Rüdiger Vaas

Rüdiger Vaas

Gravitationswellen: Das Beben der Raumzeit

Vor 100 Jahren hatte Albert Einstein in einem kurzen Aufsatz die Existenz von Gravitationswellen vorausgesagt, die er aus seinen ein Jahr zuvor formulierten Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ableitete. Nun hat der amerikanische LIGO-Detektor diese Kräuselungen der Raumzeit erstmals direkt gemessen. Sie stammen von der Kollision zweier Schwarzer Löcher mit der Masse von 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen in einer Entfernung von rund 1,3 Milliarden Lichtjahren aus der Richtung der Magellan'schen Wolken am Südhimmel. Dabei wurde eine Masse von ungefähr drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen abgestrahlt – winzigen Verzerrungen der Raumzeit in der Größenordnung eines Tausendstel Atomkern-Durchmessers. Damit hat sich ein völlig neues Fenster zum Universum geöffnet.

Gravitationswellen waren bislang nur reine Theorie,

die sich etwa am Computer simulieren ließ.

Am 11. Februar 2016 gaben Forscher bekannt, dass

sie nun tatsächlich Gravitationswellen gemessen haben.

(Foto: S. Ossokine, A. Buonanno/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, W. Benger/Airborne Hydro Mapping GmbH)

Einer der LIGO-Detektoren: Er befindet sich östlich

von Washington in Hanford. Insgesamt gibt es weltweit

fünf Detektoren zur Messung von Gravitationswellen,

zwei in den USA und einer jeweils in Deutschland,

Italien und Japan (im Bau). (Foto: LIGO)

Wäre Einstein noch am Leben, würde er wohl im Herbst einen weiteren Physik-Nobelpreis erhalten. Jetzt aber sind die Experimentatoren auf der Shortlist. Denn ein rund tausendköpfiges Team aus 16 Ländern hat nach einem Vierteljahrhundert harter Arbeit ein neues Fenster zum Universum aufgestoßen. Die Physiker maßen erstmals direkt die Schwingungen der Raumzeit.

Dass die Raumzeit keine passive Bühne ist, auf der sich alle Dramen des Universums abspielen, ohne dass sie diese Bühne beeinflussen, sondern ein aktiver Mitspieler im Schauspiel der Welt ist, gehört zu den triumphalen Einsichten von Einstein. Wie Masse und Energie einerseits, mit Raum und Zeit andererseits wechselwirken und die Schwerkraft sich als Krümmung der Raumzeit verstehen lässt, ist der Kern seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Auch extreme Verdichtungen in der Raumzeit – die ebenfalls erstmals vor 100 Jahren beschriebenen, aber erst in den 1960er-Jahren sogenannten Schwarzen Löcher – sind eine Konsequenz von Einsteins Feldgleichungen.

Erschütternde Botschaft

Dass massereiche Körper, die sich umkreisen und kollidieren können, die Raumzeit selbst erschüttern, hat Einstein in einer kurzen Arbeit 1916 beschrieben sowie in einer zweiten im Jahr 1918, die diverse Rechenfehler der ersten korrigierte. Diese Gravitationswellen zu messen, ist aber eine gigantische Herausforderung. Denn die Kräuselungen der Raumzeit sind winzig klein – in der Größenordnung eines Tausendstel Atom-Durchmessers. Trotzdem ist es dem LIGO-Team jetzt gelungen, diese winzigen Verwerfungen im Gefüge des Alls nachzuweisen.

Die Gerüchteküche brodelte bereits seit September 2015. Jetzt aber ist es offiziell: Auf einer Pressekonferenz am 11. Februar 2016 um 16.34 Uhr MEZ im National Press Club in Washington, DC, verkündeten France Córdova, Direktorin der National Science Foundation, sowie David Reitze und Gabriela González von der LIGO-Kollaboration den lange herbeigesehnten wissenschaftlichen Durchbruch.
Der Todestanz der Schwarzen Löcher

Am 14. September 2015 hatte LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ein Signal gemessen, das sich auf den Bildschirmen schon mit bloßem Auge erkennen ließ (wenn man das nötige Wissen hat). Zuerst registrierte es der Detektor in Livingston in den Wäldern von Louisiana, sieben Millisekunden später dann der zweite gleicher Bauart in Hanford im US-Bundesstaat Washington. Es dauerte aber Monate, bis das Signal ausgewertet und interpretiert war (statistische Signifikanz über fünf Sigma, die Konvention für eine physikalische Entdeckung!) und sich alle möglichen Störquellen ausschließen ließen. Außerdem wollten die Forscher ihre epochale Entdeckung nicht nur als Pressemitteilung verkünden, sondern gleich als einen begutachteten wissenschaftlichen Fachartikel veröffentlichen. Wie es guter wissenschaftlicher Brauch ist. Dieser Bericht ist nun zeitgleich in den renommierten Physical Review Letters erschienen. Der Titel der Arbeit: "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger"

Die Quelle der Welle: Die Grafik zeigt die Messungen der beiden LIGO-Detektoren in Hanford

und Livingston von der Kollision zweier Schwarzer Löcher mit jeweils rund 30 Sonnenmassen.

