Alles, was Sie über Gravitationswellen wissen wollten, aber nicht zu fragen wagten. Gravitationswellen Warum komprimieren Gravitationswellen den Raum?

Der Hauptunterschied besteht darin, dass Schall ein Medium benötigt, durch das er sich ausbreiten kann, während Gravitationswellen das Medium bewegen – in diesem Fall die Raumzeit selbst. „Sie zerdrücken und dehnen buchstäblich das Gefüge der Raumzeit“, sagt Chiara Mingarelli, Gravitationswellen-Astrophysikerin am Caltech. Für unsere Ohren klingen die von LIGO erkannten Wellen wie ein Gurgeln.

Wie genau wird diese Revolution stattfinden? LIGO verfügt derzeit über zwei Detektoren, die den Wissenschaftlern als „Ohren“ dienen, und in Zukunft wird es weitere Detektoren geben. Und wenn LIGO der Erste war, der es entdeckte, wird es sicherlich nicht der Einzige sein. Es gibt viele Arten von Gravitationswellen. Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe davon, genau wie es sie gibt verschiedene Typen Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum. Daher werden andere Kooperationen die Jagd nach Wellen mit einer Frequenz beginnen, für die LIGO nicht ausgelegt ist.

Mingarelli arbeitet mit der NanoGRAV-Kollaboration (North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory) zusammen, die Teil eines großen internationalen Konsortiums ist, zu dem das European Pulsar Timing Array und das Parkes Pulsar Timing Array in Australien gehören. Wie der Name schon sagt, jagen NanoGRAV-Wissenschaftler niederfrequente Gravitationswellen im Bereich von 1 bis 10 Nanohertz; Die Empfindlichkeit von LIGO liegt im Kilohertz-Bereich (hörbar) des Spektrums und sucht nach sehr langen Wellenlängen.

Die Zusammenarbeit stützt sich auf Pulsardaten, die vom Arecibo-Observatorium in Puerto Rico und dem Green Bank Telescope in West Virginia gesammelt wurden. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die entstehen, wenn Sterne, die massereicher als die Sonne sind, explodieren und in sich zusammenfallen. Sie drehen sich immer schneller, wenn sie zusammengedrückt werden, genauso wie sich ein Gewicht am Ende eines Seils umso schneller dreht, je kürzer das Seil wird.

Während sie sich drehen, senden sie wie ein Leuchtfeuer auch starke Strahlungsstöße aus, die auf der Erde als Lichtimpulse erkannt werden. Und diese periodische Rotation ist äußerst genau – fast so genau wie eine Atomuhr. Dies macht sie zu idealen Detektoren für kosmische Gravitationswellen. Der erste indirekte Beweis stammt aus der Untersuchung von Pulsaren im Jahr 1974, als Joseph Taylor Jr. und Russell Hulse entdeckten, dass sich ein Pulsar, der einen Neutronenstern umkreist, im Laufe der Zeit langsam zusammenzieht, ein Effekt, der zu erwarten wäre, wenn er einen Teil seiner Masse in Energie umwandeln würde in Form von Gravitationswellen.

Im Fall von NanoGRAV wird der entscheidende Beweis eine Art Flackern sein. Die Impulse müssen zur gleichen Zeit eintreffen, aber wenn sie von einer Gravitationswelle getroffen werden, treffen sie etwas früher oder später ein, da sich die Raumzeit beim Durchgang der Welle komprimiert oder ausdehnt.

Pulsar-Zeitgitter-Arrays reagieren besonders empfindlich auf Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher entstehen, die eine Milliarde bis Zehnmilliarden Mal so groß sind wie die Masse unserer Sonne, wie sie beispielsweise im Zentrum der massereichsten Galaxien lauern. Wenn zwei solcher Galaxien verschmelzen, verschmelzen auch die Löcher in ihren Zentren und senden Gravitationswellen aus. „LIGO sieht das Ende der Fusion, wenn die Paare sehr nahe beieinander liegen“, sagt Mingarelli. „Mit Hilfe von MRVs konnten wir sie zu Beginn der Spiralphase sehen, wenn sie gerade in die Umlaufbahn des anderen gelangen.“

Und es gibt auch die Weltraummission LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Das erdbasierte LIGO eignet sich hervorragend zur Erkennung von Gravitationswellen, die Teilen des hörbaren Schallspektrums entsprechen – wie sie von unseren verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt werden. Aber viele interessante Quellen dieser Wellen erzeugen niedrige Frequenzen. Deshalb müssen Physiker in den Weltraum fliegen, um sie zu entdecken. Das Hauptziel der aktuellen LISA Pathfinder()-Mission besteht darin, die Leistung des Detektors zu testen. „Mit LIGO können Sie das Instrument stoppen, das Vakuum öffnen und alles reparieren“, sagt Scott Hughes vom MIT. „Aber man kann im Weltraum nichts öffnen.“ Wir müssen es sofort tun, damit es richtig funktioniert.“

Das Ziel von LISA ist einfach: Mit Laserinterferometern Raumfahrzeug wird versuchen, die relative Position zweier 1,8 Zoll großer Gold-Platin-Würfel im freien Fall genau zu messen. Die Testobjekte werden in separaten Elektrodenboxen im Abstand von 15 Zoll platziert und vor Sonnenwind und anderen äußeren Kräften geschützt, sodass (hoffentlich) die winzige Bewegung erkannt werden kann, die durch Gravitationswellen verursacht wird.

Schließlich gibt es noch zwei Experimente zur Suche nach den Spuren, die urzeitliche Gravitationswellen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (dem Nachglühen des Urknalls) hinterlassen: BICEP2 und die Planck-Mission. BICEP2 gab seine Entdeckung im Jahr 2014 bekannt, aber es stellte sich heraus, dass das Signal gefälscht war (schuld daran ist kosmischer Staub).

Beide Kooperationen setzen die Jagd fort in der Hoffnung, Licht auf die frühe Geschichte unseres Universums zu werfen – und hoffentlich die wichtigsten Vorhersagen der Inflationstheorie zu bestätigen. Diese Theorie sagte voraus, dass das Universum kurz nach seiner Geburt ein schnelles Wachstum erlebte, das nicht umhin konnte, starke Gravitationswellen zu hinterlassen, die in Form spezieller Lichtwellen (Polarisation) in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung eingeprägt blieben.

Jeder der vier Gravitationswellenmodi wird den Astronomen vier neue Fenster zum Universum eröffnen.

Aber wir wissen, was Sie denken: Zeit, den Warp-Antrieb anzuwerfen, Jungs! Wird LIGOs Entdeckung nächste Woche beim Bau des Todessterns helfen? Natürlich nicht. Aber je besser wir die Schwerkraft verstehen, desto besser werden wir verstehen, wie man diese Dinge baut. Das ist schließlich die Aufgabe der Wissenschaftler, damit verdienen sie ihren Lebensunterhalt. Wenn wir verstehen, wie das Universum funktioniert, können wir uns mehr auf unsere Fähigkeiten verlassen.

