Warum ist der Nachweis von Gravitationswellen so bedeutsam?

Gravitationswellen unterscheiden sich qualitativ von anderen Detektionen.

So oft wir GR bereits getestet haben, ist es dennoch beruhigend, einen völlig anderen Test zu finden, der genauso gut funktioniert. Die bisher bemerkenswertesten Tests waren die Verschiebung der Merkurbahn, die korrekte Lichtablenkung durch massive Objekte und die Rotverschiebung von Licht, das sich gegen die Schwerkraft bewegt. In diesen Fällen wird die Raumzeit als statisch angenommen (zeitlich unveränderlich, ohne Zeit-Raum-Kreuzterme in der Metrik). Gravitationswellen hingegen beinhalten eine zeitlich veränderliche Raumzeit.

Gravitationswellen liefern eine Sonde der Starkfeldgravitation.

Die bisherigen Tests wurden alle in schwachen Situationen durchgeführt, in denen man ziemlich genau messen muss, um den Unterschied zwischen GR und der Newtonschen Schwerkraft zu erkennen. Während Gravitationswellen selbst eine Vorhersage der linearisierten Schwerkraft und die Essenz kleiner Störungen sind, werden ihre Quellen sehr extreme Umgebungen sein – verschmelzende schwarze Löcher, explodierende Sterne usw. Nun kann zwischen unseren Modellen eine Menge Dinge schief gehen dieser extremen Phänomene und unserer Aufzeichnung eines Gravitationswellensignals, aber wenn das Signal mit unseren Vorhersagen übereinstimmt, ist das ein Zeichen dafür, dass wir nicht nur mit den Wellen selbst, sondern auch mit den Quellen richtig liegen.

Gravitationswellen sind eine neue Grenze in der Astrophysik.

Dieser Punkt wird oft vergessen, wenn wir so abgelenkt sind, nur irgendein Signal zu finden. Das Auffinden der ersten Gravitationswellen ist nur der Anfang für astronomische Beobachtungen.

Mit nur zwei Detektoren kann LIGO beispielsweise Quellen am Himmel nicht besser lokalisieren als "irgendwo da draußen, ungefähr". Wenn schließlich mehr Detektoren online gehen, besteht die Hoffnung, Signale besser lokalisieren zu können, sodass wir gleichzeitig elektromagnetische Gegenstücke beobachten können. Das heißt, wenn das Ereignis, das die Wellen verursacht, die Verschmelzung zweier Neutronensterne ist, könnte man erwarten, dass auch viel Licht freigesetzt wird. Durch die Kombination beider Arten von Informationen können wir einiges mehr an Wissen über das System gewinnen.

Gravitationswellen sind auch gut geeignet, um die Physik in den innersten, am meisten verdeckten Regionen bei katastrophalen Ereignissen zu untersuchen. Bei den meisten Explosionen im Weltraum sehen wir jetzt nur noch das Nachglühen – die zurückbleibende heiße, radioaktive Hülle aus Material – und wir können nur indirekt darauf schließen, welche Prozesse im Kern abliefen. Gravitationswellen bieten eine neue Möglichkeit, diesbezüglich Erkenntnisse zu gewinnen.

Die Antwort von Chris bietet eine hervorragende Erklärung dafür, warum Gravitationswellen im Allgemeinen nützlich sind, um sie zu erkennen. Hier ist meine Meinung (als jemand, der sich mit der Theorie der Schwarzen Löcher befasst), was an dem gestern angekündigten Signal besonders interessant ist. Viele meiner Gedanken stammen von der offiziellen NSF-Pressekonferenz und von Kolloquien an meiner Institution.

Das Ereignis selbst

Die numerische Analyse des Gravitationswellenereignisses, das am 14. September 2015 gemessen wurde, hat viel über die Natur des Ereignisses enthüllt, das stattgefunden hat.

Das Folgende ist eine Abbildung aus dem LIGO-Bericht, die das Gravitationswellensignal zeigt:

( Quelle )

Die rote Linie in jedem Diagramm ist das vom Observatorium in Hanford, Washington, gemessene Gravitationswellensignal. Die blaue Linie ist das vom Observatorium in Livingston, Louisiana, gemessene Gravitationswellensignal. Die obere linke Grafik zeigt nur das Hanford-Signal, die obere rechte Grafik zeigt das Livingston-Signal, das mit dem Hanford-Signal überlagert ist (sehen Sie, wie gut sie zusammenpassen, was beweist, dass dies keine lokale Rauschquelle war, sondern ein Signal, das von einer kosmischen Quelle erzeugt wurde Distanz).

