Dank Gravitationswellen gibt es Schall im Weltraum

Es wird seit langem behauptet, dass es im Weltraum keinen Schall gibt, und das stimmt auch bis zu einem gewissen Grad. Herkömmlicher Schall benötigt ein Medium, um sich fortzubewegen, und entsteht, wenn Teilchen sich komprimieren und rasen und dabei alles von einem lauten „Knall“ für einen einzelnen Impuls bis zu einem gleichmäßigen Ton für sich wiederholende Muster erzeugen. Im Weltraum, wo es so wenige Teilchen gibt, dass solche Signale verpuffen, verstummen sogar Sonneneruptionen, Supernovae, Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und andere kosmische Katastrophen, bevor sie überhaupt zu hören sind. Aber es gibt noch eine andere Art von Kompression und Verwerfung, die nichts anderes als die Struktur des Weltraums selbst benötigt, um sich fortzubewegen: Gravitationswellen. Dank der ersten positiven Entdeckungsergebnisse von LIGO können wir das Universum zum ersten Mal hören.

Gravitationswellen waren etwas, das nach der Allgemeinen Relativitätstheorie existieren musste, damit unsere Gravitationstheorie stimmig ist. Im Gegensatz zur Newtonschen Gravitation, bei der zwei einander umkreisende Massen für immer in dieser Konfiguration verbleiben, sagte Einsteins Theorie voraus, dass Gravitationsbahnen über einen ausreichend langen Zeitraum hinweg zerfallen. Bei einem System wie der Erde, die die Sonne umkreist, würde man das nie erleben: Es würde 10^150 Jahre dauern, bis die Erde in die Sonne hineinspiralt. Aber bei extremeren Systemen wie zwei Neutronensternen, die sich gegenseitig umkreisen, könnten wir tatsächlich sehen, wie die Bahnen mit der Zeit zerfallen. Um die Energie zu erhalten, sagte Einsteins Gravitationstheorie voraus, dass die Energie in Form von Gravitationswellen abgeführt werden muss.

Diese Wellen sind wahnsinnig schwach, und ihre Auswirkungen auf die Objekte in der Raumzeit sind verblüffend winzig. Aber wenn man weiß, wie man sie hören kann – so wie die Komponenten eines Radios wissen, wie man diese langfrequenten Lichtwellen hören kann – kann man diese Signale aufspüren und sie genauso hören, wie man jeden anderen Ton hören würde. Mit einer Amplitude und einer Frequenz unterscheiden sie sich nicht von jeder anderen Welle. Die Allgemeine Relativitätstheorie macht eindeutige Vorhersagen darüber, wie diese Wellen klingen sollten, wobei die größten wellenerzeugenden Signale am einfachsten zu erkennen sind. Die größte Amplitude klingt alles? Es ist das inspirale und verschmelzende „Zirpen“ von zwei Schwarzen Löchern, die sich ineinander verschlingen.

Im September 2015, nur wenige Tage nachdem das fortschrittliche LIGO zum ersten Mal Daten gesammelt hatte, wurde ein großes, ungewöhnliches Signal entdeckt. Es überraschte alle, da es in einem kurzen Ausbruch von nur 200 Millisekunden so viel Energie übertragen hätte, dass es alle Sterne im beobachtbaren Universum zusammen in den Schatten gestellt hätte. Doch das Signal erwies sich als robust, und die Energie dieses Ausbruchs stammte von zwei Schwarzen Löchern – mit 36 und 29 Sonnenmassen -, die zu einem einzigen mit 62 Sonnenmassen verschmolzen. Die fehlenden drei Sonnenmassen? Sie wurden in reine Energie umgewandelt: Gravitationswellen, die sich durch die Struktur des Weltraums schlängeln. Das war das erste Ereignis, das LIGO jemals entdeckt hat.

Nun ist es über ein Jahr später, und LIGO befindet sich gerade in seinem zweiten Durchlauf. Es wurden nicht nur weitere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern mit Schwarzen Löchern entdeckt, sondern die Zukunft der Gravitationswellenastronomie ist vielversprechend, da neue Detektoren unsere Ohren für neue Arten von Geräuschen öffnen werden. Weltrauminterferometer wie LISA werden längere Basislinien haben und Töne mit niedrigeren Frequenzen hören: Töne wie die Verschmelzung von Neutronensternen, die Verschmelzung von supermassereichen schwarzen Löchern und die Verschmelzung mit sehr ungleichen Massen. Pulsar-Timing-Arrays können sogar noch niedrigere Frequenzen messen, wie z. B. Bahnen, die Jahre brauchen, um sich zu vollenden, wie das Paar supermassiver schwarzer Löcher: OJ 287. Und Kombinationen neuer Techniken werden nach den ältesten Gravitationswellen überhaupt suchen, den Reliktwellen, die durch die kosmische Inflation vorhergesagt werden, ganz am Anfang unseres Universums.

