Observatorium entdeckt „kollabierende“ Schwarze Löcher

Durch die Modernisierung kann das Observatorium nun alle zwei bis drei Tage Signale von Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern erfassen, im Vergleich zu einmal pro Woche oder länger wie zuvor.

Die von LIGO erkannten Gravitationswellen werden von massiven, sich schnell bewegenden Objekten erzeugt. Diese Wellen dehnen das Gefüge des Weltraums, während sie sich fortbewegen. Seit LIGO 2015 seinen Betrieb aufnahm, hat das Observatorium etwa 90 Gravitationswellenereignisse aufgezeichnet, von denen die meisten durch die Spiralbewegung von Paaren schwarzer Löcher entstanden, die gerade dabei waren, zu einem einzigen zu verschmelzen.

Observatorium registriert Kollisionen Schwarzer Löcher

LIGO besteht aus zwei Detektoren oder Interferometern in Washington und Louisiana. Ein Interferometer teilt einen Laserstrahl in zwei Teile und reflektiert sie zwischen zwei Spiegeln an den Enden zweier langer Vakuumröhren hin und her. Jedes Rohr ist 4 km lang und senkrecht in L-Form angeordnet. Am Schnittpunkt der beiden Rohre befindet sich ein Sensor.

Ohne Störungen im Raum heben sich die Schwingungen der Strahlen gegenseitig auf. Wenn der Raum jedoch durch Gravitationswellen gedehnt wird, muss sich der Abstand zwischen den Laserstrahlen in den beiden Rohren verändern, sodass sie sich nicht perfekt überlappen, und der Sensor erkennt diese „Phasenverschiebung“.

Die Dehnung, die Gravitationswellenereignisse auf Rohre ausüben, beträgt normalerweise nur einen Bruchteil der Breite eines Protons. Damit der Sensor solche kleinen Änderungen aufzeichnen kann, muss das System vom Rauschen aus der Umgebung und von den Lasern selbst isoliert werden.

Das LIGO-Observatorium besteht aus zwei identischen Interferometern in Washington und Louisiana (USA). Jedes Interferometer besteht aus zwei 4 km langen, L-förmig angeordneten Rohren. (Foto: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab)

Während einer Modernisierung vor dem Start des Observatoriums im Jahr 2019-2020 reduzierten Wissenschaftler das Rauschen mithilfe einer Technik namens „Light Squeezing“.

Diese Technik soll das Rauschen reduzieren, das vom Laserlicht selbst ausgeht. Licht besteht aus einzelnen Teilchen. Wenn die Laserstrahlen den Sensor erreichen, können daher einzelne Photonen vor oder nach ihnen eintreffen. Dadurch kommt es auch ohne Gravitationswellen nicht zu einer Überlappung der Laserwellen und sie heben sich vollständig auf.

Um diesen Effekt zu verringern, führt die „Lichtquetsch“-Technik einen zusätzlichen Laserstrahl mit gleichmäßigeren und weniger verrauschten Photonen in das Interferometer ein, erklärt Lee McCuller, ein Physiker am California Institute of Technology.

Es gibt keine perfekte Messung

Doch aufgrund der seltsamen Regeln der Quantenmechanik führt eine Verringerung der Unsicherheit in der Ankunftszeit der Photonen zu einer Zunahme der zufälligen Schwankungen in der Intensität der Laserwelle. Dies führt dazu, dass die Laser gegen die Spiegel im Interferometer drücken und diese wackeln, was wiederum ein Rauschen verursacht, das ihre Empfindlichkeit gegenüber niederfrequenten Gravitationswellen verringert.

„Dies ist ein wunderschönes Naturphänomen, das zeigt, dass wir keine absolut präzise Messung durchführen können, wenn die Feinabstimmung an einem Punkt auf Kosten eines anderen Punkts geht“, sagte Nergis Mavalvala, ein Experimentalphysiker am MIT.

Simulation zweier kollidierender Schwarzer Löcher, die zu einem verschmelzen. (Foto: Goddard Space Flight Center der NASA)

Das Upgrade von 2020 auf heute soll dieses Problem beheben. Die Wissenschaftler bauten zusätzliche 300 Meter lange Vakuumröhren mit Spiegeln an beiden Enden, um den Sekundärstrahl 2,5 Millisekunden lang zu speichern, bevor er in das Interferometer eingespeist wurde. Die Aufgabe dieser Röhren besteht darin, die Wellenlänge des Hilfslasers anzupassen, das Rauschen bei hohen Frequenzen zu reduzieren und gleichzeitig die Spiegelvibration bei niedrigen Frequenzen zu verringern.

Mit dieser Verbesserung können Forscher detailliertere Informationen darüber gewinnen, wie Schwarze Löcher Gravitationswellen erzeugen, einschließlich der Frage, wie sich jedes Schwarze Loch um seine Achse dreht und wie sie sich umeinander drehen. Dies bedeutet, dass Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie – die sowohl die Existenz von Schwarzen Löchern als auch von Gravitationswellen vorhersagt – strengeren Tests unterzogen wird als je zuvor.

Astrophysiker sagen außerdem voraus, dass Gravitationswellen neben den Signalen von Kollisionen und Verschmelzungen Schwarzer Löcher auch andere Signalarten offenbaren werden, etwa die Gravitationssignatur eines kollabierenden Sterns, bevor dieser zur Supernova wird. Die Wissenschaftler hoffen außerdem, Gravitationswellen von der Oberfläche eines Pulsars zu registrieren, eines rotierenden Neutronensterns, der Strahlungsimpulse aussendet.

(Quelle: Zing News)

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Quelle: https://vtc.vn/dai-quan-sat-phat-hien-cac-lo-den-dam-nhau-ar785809.html