Am interessantesten ist die linke Grafik in der zweiten Reihe. Die hellgraue Linie zeigt im Wesentlichen das Signal, das so weit wie möglich von Rauschen befreit ist (das Gerät ist so empfindlich, dass alle möglichen Dinge leichte Jitter in der Wellenform verursachen können). Die rote Linie stellt die Wellenform dar, die von den Techniken der numerischen allgemeinen Relativitätstheorie für ein System aus zwei schwarzen Löchern vorhergesagt würde, die sich spiralförmig ineinander bewegen. Es ist kein Zufall, dass sich die beobachtete Wellenform (hellgrau) und die vorhergesagte Wellenform (rot) so gut überlappen.

Es gibt natürlich viele Analysen, die in die Überprüfung der statistischen Signifikanz dieser Daten einfließen. Wissenschaftler von LIGO haben herausgefunden, dass diese Wellenform innerhalb einer statistisch signifikanten Spanne wahrscheinlich von einem binären System aus zwei Schwarzen Löchern erzeugt wurde, von denen jedes etwa dreißigmal so groß ist wie die Sonne.

Nun zu den Einzelheiten, was an dieser Veranstaltung interessant ist.

Schwarze Löcher im Allgemeinen

Vor gestern hatten wir keine direkten Beweise dafür, dass Schwarze Löcher existieren. Wir waren uns ziemlich sicher, dass Schwarze Löcher existieren, aber nur durch indirekte Messungen. Dies ist die allererste direkte Messung eines Schwarzen Lochs – die fraglichen Objekte sind massiv genug und kompakt genug, dass es sich mit ziemlicher Sicherheit um Schwarze Löcher handeln muss. Darüber hinaus passen die Daten perfekt zu unseren allgemeinen relativistischen Vorhersagen darüber, welche Art von Strahlung bei einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern freigesetzt wird. Das sind gewaltige Neuigkeiten – Physiker hatten vor gestern nie einen vollständigen Beweis dafür, dass Schwarze Löcher existierten, obwohl die Öffentlichkeit dies als selbstverständlich ansehen könnte. Schwarze Löcher existieren, und sie funktionieren so, wie wir es uns vorgestellt haben. Das ist unglaublich!

Arten von Schwarzen Löchern

Aus astrophysikalischer Sicht ist das durchaus interessant, denn die beiden inspirierenden Schwarzen Löcher waren etwa 30-mal so massereich wie die Sonne (im Folgenden als „30 Sonnenmassen“ bezeichnet). Astrophysiker hatten keine wirklich überzeugenden Beweise für Schwarze Löcher in diesem Massenbereich. Es wurde angenommen, dass wir Schwarze Löcher im Bereich von 3-20 Sonnenmassen und die sogenannten "supermassiven" Schwarzen Löcher haben (das sind Millionen, Milliarden von Sonnenmassen? Ich bin kein Astrophysiker, also kann ich das nicht sage dir). Das ist ein faszinierendes astrophysikalisches Problem – die Masse in einem Schwarzen Loch muss irgendwo herkommen. Wie entsteht ein Schwarzes Loch mit etwa 30 Sonnenmassen? Woher nimmt es seine Materie? Wie massiv ist es, wenn es sich zum ersten Mal bildet (vielleicht von einem Stern?),

Oh, und übrigens, wir haben nicht nur die Existenz von zwei Schwarzen Löchern mit einer Sonnenmasse von ~30 bestätigt. Wir haben die Existenz eines Schwarzen Lochs mit 62 Sonnenmassen bestätigt – das Schwarze Loch, das nach der Verschmelzung der beiden übrig bleibt. Apropos, lass uns ein bisschen über das letzte schwarze Loch reden.

Strahlung

Die kollektive Masse der beiden Schwarzen Löcher vor ihrer Verschmelzung betrug etwa 65 Sonnenmassen. Die Masse des letzten Schwarzen Lochs betrug ~62 Sonnenmassen.

