immer mehr und mehr Raum gibt.
    • Es wird angenommen, dass dunkle Energie die Energie des Raums selbst ist und eine konstante Dichte hat: Das gleiche Raumvolumen hat immer die gleiche dunkle Energie. Es beschleunigt die Expansion durch gravitative "Abstoßung".
    • Strahlung kann im Prinzip durch ihren Druck die Expansion beschleunigen, und das war im frühen Universum so. Heutzutage ist seine Wirkung jedoch nahezu gleich Null. Beachten Sie, dass die Menge an dunkler Energie zunimmt, wenn sich der Raum ausdehnt, sodass wir im Laufe der Zeit einen immer größeren Beitrag von dunkler Energie haben. Vor ungefähr 6 Milliarden Jahren (bitte korrigieren Sie mich bei genauen Zahlen) wurde der Beitrag der dunklen Energie größer als der der Materie, so dass sich die Expansion des Universums jetzt beschleunigt.

  2. Der Hauptpunkt der Entdeckung von GW war nicht, dass es uns hilft, die Expansion zu verstehen, sondern dass es der direkte Beobachtungsbeweis der Allgemeinen Relativitätstheorie ist (jedoch reicht die Genauigkeit noch nicht aus, um zwischen verschiedenen Variationen der Theorie zu wählen). Das jüngste registrierte Ereignis (aus der Fusion zweier NS) hat uns jedoch bereits einen neuen Einblick in die Natur von beispielsweise Gammastrahlenausbrüchen gegeben.

    Was den letzten Teil Ihrer Frage betrifft, ist die einzige mögliche Verwendung, die ich mir vorstellen kann, eine neue Art von Standardkerzen. Es gibt einige Berechnungen, die zeigen, dass die Leuchtkraft von Kilonova (so nennen sie einen optischen Übergang der Verschmelzung) ziemlich Standardwerte haben sollte, und daher können die Leuchtkraftdaten zur Berechnung von Entfernungen verwendet werden. Ich bin mir sicher, dass es noch viele weitere Möglichkeiten gibt, diese Beobachtungen zu nutzen, aber ich bin noch ziemlich neu auf dem Gebiet.

Tatsächlich war der wichtigste kosmologische Beitrag der Entdeckung des Kilonova-Doppelneutronensterns (BNS) eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante, H 0 . Es kam zurück als 70 km/(sec Mpsec), mit Unsicherheiten (68%) von ca. +- 10. Die Genauigkeit wird sich im Laufe der Zeit mit höheren SNRs und einer größeren Anzahl von Gravitationswellendetektionen verbessern.

Die Unabhängigkeit ergibt sich aus der abstandsleiterunabhängigen Abstandsmessung mit den Gravitationswellen (GW)-Parametern und der Auswertung als Standard-Sirene. Unter Verwendung elektromagnetischer Rotverschiebungen für die Galaxie und einigen eigentümlichen Geschwindigkeitsanpassungen wird dann die Hubble-Konstante erhalten. Innerhalb der Genauigkeitsgrenzen stimmt es mit Planck CMB-Messungen überein. Siehe die LIGO-Papiere unter http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/pdf/nature24471.pdf und unter https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.119.161101

Längerfristig, wahrscheinlich in den 2020er Jahren, werden weltraumgestützte Gravitationsobservatorien mit größeren Armlängen (derzeit wird für eLISA eine Armlänge von etwa 1 Million km vorgeschlagen) Beobachtungen von Strukturen mit größerem Maßstab und längeren Wellenlängen ermöglichen, wie z. B. mögliche Anomalien früh nach dem Urknall . Mit diesen und verbesserten erdgestützten Detektoren werden wir etwa 300.000 Lichtjahre nach dem Urknall über die aktuelle elektromagnetische Mauer um die Strahlungsentkopplung hinaussehen können. Wir werden viel energiereichere Physik sehen und nach ursprünglichen Strukturen wie Branen oder Domänenwänden oder ursprünglichen Schwarzen Löchern suchen, sowie nach möglichen Nachweisen von GW-Wellen durch Inflation und anderen exotischen Phänomenen, wir werden die Möglichkeit haben, diese zu untersuchen Waagen mit GW-Erkennung. Siehe zB https://arxiv.org/pdf/1405.0504.pdf

GWs eröffnen ein ganz neues Beobachtungsfenster, einen völlig neuen und unabhängigen Informationsboten, der all unseren elektromagnetischen Beobachtungen hinzugefügt werden kann.

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