Es gibt so viel zu hören, und wir haben gerade erst begonnen, zum ersten Mal zuzuhören. Zum Glück wird die Astrophysikerin Janna Levin – Autorin des fantastischen Buches Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – heute Abend, am 3. Mai, um 19.00 Uhr Ostküste / 16.00 Uhr Pazifik, einen öffentlichen Vortrag im Perimeter Institute halten, der hier live gestreamt und von mir in Echtzeit gebloggt wird! Seien Sie dabei, um noch mehr über dieses unglaubliche Thema zu erfahren, und ich kann es kaum erwarten, ihren Vortrag zu hören.

Der Live-Blog beginnt einige Minuten vor 16:00 Uhr Pazifik; seien Sie dabei und folgen Sie uns!

4:19 PM: Es gibt eine weitere große Offenbarung für die Schwerkraft: Die Art und Weise, wie wir verstehen, wie die Dinge funktionieren, kommt von der Beobachtung, wie die Dinge fallen. Der Mond „fällt“ um die Erde; Newton hat das erkannt. Aber die Erde fällt um die Sonne; die Sonne „fällt“ um die Galaxie; und die Atome „fallen“ hier auf der Erde. Aber für sie alle gilt die gleiche Regel, solange sie sich im freien Fall befinden. Erstaunlich!

4:21 PM: Hier ist eine lustige Offenbarung: Hören Sie auf, sich ein Schwarzes Loch als kollabierte, zerquetschte Materie vorzustellen, auch wenn es vielleicht so entstanden ist. Betrachten Sie es stattdessen einfach als eine Region leeren Raums mit starken Gravitationseigenschaften. Wenn man dieser Region des Raums lediglich eine „Masse“ zuordnen würde, wäre dies die perfekte Definition eines Schwarzschild-Schwarzlochs (nicht geladen, nicht rotierend).

4:23 PM: Wenn man in ein schwarzes Loch von der Masse der Sonne fallen würde, hätte man vom Überschreiten des Ereignishorizonts (laut Janna) etwa eine Mikrosekunde Zeit, bis man an der Singularität zu Tode gequetscht wird. Dies stimmt mit meinen Berechnungen überein, wonach für das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße etwa 10 Sekunden zur Verfügung stehen würden. Da das Schwarze Loch in der Milchstraße 4.000.000 Mal so massiv ist wie unsere Sonne, geht die Rechnung auf!

4:26 PM: Wie würden Sie eine Gravitationswelle nachweisen? Ehrlich gesagt, wäre es so, als wäre man auf der Oberfläche des Ozeans; man würde auf der Oberfläche des Weltraums auf und ab wippen, und es gab einen großen Streit in der Gemeinschaft darüber, ob diese Wellen real sind oder nicht. Erst Joe Weber beschloss, zu versuchen, diese Gravitationswellen zu messen, indem er ein phänomenales Gerät benutzte – einen Aluminiumstab -, der vibrierte, wenn eine Welle den Stab ganz leicht „zupfte“.

Weber sah viele solcher Signale, die er mit Gravitationswellen identifizierte, aber diese wurden leider nie reproduziert oder überprüft. Er war, bei aller Klugheit, kein sehr sorgfältiger Experimentator.

4:29 PM: Es gibt eine gute Frage von Jon Groubert auf Twitter: „Ich habe eine Frage zu etwas, das sie gesagt hat – es gibt doch etwas im Inneren eines Schwarzen Lochs, oder nicht? Wie ein schwerer Neutronenstern.“ Es sollte eine Singularität geben, die entweder punktförmig ist (bei einer nicht rotierenden Singularität) oder ein eindimensionaler Ring (bei einer rotierenden), aber keine kondensierte, kollabierte, dreidimensionale Materie.

Warum nicht?

Denn um als Struktur zu bestehen, muss sich eine Kraft ausbreiten und zwischen Teilchen übertragen werden. Teilchen können Kräfte aber nur mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Aber nichts, nicht einmal Licht, kann sich „nach außen“ zum Ausgang eines Schwarzen Lochs bewegen; alles bewegt sich in Richtung der Singularität. Und so kann sich nichts mehr halten, und alles kollabiert in die Singularität. Traurig, aber die Physik macht dies unvermeidlich.

4:32 PM: Nach Webers Misserfolgen (und seinem Sturz vom Ruhm) kam die Idee zu LIGO in den 1970er Jahren von Rai Weiss. Es dauerte mehr als 40 Jahre, bis LIGO Wirklichkeit wurde (und über 1.000 Menschen, die daran arbeiteten), aber das Fantastischste war, dass es experimentell möglich war. Mit zwei sehr langen Hebelarmen konnte man die Wirkung einer vorbeiziehenden Gravitationswelle beobachten.