Hundert Jahre nach der theoretischen Vorhersage Albert Einsteins im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie konnten Wissenschaftler die Existenz von Gravitationswellen bestätigen. Die Ära einer grundlegend neuen Methode zur Erforschung des Weltraums – der Gravitationswellenastronomie – beginnt.

Es gibt unterschiedliche Entdeckungen. Es gibt zufällige, sie kommen in der Astronomie häufig vor. Es gibt keine völlig zufälligen Funde, die das Ergebnis einer gründlichen „Durchkämmung der Gegend“ sind, wie etwa die Entdeckung von Uranus durch William Herschel. Es gibt Zufälle – wenn sie das eine suchten und das andere fanden: Sie entdeckten zum Beispiel Amerika. Doch geplante Entdeckungen nehmen in der Wissenschaft einen besonderen Platz ein. Sie basieren auf einer klaren theoretischen Vorhersage. Was vorhergesagt wird, wird in erster Linie gesucht, um die Theorie zu bestätigen. Zu diesen Entdeckungen gehören die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider und die Detektion von Gravitationswellen mit dem Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium LIGO. Um jedoch ein von der Theorie vorhergesagtes Phänomen zu registrieren, muss man ziemlich genau wissen, was genau und wo man suchen muss und welche Werkzeuge dafür benötigt werden.

Gravitationswellen wird traditionell als Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) bezeichnet, und das ist tatsächlich so (obwohl solche Wellen mittlerweile in allen Modellen existieren, die alternativ zur GTR sind oder diese ergänzen). Das Auftreten von Wellen wird durch die Endlichkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitationswechselwirkung verursacht (in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist diese Geschwindigkeit genau gleich der Lichtgeschwindigkeit). Solche Wellen sind Störungen in der Raumzeit, die sich von einer Quelle ausbreiten. Damit Gravitationswellen auftreten können, muss die Quelle pulsieren oder sich beschleunigt bewegen, jedoch auf eine bestimmte Art und Weise. Nehmen wir an, Bewegungen mit perfekter sphärischer oder zylindrischer Symmetrie sind nicht geeignet. Es gibt viele solcher Quellen, aber oft haben sie eine geringe Masse, die nicht ausreicht, um ein starkes Signal zu erzeugen. Schließlich ist die Schwerkraft die schwächste der vier Grundwechselwirkungen, daher ist es sehr schwierig, ein Gravitationssignal zu registrieren. Darüber hinaus ist es für die Registrierung erforderlich, dass sich das Signal zeitlich schnell ändert, also eine ausreichend hohe Frequenz aufweist. Andernfalls können wir es nicht registrieren, da die Änderungen zu langsam sind. Das bedeutet, dass die Objekte auch kompakt sein müssen.

Große Begeisterung erregten zunächst die Supernova-Explosionen, die alle paar Jahrzehnte in Galaxien wie der unseren auftreten. Das bedeutet: Wenn wir eine Empfindlichkeit erreichen, die es uns ermöglicht, ein Signal aus einer Entfernung von mehreren Millionen Lichtjahren zu sehen, können wir mit mehreren Signalen pro Jahr rechnen. Doch später stellte sich heraus, dass die ersten Schätzungen über die Stärke der Energiefreisetzung in Form von Gravitationswellen während einer Supernova-Explosion zu optimistisch waren und ein derart schwaches Signal nur dann nachgewiesen werden konnte, wenn in unserer Galaxie eine Supernova ausgebrochen wäre.

Eine weitere Möglichkeit für massereiche, kompakte Objekte, die sich schnell bewegen, sind Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Wir können entweder den Prozess ihrer Entstehung oder den Prozess der Interaktion miteinander sehen. Die letzten Stadien des Kollapses von Sternkernen, die zur Bildung kompakter Objekte führen, sowie die letzten Stadien der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern dauern etwa mehrere Millisekunden (was einer Frequenz von entspricht). Hunderte von Hertz) - genau das, was benötigt wird. Dabei wird viel Energie freigesetzt, auch (und manchmal hauptsächlich) in Form von Gravitationswellen, da massive kompakte Körper bestimmte schnelle Bewegungen ausführen. Das sind unsere idealen Quellen.

Es stimmt, dass in der Galaxie alle paar Jahrzehnte Supernovae ausbrechen, alle paar Zehntausend Jahre Verschmelzungen von Neutronensternen stattfinden und Schwarze Löcher noch seltener miteinander verschmelzen. Aber das Signal ist viel stärker und seine Eigenschaften können ziemlich genau berechnet werden. Aber jetzt müssen wir in der Lage sein, das Signal aus einer Entfernung von mehreren hundert Millionen Lichtjahren zu sehen, um mehrere Zehntausend Galaxien abzudecken und mehrere Signale pro Jahr zu erkennen.

Nachdem wir uns für die Quellen entschieden haben, beginnen wir mit dem Entwurf des Detektors. Dazu müssen Sie verstehen, was eine Gravitationswelle bewirkt. Ohne ins Detail zu gehen, können wir sagen, dass der Durchgang einer Gravitationswelle eine Gezeitenkraft verursacht (normale Mond- oder Sonnengezeiten sind ein separates Phänomen und Gravitationswellen haben damit nichts zu tun). So kann man beispielsweise einen Metallzylinder nehmen, ihn mit Sensoren ausstatten und seine Schwingungen untersuchen. Dies ist nicht schwierig, weshalb mit solchen Installationen bereits vor einem halben Jahrhundert begonnen wurde (sie sind auch in Russland erhältlich; jetzt wird im Baksan-Untergrundlabor ein verbesserter Detektor installiert, der von Valentin Rudenkos Team von der SAI MSU entwickelt wurde). Das Problem besteht darin, dass ein solches Gerät das Signal ohne Gravitationswellen empfängt. Es gibt viele Geräusche, mit denen man nur schwer umgehen kann. Es ist möglich (und wurde auch getan!), den Detektor unter der Erde zu installieren, ihn zu isolieren und abzukühlen niedrige Temperaturen Um den Rauschpegel zu überschreiten, wäre jedoch ein sehr starkes Gravitationswellensignal erforderlich. Aber starke Signale kommen selten.

Daher entschied man sich für ein anderes Schema, das 1962 von Vladislav Pustovoit und Mikhail Herzenstein vorgeschlagen wurde. In einem im JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics) veröffentlichten Artikel schlugen sie vor, ein Michelson-Interferometer zum Nachweis von Gravitationswellen zu verwenden. Der Laserstrahl verläuft zwischen den Spiegeln in den beiden Armen des Interferometers, und dann werden die Strahlen verschiedener Arme addiert. Durch die Analyse des Ergebnisses der Strahlinterferenz kann die relative Änderung der Armlängen gemessen werden. Dies sind sehr präzise Messungen. Wenn Sie also das Rauschen überwinden, können Sie eine fantastische Empfindlichkeit erreichen.