Die Y-Achse gibt die Stärke, die X-Achse die Zeit an. Oben der berechnete Vorgang gemäß

der Allgemeinen Relativitätstheorie, darunter die exzellent damit übereinstimmenden

Messkurven, identisch von beiden Detektoren aufgezeichnet. (Grafik: LIGO)

Letztes Jahr begann der LIGO-Detektor nach einem Upgrade wieder mit seinen Messungen – technisch stark verbessert und ein Mehrfaches empfindlicher. Advanced LIGO, wie das Detektorenpaar nun heißt, gelang der Durchbruch. Das Signal, das die beiden LIGO-Detektoren erhascht haben, stammt von der rasanten Annäherung und darauffolgenden Kollision zweier Schwarzer Löcher aus der gigantischen Entfernung von ungefähr 1,3 Milliarden Lichtjahren. Den Ort konnte LIGO nur sehr grob eingrenzen. Er liegt innerhalb eines halbkreisförmigen Bogens in der Nähe der beiden Magellan'schen Wolken am Südhimmel. Die beiden etwa 150 Kilometer großen Schwarzen Löcher hatten eine Masse von 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen. Sie kreisten zuletzt mit der irrsinnigen Geschwindigkeit von der halben Lichtgeschwindigkeit umeinander. Dann kollidierten sie und verschmolzen zu einem einzigen, größeren Schwarzen Loch mit einer Masse von rund 62 Sonnenmassen.

Die Kollision, die lediglich 0,2 Sekunden dauerte, setzte in diesem Augenblick das 50-Fache der Energie aller Sterne im beobachtbaren Universum frei. Umgerechnet wurde eine Masse von ungefähr drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen abgestrahlt.

Simulation: Der Todestanz der beiden Schwarzen Löcher (Video: Caltech)

Ein neues Fenster zum All

"Wir haben ein neues Fenster zum All aufgestoßen", sagte David Reitze vom California Institute of Technology, der LIGO Executive Director, auf der Pressekonferenz. "Es ist das erste Mal, dass so etwas beobachtet wurde. Und es ist ein Beweis dafür, dass Doppelsysteme aus Schwarzen Löchern existieren."

Auch Gabriela González, die Sprecherin der LIGO-Kollaboration, war begeistert. "Jetzt können wir das Universum buchstäblich hören. Bislang waren wir taub für Gravitationswellen. Nun hat das Universum zu uns gesprochen."

Weitere Teilnehmer an der Pressekonferenz – und mutmaßliche Nobelpreis-Kandidaten – waren Rainer Weiss vom MIT und Kip Thorne vom Caltech. Weiss hatte in den 1970er-Jahren die Methode von LIGO maßgeblich ersonnen, Thorne den Bau des Detektors entscheidend angeregt und verwaltet. Vor zwei Jahren wurde er als Koproduzent des Science-Fiction-Films "Interstellar" auch einem breiten Publikum bekannt – wie schon zuvor durch seine Forschungen über die Möglichkeit von Zeitreisen. Damit haben die Gravitationswellen aber nichts zu tun, wie er verschmitzt betonte. Und er sagte: "Das Signal war gerade so stark, dass wir es mit den technisch aufgerüsteten Detektoren nachweisen konnten, bei der dreifachen Empfindlichkeit des Vorgängers. Es war ein Geschenk der Natur."

------------------------------------

Rüdiger Vaas ist Astronomie- und Physik-Redakteur von bild der wissenschaft. Im Kosmos-Verlag hat er gerade das Buch "Jenseits von Einsteins Universum. Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation" veröffentlicht, das auch ausführlich von den Gravitationswellen handelt. Hier gibt es das Buch im Wissenschaftsshop von bild der wissenschaft.