Das bedeutet, dass 3 Sonnenmassen in Gravitationswellen abgestrahlt wurden, als die Schwarzen Löcher verschmolzen. Nicht beeindruckt? Nun, hier ist eine Perspektive: Laut der gestern abgehaltenen NSF-Konferenz war die Leistungsabgabe der Gravitationsstrahlung während der letzten Momente der Verschmelzung der Schwarzen Löcher größer als die kollektive Leistungsabgabe aller Sterne im Universum zusammen.

Das ist eine Menge Energie, sehr schnell. Was passiert, wenn diese Energie freigesetzt wird? Brunnen...

Ring-Down

Das ist mein persönlicher Favorit, aber es ist auch das, worüber wir am wenigsten Informationen haben. Wenn Sie sich noch einmal die Abbildung ansehen, die ich zuvor in diese Antwort eingefügt habe, beispielsweise die zweite Grafik in der linken Spalte, werden Sie feststellen, dass das Muster wie folgt abläuft:

Leichte Vibrationen, deren Amplitude in der Frequenz zunimmt, die plötzlich sehr schnell mit hoher Amplitude oszillieren und dann auf fast nichts abklingen.

Dieser plötzliche Anstieg der Frequenz wird als „Zwitschern“ bezeichnet, und genau danach hat LIGO gesucht. Dieses Zwitschern sagt uns alles, was wir über die Verschmelzung der Schwarzen Löcher wissen müssen.

Aber was passiert danach? Der exponentielle Abfall des Signals entspricht dem resultierenden Schwarzen Loch (mit 62 Sonnenmassen), das sich in einen stabilen Zustand einpendelt. Die Frage der Stabilität von Schwarzen Löchern ist unglaublich interessant, und der Prozess, durch den ein Schwarzes Loch nach einer größeren Störung (z. B. Verschmelzung mit einem anderen Schwarzen Loch) zur Ruhe kommt, ist ein faszinierendes Studienobjekt.

Wenn Sie ein Schwarzes Loch treffen, klingelt es im Grunde. Wenn Sie ein Schwarzes Loch aus seinem stabilen Zustand heraus stören, erzeugen Sie sogenannte quasinormale Moden – mathematische Beschreibungen der Störung aus dem Gleichgewicht – die mit der Zeit exponentiell abfallen, wenn sich das Schwarze Loch dem Gleichgewicht nähert.

Das experimentelle Signal enthält nicht viele Informationen über das Ring-Down. Wir können nicht viele Informationen darüber sammeln, wie sich das Schwarze Loch in einen stabilen Zustand einpendelt – zum einen erzeugt der Prozess keine sehr starken Gravitationswellen, und er geschieht sehr schnell.

Aber das ist OK. In der Abbildung können wir sehen, wie es passiert. Wir sehen, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen, Strahlung von drei Sonnenmassen freisetzen und sich dann in einen stabilen Endzustand begeben. Allein das ist unglaublich spannend.

Übrigens, ein Abschiedsgedanke: Diese Verschmelzung der Schwarzen Löcher geschah vor etwa einer Milliarde Jahren. Wir bekommen erst jetzt sein Signal.

Zusätzlich zu dem, was Chris White auflistet, möchte ich auf die Tatsache hinweisen, dass abgesehen von ein paar Meteoriten und etwas Staub, der sich auf den Platten von Satelliten und Marsgestein angesammelt hat (und kosmischer Strahlung und einer Handvoll Neutrinos; danke Ruslan und Kyle Oman), bis jetzt sind alle Informationen, die uns aus dem Universum erreichen – sei es die Sonne, die weiter entfernten Planeten, andere Sterne, Galaxien, CMB usw. – in Form von elektromagnetischer Strahlung zu uns gekommen.

Gravitationswellen sind eine völlig neue Methode, um Erkenntnisse über das Universum zu gewinnen. Sowohl von Objekten, wo wir auch Strahlung sehen, aber auch zum Beispiel vielleicht irgendwann beim Urknall, wo wir mit elektromagnetischer Strahlung nicht weiter zurück sehen können als das CMB, 380.000 Jahre nach dem Urknall (das haben die BICEP2-Jungs dachten, sie hätten es vor zwei Jahren gesehen, aber es stellte sich als Staub heraus…).

Kurz zu Chris 'Antwort hinzufügen.