Anfang der 1990er Jahre wurde beschlossen, mehrere Detektoren in dieser Bauweise zu bauen. Als erstes wurden relativ kleine Anlagen in Betrieb genommen, GEO600 in Europa und TAMA300 in Japan (die Zahlen entsprechen der Länge der Arme in Metern), um die Technologie zu testen. Hauptakteure sollten jedoch die LIGO-Installationen in den USA und VIRGO in Europa sein. Die Größe dieser Instrumente wird bereits in Kilometern gemessen, und die endgültige geplante Empfindlichkeit sollte es ermöglichen, Dutzende, wenn nicht Hunderte von Ereignissen pro Jahr zu beobachten.

Warum werden mehrere Geräte benötigt? Hauptsächlich für die Kreuzvalidierung, da lokales Rauschen (z. B. seismisch) vorhanden ist. Die gleichzeitige Entdeckung des Signals im Nordwesten der USA und in Italien wäre ein hervorragender Beweis für seinen externen Ursprung. Doch es gibt noch einen zweiten Grund: Gravitationswellendetektoren können die Richtung zur Quelle nur sehr schlecht bestimmen. Wenn jedoch mehrere Detektoren voneinander entfernt sind, kann die Richtung recht genau angegeben werden.

Laserriesen

In ihrer ursprünglichen Form wurden die LIGO-Detektoren im Jahr 2002 und die VIRGO-Detektoren im Jahr 2003 gebaut. Dem Plan zufolge war dies nur die erste Etappe. Alle Anlagen waren mehrere Jahre in Betrieb und wurden in den Jahren 2010-2011 wegen Umbauten stillgelegt, um dann die geplante hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Die LIGO-Detektoren waren die ersten, die im September 2015 in Betrieb gingen, VIRGO soll in der zweiten Hälfte des Jahres 2016 hinzukommen, und ab diesem Zeitpunkt lässt die Empfindlichkeit darauf hoffen, dass wir mindestens mehrere Ereignisse pro Jahr aufzeichnen können.

Nach Inbetriebnahme von LIGO lag die erwartete Burst-Rate bei etwa einem Ereignis pro Monat. Astrophysiker schätzten im Voraus, dass die ersten erwarteten Ereignisse Verschmelzungen von Schwarzen Löchern sein würden. Dies liegt daran, dass Schwarze Löcher normalerweise zehnmal schwerer sind als Neutronensterne, das Signal stärker ist und aus großer Entfernung „sichtbar“ ist, was die geringere Ereignisrate pro Galaxie mehr als ausgleicht. Zum Glück mussten wir nicht lange warten. Am 14. September 2015 registrierten beide Anlagen ein nahezu identisches Signal mit der Bezeichnung GW150914.

Mit einer relativ einfachen Analyse können Daten wie Massen von Schwarzen Löchern, Signalstärke und Entfernung zur Quelle ermittelt werden. Masse und Größe von Schwarzen Löchern hängen auf sehr einfache und bekannte Weise zusammen, und aus der Signalfrequenz kann man sofort die Größe des Energiefreisetzungsbereichs abschätzen. In diesem Fall deutete die Größe darauf hin, dass aus zwei Löchern mit einer Masse von 25–30 und 35–40 Sonnenmassen ein Schwarzes Loch mit einer Masse von mehr als 60 Sonnenmassen entstand. Wenn man diese Daten kennt, kann man die Gesamtenergie des Ausbruchs ermitteln. Fast drei Sonnenmassen wurden in Gravitationsstrahlung umgewandelt. Dies entspricht der Leuchtkraft von 1023 Sonnenleuchtkräften – ungefähr der gleichen Menge, die alle Sterne im sichtbaren Teil des Universums in dieser Zeit (Hundertstelsekunden) emittieren. Und aus der bekannten Energie und Größe des gemessenen Signals wird die Entfernung ermittelt. Die große Masse der verschmolzenen Körper ermöglichte die Registrierung eines Ereignisses in einer fernen Galaxie: Das Signal brauchte etwa 1,3 Milliarden Jahre, um uns zu erreichen.

Eine detailliertere Analyse ermöglicht es, das Massenverhältnis von Schwarzen Löchern zu klären und zu verstehen, wie sie sich um ihre Achse drehten, sowie einige andere Parameter zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglicht das Signal zweier Anlagen eine ungefähre Bestimmung der Richtung des Ausbruchs. Leider ist die Genauigkeit hier noch nicht sehr hoch, aber mit der Inbetriebnahme der aktualisierten VIRGO wird sie steigen. Und in ein paar Jahren wird der japanische KAGRA-Detektor beginnen, Signale zu empfangen. Dann wird einer der LIGO-Detektoren (ursprünglich waren es drei, eine der Installationen war dual) in Indien montiert, und es wird erwartet, dass viele Dutzend Ereignisse pro Jahr aufgezeichnet werden.

Die Ära der neuen Astronomie

Das derzeit wichtigste Ergebnis der Arbeit von LIGO ist die Bestätigung der Existenz von Gravitationswellen. Darüber hinaus ermöglichte der allererste Ausbruch eine Verbesserung der Beschränkungen für die Masse des Gravitons (in der Allgemeinen Relativitätstheorie hat es eine Masse von Null) sowie eine stärkere Begrenzung des Unterschieds zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwerkraft und der Geschwindigkeit von Licht. Doch Wissenschaftler hoffen, dass sie bereits 2016 mit LIGO und VIRGO viele neue astrophysikalische Daten gewinnen können.

Erstens bieten Daten von Gravitationswellenobservatorien einen neuen Weg zur Untersuchung von Schwarzen Löchern. War es bisher nur möglich, die Materieströme in der Nähe dieser Objekte zu beobachten, kann man jetzt direkt „sehen“, wie das entstehende Schwarze Loch verschmelzt und sich „beruhigt“, wie sein Horizont schwankt und seine endgültige Form annimmt ( durch Drehung bestimmt). Wahrscheinlich wird die Untersuchung von Verschmelzungen bis zur Entdeckung der Hawking-Verdampfung von Schwarzen Löchern (derzeit bleibt dieser Prozess eine Hypothese) bessere direkte Informationen über sie liefern.

Zweitens werden Beobachtungen von Neutronensternverschmelzungen viele neue, dringend benötigte Informationen über diese Objekte liefern. Zum ersten Mal werden wir in der Lage sein, Neutronensterne so zu untersuchen, wie Physiker Teilchen untersuchen: indem wir sie beim Zusammenstoß beobachten, um zu verstehen, wie sie im Inneren funktionieren. Das Rätsel um die Struktur des Inneren von Neutronensternen beunruhigt sowohl Astrophysiker als auch Physiker. Ohne die Lösung dieses Problems ist unser Verständnis der Kernphysik und des Verhaltens von Materie bei ultrahohen Dichten unvollständig. Dabei dürften Gravitationswellenbeobachtungen eine Schlüsselrolle spielen.