--------------------------------

Die Melodie der Welle (Video)

So klingt es, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Die LIGO-Wissenschaftler haben das Signal der gemessen Gravitationswellen in Töne übertragen. weiter

Antworten auf viele Fragen zu Gravitationswellen finden Sie auch bei unseren Kollegen auf scienceblogs.de

Ein Spezial zu Gravitationswellen hat unser Partner scinexx.de zusammengestellt.

-------------------------------------

Mi az a gravitációs hullám?

Felfedezés! A gravitációs hullámok a téridő fodrozódásai, amelyek létezésére és tulajdonságaira Einstein pontosan 100 évvel ezelőtt, az általános relativitáselmélete részeként következtetett. Az elmélet szerint gravitációs hullámokat a mozgó tömegek keltik, a forrásukról leválva fénysebességgel terjednek tova, és ahol áthaladnak, ott a tér “görbületét”, vagyis a térbeli pontok távolságát változtatják meg.

Jóllehet az 1970-es évek óta már közvetett bizonyítékok állnak a tudósok rendelkezésére, amelyek a gravitációs hullámok létezésére utalnak, e hullámokat észlelni mostanáig minden próbálkozás ellenére sem sikerült. A gravitáció a leggyengébb a természetben előforduló kölcsönhatások közt, így a gravitációs hullámok által okozott távolságváltozások, amelyek kimérése jelentené a hullámok közvetlen bizonyítékát, még hatalmas tömegű űrbéli objektumok (pl. fekete lyukak, neutroncsillagok, vagy szupernóva-robbanások) hullámai esetén is csak az atommagok méretének piciny töredékét jelentik. E kicsiny hatás miatt a gravitációs hullámok észlelése óriási kihívás, és rendkívüli pontosságú technológiát igényel.

A gravitációs hullámok észlelése nemcsak Einstein elméletének ad végső megerősítést, de általa a csillagászat és az asztrofizika forradalmi eszközt nyer. Minden tudást, amit az emberiség valaha is gyűjtött a Naprendszeren kívüli világról, különféle hullámhosszú fényhullámok megfigyelésével – távcsövekkel, rádióantennákkal, röntgenteleszkópokkal – szereztük meg. A gravitációs hullámok észlelése új “érzékszervet” ad az emberiségnek, amivel a világegyetem titkait megismerheti, kutathatja, megértheti. A gravitációshullám-csillagászat megszületése olyan forradalom, aminek jelentősége az egész csillagászat egykori születéséhez mérhető. Ez a páratlan érték az, ami kutatók és mérnökök százait – köztük magyar kutatókat is – vezetett arra, hogy munkájukat, egy nemzetközi együttműködésben, a gravitációs hullámok megtalálásának szenteljék.

Ez a történelmi erőfeszítés 2015. őszén elérte célját. A világ legérzékenyebb gravitációshullám-detektorai, az Egyesült Államokban található Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (röviden LIGO) két interferométere múlt év szeptember 14-én, minden előzetes várakozást felülmúlóan hamar jelezték két távoli, összeolvadó fekete lyuk gravitációshullám-jelét. Az észlelésre az első LIGO detektorok nagyszabású továbbfejlesztését követően, az ún. Advanced LIGO program keretében került sor.

A felfedezést a LIGO detektorokkal dolgozó LIGO Scientific Collaboration (LSC) nemzetközi együttműködés kutatói – az adatok és eredmények többhónapos kiértékelése után – február 11-én jelentették be. Magyarországon a bejelentésre a Magyar Tudományos Akadémia épületében került sor, ahol a kollaborációt annak magyar tagjai (köztük Dr. Raffai Péter asztrofizikus, az ELTE adjunktusa) képviselték. A felfedezésből a magyar szakemberek is kivették a részüket, a LIGO detektorok műszeres fejlesztésétől, a detektorállomásokon és távolból is végzett műszakfelügyeleten át, az adatok kiértékelésén és a források modellezésén keresztül, a felfedezett jel és forrás tulajdonságainak vizsgálatáig, megvitatásáig, és írásba foglalásáig. Munkájuk eredményeként és elismeréseként, a felfedezést közlő szakcikk mintegy 1000 szerzője között, kilenc magyar kutató is társszerzőséget kapott.

A LIGO és a gravitációshullám-csillagászat számára a mostani észlelés a biztató kezdet. Az adatgyűjtés és -kiértékelés folytatódik, a területen a meglévő detektorok továbbfejlesztése, újabb detektorok megépülése, és számtalan új forrásból új jelek felfedezése várható.