Gravitationswellen werden durch nichts verdeckt. Wenn Detektoren so konstruiert sind, dass sie bei niedrigeren Frequenzen (im Weltraum) arbeiten, können sie Gravitationswellen „sehen“, die von jenseits des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bis zurück in die inflationäre Epoche stammen.

Eine andere Sache, die heute klar geworden ist, ist, dass binäre Verschmelzungen einen Chirp erzeugen, der die Massen der verschmelzenden Komponenten liefert, aber auch genaue, unabhängige Entfernungsschätzungen liefert. Diese Ereignisse sind das Äquivalent zu Standardkerzen für EM-Wellen – „Standardsirenen“.

Gravitationswellen sind eine Hauptkomponente von Phänomenen wie der Verschmelzung von Schwarzen Löchern

Es wird angenommen, dass das Gravitationswellenereignis GW150914 eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit geschätzten Massen von 36+5/-4 und 29±4 Sonnenmassen ist. Die Endmasse betrug 62 ± 4 Sonnenmassen. Wenn unsere aktuellen Modelle stimmen, dann wurden die fehlenden 3,0±0,5 Sonnenmassen ( 5,3% ) als Gravitationswellen abgestrahlt, und das in nur 0,2 Sekunden.

Wenn wir keine Gravitationswellen nachweisen könnten, dann wären diese 5 % eine große Lücke in unseren Modellen. In diesem Fall wissen wir nur, dass das Ereignis stattgefunden hat, weil wir die Wellen entdeckt haben, aber angenommen, wir hätten ein ähnliches Ereignis im elektromagnetischen Spektrum beobachtet, wenn wir nicht auch die Gravitationswellen entdecken könnten, dann wäre dies ein großer Fehler in unseren Beobachtungen das Ereignis.

Mit Gravitationswellen (GW) kann man "wissen", dass das Objekt da ist - erkennen, ohne es zu "sehen" - visuell, nur weil das Objekt eine Masse hat.

Alles, was sich bewegt und eine Masse hat, sendet GW aus – aktuelle Detektoren sind nur für Objekte empfindlich, deren Masse gleich der Masse vieler Sonnen ist$2\times 10^{30} ~\rm{kg}$(2 mit 30 Nullen).

Stellen Sie sich vor, eines Tages könnten wir Sensoren-Detektoren haben, die in der Lage sind, die Bewegung von Objekten mit Masse zu erkennen, ohne sie zu sehen ....

Eine interessante Implikation ist, dass Gravitationswellen als weiterer Beweis für die Inflationstheorie angesehen werden, die verwendet wird, um die Homogenität des Universums zu erklären. Wenn die Inflationstheorie richtig ist und die Raumzeit eine exponentiell explosive Expansion erfahren hat, muss diese Expansion nicht an jedem Punkt im Raum mit der gleichen Geschwindigkeit stattgefunden haben.

Tatsächlich sind die Chancen dafür anscheinend so astronomisch, dass sie fast gleich Null sind. Infolgedessen könnte sich ein einzelner Punkt im Raum mit einer völlig anderen Geschwindigkeit ausdehnen als die umgebenden Raumpunkte (ich habe es im Vergleich zum Aufblasen eines Ballons mit einem Defekt darin gehört, so dass sich der Defekt zu einer Blase formt auf der Oberfläche, wenn aufgeblasen).

So wie ich es verstehe, würden Sie am Ende eine riesige Vielzahl haben - möglicherweise sogar eine unendliche Anzahl alternativer Universen , die vollständig getrennt, aber immer noch mit den anderen Universen "verbunden" sind. Und da jedes Universum seine eigenen Gesetze (oder deren Fehlen?) besitzt, um Kraft, Raum, Zeit usw. zu beschreiben, könnte das Multiversum theoretisch für immer existieren, mit einem endlichen Anfang, aber ohne Ende. (Quelle - einer meiner Professoren für technische Physik)

@Martin Danke für das Feedback! Zugegebenermaßen kenne ich die Inflationstheorie weitgehend nicht, aber ich sollte hinzufügen, dass der Professor meines Professors ein Mitglied von Guths Team war, das half, die Mathematik der Inflationstheorie zu entwickeln. Auf jeden Fall ist mein Verständnis, dass, obwohl es eine Vielzahl von tragfähigen Inflationstheorien gibt, die meisten seriösen Modelle das Vorhandensein von Gravitationsstrahlung erfordern, die aus dem Urknall resultiert (als primordiale Gravitationswellen bezeichnet). Nach Guths Theorie fand die Inflation kurz vor dem Urknall statt, und als sie aufhörte, wurde die im Inflationsfeld vorhandene Energie in Wärme und den Urknall (und den Urvater aller Gravitationswellen) umgewandelt.