Es wird angenommen, dass Neutronensternverschmelzungen für kurze kosmologische Gammastrahlenausbrüche verantwortlich sind. In seltenen Fällen wird es möglich sein, ein Ereignis sowohl im Gammabereich als auch auf Gravitationswellendetektoren gleichzeitig zu beobachten (die Seltenheit liegt daran, dass erstens das Gammasignal in einem sehr schmalen Strahl konzentriert ist, was aber nicht der Fall ist). immer auf uns gerichtet, aber zweitens werden wir keine Gravitationswellen von sehr weit entfernten Ereignissen registrieren). Anscheinend wird es mehrere Jahre der Beobachtung erfordern, um dies zu erkennen (obwohl Sie, wie üblich, vielleicht Glück haben und es heute passieren wird). Dann können wir unter anderem die Geschwindigkeit der Schwerkraft sehr genau mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichen.

Somit werden Laserinterferometer zusammen als ein einziges Gravitationswellenteleskop fungieren und sowohl Astrophysikern als auch Physikern neue Erkenntnisse bringen. Nun ja, für die Entdeckung der ersten Ausbrüche und deren Analyse wird früher oder später ein wohlverdienter Nobelpreis verliehen.

11. Februar 2016

Erst vor wenigen Stunden trafen Neuigkeiten ein, auf die die Wissenschaft schon lange gewartet hatte. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus mehreren Ländern, die im Rahmen des internationalen LIGO Scientific Collaboration-Projekts arbeiten, sagt, dass sie mithilfe mehrerer Detektorobservatorien Gravitationswellen unter Laborbedingungen nachweisen konnten.

Sie analysieren Daten von zwei Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorien (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO), die sich in den Bundesstaaten Louisiana und Washington in den Vereinigten Staaten befinden.

Wie auf der Pressekonferenz des LIGO-Projekts angegeben, wurden am 14. September 2015 Gravitationswellen zuerst an einem Observatorium und sieben Millisekunden später an einem anderen beobachtet.

Basierend auf der Analyse der erhaltenen Daten, die von Wissenschaftlern aus vielen Ländern, darunter auch Russland, durchgeführt wurde, wurde festgestellt, dass die Gravitationswelle durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher mit einer Masse von 29 und 36 Mal der Masse des Schwarzen Lochs verursacht wurde Sonne. Danach verschmolzen sie zu einem großen Schwarzen Loch.

Dies geschah vor 1,3 Milliarden Jahren. Das Signal kam aus der Richtung des Sternbildes Magellansche Wolke zur Erde.

Sergei Popov (Astrophysiker am Sternberg State Astronomical Institute der Moskauer Staatlichen Universität) erklärte, was Gravitationswellen sind und warum es so wichtig ist, sie zu messen.

Moderne Gravitationstheorien sind geometrische Gravitationstheorien, mehr oder weniger alles aus der Relativitätstheorie. Die geometrischen Eigenschaften des Raumes beeinflussen die Bewegung von Körpern oder Objekten wie beispielsweise einem Lichtstrahl. Und umgekehrt – die Energieverteilung (das ist dasselbe wie die Masse im Raum) beeinflusst die geometrischen Eigenschaften des Raumes. Das ist sehr cool, weil man es sich leicht vorstellen kann – diese ganze elastische Fläche, die in einer Kiste ausgekleidet ist, hat eine physikalische Bedeutung, obwohl das natürlich nicht alles so wörtlich ist.

Physiker verwenden das Wort „metrisch“. Eine Metrik beschreibt die geometrischen Eigenschaften des Raums. Und hier haben wir Körper, die sich mit Beschleunigung bewegen. Am einfachsten ist es, die Gurke zu drehen. Wichtig ist, dass es sich beispielsweise nicht um eine Kugel oder eine abgeflachte Scheibe handelt. Man kann sich leicht vorstellen, dass Wellen entstehen, wenn sich eine solche Gurke auf einer elastischen Ebene dreht. Stellen Sie sich vor, Sie stehen irgendwo und eine Gurke dreht das eine Ende zu Ihnen und dann das andere. Sie beeinflusst Raum und Zeit auf unterschiedliche Weise, eine Gravitationswelle verläuft.

Eine Gravitationswelle ist also eine Welle, die entlang der Raum-Zeit-Metrik verläuft.

Perlen im Weltraum

Dies ist eine grundlegende Eigenschaft unseres grundlegenden Verständnisses der Funktionsweise der Schwerkraft, und die Menschen wollten sie schon seit hundert Jahren testen. Sie wollen sicherstellen, dass es einen Effekt gibt und dieser im Labor sichtbar ist. Dies wurde vor etwa drei Jahrzehnten in der Natur beobachtet. Wie sollten sich Gravitationswellen im Alltag äußern?

Der einfachste Weg, dies zu veranschaulichen, ist folgender: Wenn man Perlen so in den Weltraum wirft, dass sie in einem Kreis liegen, und wenn eine Gravitationswelle senkrecht zu ihrer Ebene verläuft, beginnen sie, sich in eine Ellipse zu verwandeln, die zuerst in eine Richtung und dann komprimiert wird in dem anderen. Der Punkt ist, dass der Raum um sie herum gestört wird, und sie werden es spüren.

„G“ auf der Erde

Menschen machen so etwas, nur nicht im Weltraum, sondern auf der Erde.

Spiegel in Form des Buchstabens „g“ [bezogen auf die amerikanischen LIGO-Observatorien] hängen in einem Abstand von vier Kilometern voneinander.

Laserstrahlen laufen – das ist ein Interferometer, eine wohlverstandene Sache. Moderne Technologien ermöglichen die Messung fantastisch kleiner Effekte. Es ist immer noch nicht so, dass ich es nicht glaube, ich glaube es, aber ich kann es mir einfach nicht vorstellen – die Verschiebung von Spiegeln, die in einem Abstand von vier Kilometern voneinander hängen, ist kleiner als die Größe eines Atomkerns . Dies ist selbst im Vergleich zur Wellenlänge dieses Lasers gering. Das war der Haken: Die Schwerkraft ist die schwächste Wechselwirkung und daher sind die Verschiebungen sehr gering.

Es hat sehr lange gedauert, seit den 1970er Jahren versuchen Menschen dies zu tun, sie haben ihr Leben damit verbracht, nach Gravitationswellen zu suchen. Und jetzt ermöglichen es nur technische Möglichkeiten, eine Gravitationswelle unter Laborbedingungen zu registrieren, das heißt, sie kam hierher und die Spiegel haben sich verschoben.

Richtung

Wenn alles gut geht, werden innerhalb eines Jahres weltweit bereits drei Detektoren in Betrieb sein. Drei Detektoren sind sehr wichtig, da diese Dinge die Richtung des Signals nur sehr schlecht bestimmen können. Genauso wie wir die Richtung einer Quelle schlecht mit dem Gehör bestimmen können. „Ein Geräusch von irgendwo rechts“ – so etwas spüren diese Detektoren. Wenn aber drei Personen im Abstand voneinander stehen und einer ein Geräusch von rechts, ein anderer von links und der dritte von hinten hört, können wir die Richtung des Geräusches sehr genau bestimmen. Je mehr Detektoren vorhanden sind, desto weiter sind sie verstreut zum Globus, desto genauer können wir die Richtung zur Quelle bestimmen, und dann beginnt die Astronomie.