4:34 PM: Dies ist mein Lieblingsvideo, das zeigt, was eine Gravitationswelle bewirkt. Sie bewegt den Raum selbst (und alles darin) um einen winzigen Betrag hin und her. Mit einem Laserinterferometer (wie LIGO) kann man diese Schwingungen aufspüren. Aber wenn man nahe genug dran wäre und die Ohren empfindlich genug wären, könnte man diese Bewegung im Trommelfell spüren!

4:35 PM: Ich habe wirklich gute Kopfhörer, Perimeter, aber leider kann ich die verschiedenen Signale der Gravitationswellenmodelle, die Janna abspielt, nicht hören!

4:38 PM: Es ist schon komisch, wenn man bedenkt, dass sich in den LIGO-Detektoren das modernste Vakuum der Welt befindet. Und doch sind Vögel, Ratten, Mäuse usw. darunter, und sie nagen sich fast in die Vakuumkammer, durch die das Licht wandert. Wäre das Vakuum jedoch unterbrochen worden (es ist seit 1998 konstant), wäre das Experiment beendet gewesen. In Louisiana schossen Jäger auf die LIGO-Tunnel. Es ist erschreckend, wie empfindlich und teuer diese Geräte sind, aber auch wie zerbrechlich alles ist.

4:41 PM: Janna macht einen wirklich tollen Job, diese Geschichte auf eine spannende, aber sehr menschliche Art und Weise zu erzählen. Wir haben im obigen Film nur die letzten paar Umläufe von zwei kreisenden Schwarzen Löchern gesehen, drastisch verlangsamt. Sie waren nur ein paar hundert Kilometer voneinander entfernt, diese letzten vier Umläufe dauerten 200 Millisekunden, und das ist die Gesamtheit des Signals, das LIGO gesehen hat.

4:43 PM: Wenn Sie Probleme haben, die Ereignisse im Vortrag zu hören, können Sie sich dieses Video (oben) anhören, sowohl in natürlicher als auch in erhöhter Tonlage. Die kleineren Schwarzen Löcher (etwa 8 und 13 Sonnenmassen) vom 26. Dezember 2015 sind sowohl leiser als auch höher als die größeren (29 und 36 Sonnenmassen) vom 14. September desselben Jahres.

4:46 PM: Nur eine kleine Korrektur: Janna sagt, dass dies das stärkste Ereignis war, das seit dem Urknall entdeckt wurde. Und das stimmt nur technisch, wegen der Grenzen unserer Entdeckung.

Bei der Verschmelzung von schwarzen Löchern werden etwa 10% der Masse des am wenigsten massereichen schwarzen Lochs in einem Verschmelzungspaar über Einsteins E = mc2 in reine Energie umgewandelt. 29 Sonnenmassen sind eine Menge, aber es wird Schwarze Löcher mit Hunderten von Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen geben, die miteinander verschmolzen sind. Und wir haben den Beweis.

4:49 PM: Dies ist OJ 287, wo ein schwarzes Loch von 150 Millionen Sonnenmassen ein schwarzes Loch von ~18 Milliarden Sonnenmassen umkreist. Ein kompletter Umlauf dauert 11 Jahre, und die Allgemeine Relativitätstheorie sagt hier eine Präzession von 270 Grad pro Umlauf voraus, verglichen mit 43 Bogensekunden pro Jahrhundert für Merkur.

4:51 PM: Janna hat einen unglaublichen Job gemacht, hier pünktlich zu enden; ich habe noch nie gesehen, dass ein einstündiger Vortrag bei einer öffentlichen Perimeter-Vorlesung tatsächlich nach 50 Minuten endet. Wow!

4:52 PM: Was würde passieren, wenn die Erde in ein schwarzes Loch gesaugt würde? (Q&Eine Frage von Max.) Obwohl Janna eine großartige Antwort gibt, möchte ich darauf hinweisen, dass die Erde aus der Sicht der Gravitationswellen zerfetzt würde und wir ein „verschmiertes“ Wellensignal erhalten würden, also ein viel lauteres, statisches Signal. Sobald die Erde verschluckt wurde, würde sich der Ereignishorizont nur ein winziges bisschen ausdehnen, da ein zusätzliches Drei-Millionstel einer Sonnenmasse den Radius des Schwarzen Lochs um genau diese winzige Menge vergrößert.

4:55 PM: Was für ein unterhaltsamer Vortrag, eine großartige und bissige Q&A-Session und insgesamt eine tolle Erfahrung. Genießen Sie ihn immer wieder, denn das Video des Vortrags ist jetzt als Permalink eingebettet. Und danke fürs Einschalten!