Die Inflationstheorie ist noch ziemlich neu (erst etwa 40 Jahre alt oder so?), daher liegt es nahe, dass jede neue Theorie, die heutzutage vorgeschlagen wird, aufgrund des Erfolgs von GR wahrscheinlich GR einbeziehen wird. Ich schätze also, die kurze Antwort ist, dass aktuelle Inflationsmodelle, die GR beinhalten, primordiale Gravitationswellen erfordern, und wenn primordiale Gravitationswellen existieren, dann existieren Gravitationswellen.

Zusätzlich zu den oben gegebenen Antworten möchte ich ein starkes theoretisches Argument hinzufügen.

Wie Sie wissen, gibt es das Coulomb-Gesetz, das besagt, dass sich die statische Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern mit der Entfernung verhält$r$wie$r^{-2}$. Es ist das Gesetz der langen Reichweite: Wenn wir eine Ladung berühren, wird gemäß diesem Gesetz eine andere die Veränderung gleichzeitig spüren. Dieser Standpunkt zu elektrischen Wechselwirkungen wurde vollständig geändert, als Maxwell erkannte, dass Licht, elektrische und magnetische Wechselwirkungen dieselbe Natur haben; Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, sagt uns die Maxwell-Theorie, dass, wenn wir eine Ladung berühren, sich die Information über die Kraftänderung – das elektromagnetische Feld – mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten wird – der Lichtgeschwindigkeit.

Diese Vorstellung, Endlichkeitsvorstellung aller Wechselwirkungen, bleibt also in allen fundamentalen Theorien (nach heutiger Sichtweise) unabhängig von ihrer Natur; das liegt daran, dass dies die Eigenschaft unserer Raumzeit ist (diese Tatsache ist beispielsweise in expliziter Form von Lorentztransformationen und dem Kausalitätsprinzip festgelegt und stammt aus den allgemeinen Axiomen, die auf Raumzeitsymmetrien basieren).

Die Allgemeine Relativitätstheorie zum Beispiel basiert auf der Aussage, dass unsere Raumzeit lokal wie eine Minkowski-Raumzeit aussieht, was die Endlichkeit der gravitativen Wechselwirkungen erzwingt. Insbesondere die metrischen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (Einstein-Gleichungen), die in Abwesenheit von Materie linearisiert werden, stimmen formal mit denen überein, die wir erhalten können, indem wir die freie Theorie der Helizität masseloser Teilchen 2 ausgehend von der globalen Poincare-Symmetrie konstruieren. Letzteres beschreibt Wellen.

Aus obiger Sicht ist der Nachweis von Gravitationswellen etwas Größeres als die Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie, was die neue Methode der astrophysikalischen Beobachtungen oder eine andere Möglichkeit zur Überprüfung von GR eröffnet. Es überprüft die Eigenschaft der Raumzeit, die die Grundlage aller modernen Grundlagenphysik ist.

Eine nicht erschöpfende Liste für einige der Interessenten:

Neutronenstern -Zustandsgleichung

Gravitationswellen können verwendet werden, um die Zustandsgleichung zu verifizieren

Die innere Struktur von Gammastrahlenausbrüchen

Die Dynamik von GRBs ist immer noch geheimnisumwoben und nichts kann die innere Struktur von GRBs so gut untersuchen wie Gravitationswellen

Geschwindigkeit von Gravitationswellen

Einer der offensichtlicheren, aber es wurde immer noch nicht festgestellt, dass die Geschwindigkeit von Gravitationswellen c ist (wie es sein sollte)

Gravitationstheorien testen

Technisch kann GR rekonstruiert werden, indem die Annahmen gelockert und beispielsweise Torsionen zugelassen werden . Vielleicht hat die Brans-Dicke- Theorie recht?

Gravitonen

Eher offensichtlich

Seit die elektromagnetische Strahlung entdeckt wurde, hat sie die Art und Weise, wie wir kommunizieren, verändert. Vielleicht würde die Gravitationsstrahlung also etwas ebenso Aufregendes bringen.