Schließlich geht es nicht nur darum, die allgemeine Relativitätstheorie zu bestätigen, sondern auch um neue astronomische Erkenntnisse. Stellen Sie sich vor, es gäbe ein Schwarzes Loch mit einer Masse von zehn Sonnenmassen. Und es kollidiert mit einem anderen Schwarzen Loch mit einer Masse von zehn Sonnenmassen. Die Kollision erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit. Energiedurchbruch. Es stimmt. Davon gibt es eine fantastische Menge. Und das gibt es auf keinen Fall ... Es sind nur Wellen von Raum und Zeit. Ich würde sagen, dass die Entdeckung der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher für lange Zeit der stärkste Beweis dafür sein wird, dass Schwarze Löcher mehr oder weniger die Schwarzen Löcher sind, für die wir sie halten.

Gehen wir die Probleme und Phänomene durch, die dadurch aufgedeckt werden könnten.

Existieren Schwarze Löcher wirklich?

Das von der LIGO-Ankündigung erwartete Signal könnte von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt worden sein. Solche Ereignisse sind die energiereichsten, die wir kennen; Die Stärke der von ihnen ausgesendeten Gravitationswellen kann kurzzeitig alle Sterne im beobachtbaren Universum zusammen überstrahlen. Auch verschmelzende Schwarze Löcher lassen sich anhand ihrer sehr reinen Gravitationswellen recht einfach interpretieren.

Eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern findet statt, wenn zwei Schwarze Löcher sich spiralförmig umeinander drehen und dabei Energie in Form von Gravitationswellen aussenden. Diese Wellen haben einen charakteristischen Ton (Zwitschern), der zur Messung der Masse dieser beiden Objekte verwendet werden kann. Danach verschmelzen Schwarze Löcher normalerweise.

„Stellen Sie sich zwei Seifenblasen vor, die sich so nahe kommen, dass sie eine einzige Blase bilden. Die größere Blase ist deformiert“, sagt Tybalt Damour, Gravitationstheoretiker am Institute of Advanced Scientific Research in der Nähe von Paris. Das endgültige Schwarze Loch wird perfekt kugelförmig sein, muss aber zunächst Gravitationswellen vorhersehbarer Art aussenden.

Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Konsequenzen der Entdeckung einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern wird die Bestätigung der Existenz von Schwarzen Löchern sein – zumindest perfekt runde Objekte, die aus reiner, leerer, gekrümmter Raumzeit bestehen, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Eine weitere Konsequenz ist, dass die Fusion wie von Wissenschaftlern vorhergesagt verläuft. Astronomen haben viele indirekte Beweise für dieses Phänomen, aber bisher handelte es sich dabei um Beobachtungen von Sternen und überhitztem Gas in der Umlaufbahn von Schwarzen Löchern und nicht um die Schwarzen Löcher selbst.

„Die wissenschaftliche Gemeinschaft, mich eingeschlossen, mag keine Schwarzen Löcher. „Wir halten sie für selbstverständlich“, sagt France Pretorius, Spezialistin für Simulationen der Allgemeinen Relativitätstheorie an der Princeton University in New Jersey. „Aber wenn wir darüber nachdenken, wie erstaunlich diese Vorhersage ist, brauchen wir einen wirklich erstaunlichen Beweis.“

Breiten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit aus?

Wenn Wissenschaftler anfangen, LIGO-Beobachtungen mit denen anderer Teleskope zu vergleichen, prüfen sie zunächst, ob das Signal gleichzeitig eintraf. Physiker glauben, dass die Schwerkraft durch Gravitonteilchen übertragen wird, das Gravitationsanalogon von Photonen. Wenn diese Teilchen wie Photonen keine Masse haben, breiten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit aus, was der Vorhersage der Geschwindigkeit von Gravitationswellen in der klassischen Relativitätstheorie entspricht. (Ihre Geschwindigkeit kann durch die beschleunigte Expansion des Universums beeinflusst werden, dies sollte jedoch bei Entfernungen deutlich sichtbar sein, die deutlich größer sind als die von LIGO zurückgelegten.)

Es ist jedoch durchaus möglich, dass Gravitonen eine geringe Masse haben, was bedeutet, dass sich Gravitationswellen mit einer Geschwindigkeit unter der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn LIGO und Virgo beispielsweise Gravitationswellen entdecken und feststellen, dass die Wellen nach Gammastrahlen im Zusammenhang mit kosmischen Ereignissen auf der Erde ankamen, könnte dies lebensverändernde Folgen für die Grundlagenphysik haben.

Besteht die Raumzeit aus kosmischen Strings?

Eine noch seltsamere Entdeckung könnte erfolgen, wenn Gravitationswellenausbrüche gefunden würden, die von „kosmischen Saiten“ ausgehen. Diese hypothetischen Defekte in der Krümmung der Raumzeit, die möglicherweise mit Stringtheorien zusammenhängen oder auch nicht, sollten unendlich dünn sein, sich aber auf kosmische Entfernungen erstrecken. Wissenschaftler sagen voraus, dass sich kosmische Saiten, falls sie existieren, versehentlich verbiegen könnten; Wenn sich die Saite verbiegen würde, würde dies einen Gravitationsschub verursachen, den Detektoren wie LIGO oder Virgo messen könnten.

Können Neutronensterne klumpig sein?

Neutronensterne sind Überreste große Sterne, die unter ihrem eigenen Gewicht kollabierten und so dicht wurden, dass Elektronen und Protonen zu Neutronen zu schmelzen begannen. Wissenschaftler haben wenig Verständnis für die Physik von Neutronenlöchern, aber Gravitationswellen könnten uns viel über sie sagen. Beispielsweise führt die starke Schwerkraft auf ihrer Oberfläche dazu, dass Neutronensterne nahezu perfekt kugelförmig werden. Einige Wissenschaftler haben jedoch vermutet, dass es auch einige Millimeter hohe „Berge“ geben könnte, die diese dichten Objekte mit einem Durchmesser von nicht mehr als 10 Kilometern leicht asymmetrisch machen. Neutronensterne drehen sich normalerweise sehr schnell, sodass die asymmetrische Massenverteilung die Raumzeit verzerrt und ein anhaltendes Gravitationswellensignal in Form einer Sinuswelle erzeugt, das die Rotation des Sterns verlangsamt und Energie abgibt.

Paare von Neutronensternen, die einander umkreisen, erzeugen ebenfalls ein konstantes Signal. Wie Schwarze Löcher bewegen sich diese Sterne spiralförmig und verschmelzen schließlich mit einem charakteristischen Geräusch. Aber seine Spezifität unterscheidet sich von der Spezifität des Klangs von Schwarzen Löchern.

Warum explodieren Sterne?