Jóllehet az Univerzum a gravitációs hullámain keresztül eddig is folyamatosan szólt hozzánk, 2015 az az év, amikortól ez a hang az emberiségnél nyitott fülekre talál. Az ELTE kutatójával és oktatójával, az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) nevű LIGO-tagcsoport egyik alapítójával, Dr. Raffai Péterrel együttműködve azért hoztuk létre ezt az oldalt, hogy a megszerzett tudás ne csak a kutatóké maradjon, de megértésében és örömében mindannyian osztozhassunk.

Tekintsd tehát meg a videóinkat, amelyek mindegyikét egy-egy kérdésre adott válasznak szántuk! (A videók listája.)

1. GRAVITÁCIÓS HULLÁMOK

Mi a téridő? - Mik a gravitációs hullámok? - Mik keltik a gravitációs hullámokat? - Miből gondoltuk eddig, hogy léteznek gravitációs hullámok?

2. GRAVITÁCIÓSHULLÁM-ÉSZLELÉS

Hogyan lehet gravitációs hullámokat észlelni? - Mik a LIGO detektorok? - Hogyan lehet kimérni a LIGO-val ennyire pici távolságváltozásokat? - Milyen hullámforrások jeleit figyelik a LIGO detektorok? - Miért hangszerűek a gravitációshullám-jelek?

3. GRAVITÁCIÓSHULLÁM-CSILLAGÁSZAT

Milyen gravitációshullám-detektorok működnek a világban? - Miért érdemes több detektort építeni a Földön? - Mire jók a gravitációs hullámok?

4. A FELFEDEZÉS

Mi az Advanced LIGO? - Mikor és hogyan történt a felfedezés? - Mi volt az észlelt gravitációshullám-jel forrása? - Az égen milyen irányban történt az összeolvadás? - Mit igazol a felfedezés, és mi következik ebből? - Tudunk mondani valamit a gravitációs hullámok terjedési sebességéről is? - Mi várható a közeli és távoli jövőben? - Lesz-e a felfedezésből térugrás és időgép? - A gravitációs hullámok és Hollywood

5. MAGYAROK ÉS A LIGO

Mi a LIGO Kollaboráció? - Hogyan vesz részt az Eötvös csoport a kollaborációban? - Hogyan lehet bekapcsolódni a kutatásba? - Miért érdemes fiatal fizikusként ezt a területet választani?

Aki válaszol: Raffai Péter Ph.D.

raffai-peter-ph-d Diplomáját fizikusként szerezte az asztrofizika területén 2006-ban, a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetemen. A doktori tanulmányait ugyanitt végezte 2006-tól a Fizika Doktori Iskola “Részecskefizika és csillagászat” szakirányán; az iskola abszolutóriumát 2009-ben vehette át. A Ph.D. doktori fokozatát “summa cum laude” minősítéssel 2012-ben szerezte meg.

2010-től tanársegédi pozíciót töltött be az ELTE Atomfizikai Tanszékén. 2011 őszétől 2013 tavaszáig posztdoktori kutatóként dolgozott a New York-i Columbia University-n. 2014-től az ELTE Atomfizikai Tanszék adjunktusa.

2004-ben, a California Institute of Technology egyetem nyári gyakorlatának LIGO-ösztöndíjat nyert résztvevőjeként kezdhette meg kutatásait a gravitációshullám-asztrofizika területén. Tagja és társalapítója a 2007-ben megalakult Eötvös Gravity Research Groupnak (EGRG), amely a megalakulásától a LIGO Scientific Collaboration (LSC) nemzetközi kutatói együttműködés tagcsoportja.

Kutatásaiban gravitációshullám-kitörések forrásainak modellezésével, jelkereső algoritmusok fejlesztésével, és gravitációshullám-detektorok adatainak analízisével foglalkozik. Szakmai érdeklődésébe a sűrű csillaghalmazok dinamikája, a kompakt csillagok és gamma-felvillanások fizikája, a többcsatornás csillagászat asztrofizikai alkalmazásai, valamint a kozmológiai modellek tartoznak.

Kutatói tevékenysége kiterjed a gravitációshullám-detektorok műszeres fejlesztésére is. Egyetemi és nagyközönségnek szánt előadásaival aktív szerepet vállal az LSC oktató, tudománynépszerűsítő, és ismeretterjesztő munkájában. Témavezetői munkájával elkötelezetten dolgozik a gravitációshullám-asztrofizika magyarországi és nemzetközi megerősítésén, a terület szakmai utánpótlásának biztosításán.

-----------------

http://gravitacioshullam.hu/

https://hu.wikipedia.org/wiki/Gravit%C3%A1ci%C3%B3s_hull%C3%A1m