Schwarze Löcher und Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne aufhören zu leuchten und in sich zusammenfallen. Astrophysiker glauben, dass dieser Prozess allen gängigen Arten von Supernova-Explosionen vom Typ II zugrunde liegt. Simulationen solcher Supernovae haben noch nicht gezeigt, warum sie zünden, aber man geht davon aus, dass das Abhören der von einer echten Supernova ausgesendeten Gravitationswellenausbrüche eine Antwort liefern kann. Abhängig davon, wie die Burst-Wellen aussehen, wie laut sie sind, wie oft sie auftreten und wie sie mit den Supernovae korrelieren, die von elektromagnetischen Teleskopen verfolgt werden, könnten diese Daten dabei helfen, eine Reihe bestehender Modelle auszuschließen.

Wie schnell expandiert das Universum?

Die Ausdehnung des Universums führt dazu, dass entfernte Objekte, die sich von unserer Galaxie entfernen, röter erscheinen, als sie tatsächlich sind, weil das von ihnen emittierte Licht bei ihrer Bewegung gedehnt wird. Kosmologen schätzen die Expansionsrate des Universums, indem sie die Rotverschiebung von Galaxien mit ihrer Entfernung von uns vergleichen. Diese Entfernung wird jedoch normalerweise anhand der Helligkeit von Supernovae vom Typ Ia geschätzt, und diese Technik birgt viele Unsicherheiten.

Wenn mehrere Gravitationswellendetektoren auf der ganzen Welt Signale von der Verschmelzung derselben Neutronensterne erfassen, können sie gemeinsam die Lautstärke des Signals und damit die Entfernung, in der die Verschmelzung stattfand, absolut genau abschätzen. Sie werden auch in der Lage sein, die Richtung abzuschätzen und damit die Galaxie zu identifizieren, in der sich das Ereignis ereignete. Durch den Vergleich der Rotverschiebung dieser Galaxie mit der Entfernung zu den verschmelzenden Sternen ist es möglich, eine unabhängige Rate der kosmischen Expansion zu ermitteln, die möglicherweise genauer ist, als es die aktuellen Methoden erlauben.

Quellen

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

Hier haben wir irgendwie herausgefunden, aber was ist und. Schauen Sie, wie es aussieht Der Originalartikel ist auf der Website InfoGlaz.rf Link zum Artikel, aus dem diese Kopie erstellt wurde -

Der offizielle Tag der Entdeckung (Nachweis) von Gravitationswellen ist der 11. Februar 2016. Dann 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

Die Existenz von Gravitationswellen wurde von Albert Einstein zu Beginn des letzten Jahrhunderts (1916) im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) vorgeschlagen. Man kann nur über die brillanten Fähigkeiten des berühmten Physikers staunen, der mit einem Minimum an realen Daten so weitreichende Schlussfolgerungen ziehen konnte. Neben 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 Wellenwechselwirkung praktisch nachzuweisen von Körpern bis vor kurzem.

Ist Schwerkraft eine Illusion?

Im Allgemeinen kann die Schwerkraft im Lichte der Relativitätstheorie kaum als Kraft bezeichnet werden. Störungen oder Krümmungen des Raum-Zeit-Kontinuums. Ein gutes Beispiel Als Veranschaulichung dieses Postulats kann ein gespanntes Stück Stoff dienen. Unter dem Gewicht eines massiven Gegenstandes, der auf einer solchen Oberfläche platziert wird, bildet sich eine Vertiefung. Wenn sich andere Objekte dieser Anomalie nähern, ändern sie ihre Bewegungsbahn, als würden sie „angezogen“. Und je größer das Gewicht des Objekts ist (je größer der Durchmesser und die Tiefe der Krümmung), desto höher ist die „Anziehungskraft“. Während es sich über den Stoff bewegt, kann man das Auftreten divergierender „Wellen“ beobachten.

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 einer erheblichen Amplitude entsteht bei Körpern mit extrem großen Massen oder bei Bewegungen mit enormen Beschleunigungen.

physikalische Eigenschaften

Schwankungen der Raum-Zeit-Metrik äußern sich als Veränderungen im Gravitationsfeld. Dieses Phänomen wird auch als Raum-Zeit-Welligkeit bezeichnet. Die Gravitationswelle wirkt auf die angetroffenen Körper und Objekte ein und komprimiert und dehnt sie. Das Ausmaß der Verformung ist sehr unbedeutend – etwa 10 –21 der ursprünglichen Größe. Die ganze Schwierigkeit bei der Entdeckung dieses Phänomens bestand darin, dass die Forscher lernen mussten, wie man solche Veränderungen mit geeigneter Ausrüstung misst und aufzeichnet. Auch die Kraft der Gravitationsstrahlung ist äußerst gering – für alle Sonnensystem sie beträgt mehrere Kilowatt.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen hängt geringfügig von den Eigenschaften des leitenden Mediums ab. Die Amplitude der Schwingungen nimmt mit der Entfernung von der Quelle allmählich ab, erreicht jedoch nie Null. Die Frequenz reicht von mehreren zehn bis hunderten Hertz. Die Geschwindigkeit der Gravitationswellen im interstellaren Medium nähert sich der Lichtgeschwindigkeit.

Indizien

Die erste theoretische Bestätigung der Existenz von Gravitationswellen gelang 1974 dem amerikanischen Astronomen Joseph Taylor und seinem Assistenten Russell Hulse. Bei der Untersuchung der Weiten des Universums mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums (Puerto Rico) entdeckten Forscher den Pulsar PSR B1913+16, ein binäres System von Neutronensternen, die mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt rotieren (ein eher seltenes Phänomen). Fall). Jedes Jahr verkürzt sich die Umlaufzeit von ursprünglich 3,75 Stunden um 70 ms. Dieser Wert stimmt voll und ganz mit den Schlussfolgerungen aus den allgemeinen Relativitätsgleichungen überein, 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 Verhalten entdeckt. Die Radioastronomen D. Taylor und R. Hulse erhielten 1993 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung neuer Möglichkeiten zur Untersuchung von Gravitationsfeldern.

Entkommende Gravitationswelle

Die erste Ankündigung zur Entdeckung von Gravitationswellen kam 1969 vom Wissenschaftler der University of Maryland, Joseph Weber (USA). Zu diesem Zweck nutzte er zwei von ihm selbst entworfene Gravitationsantennen, die im Abstand von zwei Kilometern voneinander entfernt waren. Der Resonanzdetektor war ein gut vibrationsisolierter, massiver, zwei Meter langer Aluminiumzylinder, der mit empfindlichen piezoelektrischen Sensoren ausgestattet war. Die Amplitude der angeblich von Weber aufgezeichneten Schwingungen war mehr als eine Million Mal höher als der erwartete Wert. Versuche anderer Wissenschaftler, den „Erfolg“ des amerikanischen Physikers mit ähnlichen Geräten zu wiederholen, brachten keine positiven Ergebnisse. Einige Jahre später wurden Webers Arbeiten auf diesem Gebiet als unhaltbar anerkannt, gaben jedoch den Anstoß zur Entwicklung des „Gravitationsbooms“, der viele Spezialisten in dieses Forschungsgebiet lockte. Übrigens war sich Joseph Weber selbst bis an sein Lebensende sicher, dass er Gravitationswellen empfing.

Verbesserung der Empfangsausrüstung

In den 70er Jahren entwickelte der Wissenschaftler Bill Fairbank (USA) das Design einer Gravitationswellenantenne, die mit SQUIDS – hochempfindlichen Magnetometern – gekühlt wird. Die damals vorhandenen Technologien ermöglichten es dem Erfinder nicht, sein Produkt in „Metall“ umzusetzen.

Der Auriga-Gravitationsdetektor am National Legnara Laboratory (Padua, Italien) basiert auf diesem Prinzip. Die Konstruktion basiert auf einem Aluminium-Magnesium-Zylinder mit einer Länge von 3 Metern und einem Durchmesser von 0,6 Metern. Die 2,3 Tonnen schwere Aufnahmevorrichtung ist in einem isolierten, fast gekühlten Raum aufgehängt Absoluter Nullpunkt Vakuumkammer. Zur Erfassung und Erkennung von Stößen werden ein Hilfs-Kilogramm-Resonator und ein computergestützter Messkomplex eingesetzt. Die angegebene Empfindlichkeit des Geräts beträgt 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 Strahlen aufgeteilt. Nach mehreren Reflexionen und Wanderungen entlang der Arme des Geräts werden die Ströme wieder zusammengeführt und anhand der letzten Reflexion beurteilt, 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) mit Schultern von 300 m.
VIRGO (Pisa, Italien) ist ein 2007 gestartetes französisch-italienisches Gemeinschaftsprojekt mit drei Kilometern Tunneln.
LIGO (USA, Pazifikküste), das seit 2002 auf der Suche nach Gravitationswellen ist.

Letzteres ist eine genauere Betrachtung wert.

LIGO Advanced

Das Projekt entstand auf Initiative von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und des California Institute of Technology. Es umfasst zwei dreitausend Kilometer voneinander entfernte Observatorien in Washington (den Städten Livingston und Hanford) mit drei identischen Interferometern. Die Länge senkrechter Vakuumtunnel beträgt 4.000 Meter. Dies sind die größten derartigen Bauwerke, die derzeit in Betrieb sind. Bis 2011 brachten zahlreiche Versuche, Gravitationswellen nachzuweisen, keine Ergebnisse. Die durchgeführte bedeutende 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 der begehrte Wert von 10 -21. Das aktualisierte Projekt startete im September 2015 und die Bemühungen von mehr als tausend Kollaborationsmitarbeitern wurden mit den erzielten Ergebnissen belohnt.

Gravitationswellen entdeckt

Am 14. September 2015 zeichneten fortschrittliche LIGO-Detektoren im Abstand von 7 ms Gravitationswellen auf, die unseren Planeten vom größten Ereignis am Rande des beobachtbaren Universums erreichten – der Verschmelzung zweier großer Schwarzer Löcher mit der 29- und 36-fachen Masse größer als die Masse der Sonne. Bei dem Prozess, der vor mehr als 1,3 Milliarden Jahren stattfand, wurden durch die Aussendung von Gravitationswellen innerhalb von Sekundenbruchteilen etwa drei Sonnenmassen an Materie vernichtet. Die aufgezeichnete Anfangsfrequenz der Gravitationswellen betrug 35 Hz und der maximale Spitzenwert erreichte 250 Hz.

Die gewonnenen Ergebnisse wurden mehrfach einer umfassenden Verifizierung und Aufbereitung unterzogen und alternative Interpretationen der gewonnenen Daten sorgfältig ausgeschlossen. Letztes Jahr wurde der Weltgemeinschaft schließlich die direkte Registrierung des von Einstein vorhergesagten Phänomens bekannt gegeben.

Eine Tatsache, die die gigantische Arbeit der Forscher verdeutlicht: Die Amplitude der Schwankungen in der Größe der Interferometerarme betrug 10 -19 m – dieser Wert ist um ein Vielfaches kleiner als der Durchmesser eines Atoms, da das Atom selbst kleiner als ein Atom ist orange.

Zukunftsaussichten

Die Entdeckung bestätigt einmal mehr, dass es sich bei der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur um eine Reihe abstrakter Formeln handelt, sondern um einen grundlegend neuen Blick auf das Wesen von Gravitationswellen und der Schwerkraft im Allgemeinen.

Für die weitere Forschung setzen Wissenschaftler große Hoffnungen in das ELSA-Projekt: die Schaffung eines riesigen Orbitalinterferometers mit Armen von etwa 5 Millionen km, das in der Lage ist, selbst geringfügige Störungen in Gravitationsfeldern zu erkennen. Die Aktivierung der Arbeit in dieser Richtung kann viel Neues über die Hauptstadien der Entwicklung des Universums erzählen, über Prozesse, die in traditionellen Bereichen nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Es besteht kein Zweifel daran, dass Schwarze Löcher, deren Gravitationswellen in Zukunft entdeckt werden, viel über ihre Natur verraten werden.

Um die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu untersuchen, die uns etwas über die ersten Momente unserer Welt nach dem Urknall verraten kann, werden empfindlichere Weltrauminstrumente benötigt. Ein solches Projekt existiert ( Urknallbeobachter), aber seine Umsetzung ist Experten zufolge frühestens in 30-40 Jahren möglich.

Die freie Oberfläche einer Flüssigkeit im Gleichgewicht im Gravitationsfeld ist flach. Wenn die Oberfläche einer Flüssigkeit unter dem Einfluss eines äußeren Einflusses an einer Stelle aus ihrer Gleichgewichtslage entfernt wird, kommt es zu einer Bewegung in der Flüssigkeit. Diese Bewegung breitet sich entlang der gesamten Flüssigkeitsoberfläche in Form von Wellen aus, die als Gravitationswellen bezeichnet werden, da sie durch die Wirkung des Gravitationsfeldes verursacht werden. Gravitationswellen treten hauptsächlich an der Oberfläche der Flüssigkeit auf und erfassen deren innere Schichten umso weniger, je tiefer diese Schichten liegen.

Wir betrachten hier Gravitationswellen, bei denen die Geschwindigkeit der sich bewegenden Flüssigkeitsteilchen so gering ist, dass der Term in der Eulerschen Gleichung im Vergleich zu vernachlässigt werden kann. Es ist leicht herauszufinden, was dieser Zustand physikalisch bedeutet. Während einer Zeitspanne in der Größenordnung der Schwingungsdauer flüssiger Teilchen in einer Welle legen diese Teilchen eine Strecke in der Größenordnung der Amplitude a der Welle zurück, daher liegt die Geschwindigkeit ihrer Bewegung in der Größenordnung von Geschwindigkeit v ändert sich merklich über Zeitintervalle in der Größenordnung und über Entfernungen in der Größenordnung entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle (-Längenwellen). Daher liegt die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit in der Größenordnung und nach den Koordinaten in der Größenordnung von. Somit ist die Bedingung äquivalent zur Anforderung

das heißt, die Amplitude der Schwingungen der Welle sollte im Vergleich zur Wellenlänge klein sein. In § 9 haben wir gesehen, dass die Bewegung der Flüssigkeit potentiell ist, wenn der Term in der Bewegungsgleichung vernachlässigt werden kann. Unter der Annahme, dass die Flüssigkeit inkompressibel ist, können wir daher die Gleichungen (10.6) und (10.7) verwenden. In Gleichung (10.7) können wir nun den Term, der das Quadrat der Geschwindigkeit enthält, vernachlässigen; Wenn wir einen Term in das Gravitationsfeld einführen, erhalten wir:

(12,2)

Wir wählen die Achse wie üblich vertikal nach oben und als x-y-Ebene wählen wir die flache Gleichgewichtsoberfläche der Flüssigkeit.

Wir bezeichnen - die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche der Flüssigkeit mit ; ist eine Funktion der Koordinaten x, y und der Zeit t. Im Gleichgewicht kommt es bei der Schwingung zu einer vertikalen Verschiebung der Flüssigkeitsoberfläche.

Auf die Oberfläche der Flüssigkeit soll ein konstanter Druck wirken. Dann gilt nach (12.2) auf der Oberfläche

Die Konstante kann eliminiert werden, indem man das Potential neu definiert (indem man ihm eine von den Koordinaten unabhängige Größe hinzufügt). Dann nimmt der Zustand an der Oberfläche der Flüssigkeit die Form an

Die kleine Schwingungsamplitude der Welle bedeutet, dass die Verschiebung gering ist. Daher können wir in gleicher Näherung annehmen, dass die vertikale Komponente der Bewegungsgeschwindigkeit von Oberflächenpunkten mit der zeitlichen Ableitung der Verschiebung übereinstimmt. Wir haben also:

Aufgrund der Kleinheit der Schwingungen ist es in diesem Zustand möglich, stattdessen die Werte der Ableitungen anzunehmen. Somit erhalten wir schließlich das folgende Gleichungssystem, das die Bewegung in einer Gravitationswelle bestimmt:

Wir betrachten Wellen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit und gehen davon aus, dass diese Oberfläche unbegrenzt ist. Wir gehen außerdem davon aus, dass die Wellenlänge im Vergleich zur Tiefe der Flüssigkeit klein ist; die Flüssigkeit kann dann als unendlich tief betrachtet werden. Daher schreiben wir keine Randbedingungen an den seitlichen Rändern und am Boden der Flüssigkeit.

Betrachten wir eine Gravitationswelle, die sich entlang der Achse ausbreitet und entlang der Achse gleichmäßig ist; in einer solchen Welle hängen alle Größen nicht von der y-Koordinate ab. Wir werden nach einer Lösung suchen, die eine einfache periodische Funktion der Zeit und der Koordinate x ist:

wobei ( die zyklische Frequenz ist (wir werden sie einfach als Frequenz bezeichnen), k der Wellenvektor der Welle ist, die Wellenlänge. Wenn wir diesen Ausdruck in die Gleichung einsetzen, erhalten wir die Gleichung für die Funktion

Seine Lösung zerfällt in die Tiefe der Flüssigkeit (d. h. bei):

Wir müssen auch die Randbedingung (12.5) erfüllen und finden den Zusammenhang zwischen der Frequenz b und dem Wellenvektor (oder, wie man sagt, dem Wellendispersionsgesetz):

Die Geschwindigkeitsverteilung in einer Flüssigkeit erhält man durch Differenzierung des Potentials entlang der Koordinaten:

Wir sehen, dass die Geschwindigkeit mit der Tiefe der Flüssigkeit exponentiell abnimmt. An jedem gegebenen Punkt im Raum (d. h. für gegebenes x, z) dreht sich der Geschwindigkeitsvektor gleichmäßig in der x-Ebene und bleibt in seiner Größe konstant.

Bestimmen wir auch die Flugbahn der Flüssigkeitspartikel in der Welle. Bezeichnen wir vorübergehend mit x, z die Koordinaten eines sich bewegenden Flüssigkeitsteilchens (und nicht die Koordinaten eines festen Punktes im Raum) und mit - die Werte von x für die Gleichgewichtsposition des Teilchens. Dann und auf der rechten Seite von (12.8) kann näherungsweise anstelle von geschrieben werden, wobei die Kleinheit der Schwingungen ausgenutzt wird. Die Integration über die Zeit ergibt dann:

Flüssigkeitspartikel beschreiben also Kreise um Punkte, deren Radius zur Flüssigkeitstiefe hin exponentiell abnimmt.

Die Geschwindigkeit U der Wellenausbreitung ist gleich, wie in § 67 gezeigt wird. Wenn wir hier einsetzen, finden wir, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen auf einer unbegrenzten Oberfläche einer unendlich tiefen Flüssigkeit gleich ist

Sie nimmt mit zunehmender Wellenlänge zu.

Lange Gravitationswellen

Nachdem wir Gravitationswellen betrachtet haben, deren Länge im Vergleich zur Tiefe der Flüssigkeit klein ist, beschäftigen wir uns nun mit dem entgegengesetzten Grenzfall von Wellen, deren Länge im Vergleich zur Tiefe der Flüssigkeit groß ist.

Solche Wellen nennt man lang.

Betrachten wir zunächst die Ausbreitung langer Wellen im Kanal. Wir gehen davon aus, dass die Länge des Kanals (entlang der x-Achse) unbegrenzt ist. Der Querschnitt des Kanals kann eine beliebige Form haben und entlang seiner Länge variieren. Die Querschnittsfläche der Flüssigkeit im Kanal wird mit angegeben. Die Tiefe und Breite des Kanals werden im Vergleich zur Wellenlänge als klein angenommen.

Wir betrachten hier longitudinale lange Wellen, in denen sich die Flüssigkeit entlang des Kanals bewegt. Bei solchen Wellen ist die Geschwindigkeitskomponente entlang der Kanallänge im Vergleich zu den Komponenten groß

Indem wir einfach v bezeichnen und kleine Terme weglassen, können wir die -Komponente der Eulerschen Gleichung als schreiben

a-Komponente - in der Form

(Begriffe mit quadratischer Geschwindigkeit lassen wir weg, da die Amplitude der Welle immer noch als klein angesehen wird). Aus der zweiten Gleichung, die wir haben, stellen wir fest, dass auf der freien Oberfläche ) sein sollte

Wenn wir diesen Ausdruck in die erste Gleichung einsetzen, erhalten wir:

Die zweite Gleichung zur Bestimmung zweier Unbekannter kann mit einer Methode abgeleitet werden, die der Ableitung der Kontinuitätsgleichung ähnelt. Diese Gleichung ist im Wesentlichen eine Kontinuitätsgleichung, die auf den betrachteten Fall angewendet wird. Betrachten wir das Flüssigkeitsvolumen, das zwischen zwei voneinander entfernten Querschnittsebenen des Kanals eingeschlossen ist. In einer Zeiteinheit tritt ein Flüssigkeitsvolumen von gleich durch eine Ebene ein und ein Volumen wird durch die andere Ebene austreten. Daher ändert sich das Flüssigkeitsvolumen zwischen beiden Ebenen um