Das war die erste Entdeckung von Gravitationswellen. Sie bestätigte eine zentrale Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Nun hat eine neue Entdeckung von Gravitationswellen eine Theorie von Stephen Hawking – einem weiteren Giganten der Astronomie – bestätigt.
Was sind Gravitationswellen?
Gravitationswellen sind „Kräuselungen“ in der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie entstehen durch massereiche Objekte, die extrem schnell beschleunigt werden, wie beispielsweise kollidierende Schwarze Löcher oder die Verschmelzung massereicher Sternenreste, sogenannter Neutronensterne.
Diese sich durch das Universum ausbreitenden Wellen wurden erstmals am 14. September 2015 direkt von zwei Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA beobachtet.
Das erste Signal, GW150914 genannt, stammte von der Kollision zweier Schwarzer Löcher, die jeweils mehr als 30-mal so massereich wie die Sonne und mehr als eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt waren.
Dies war der erste direkte Beweis für Gravitationswellen, wie sie Einsteins Relativitätstheorie 100 Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Für diese Entdeckung wurden die drei Wissenschaftler Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne mit dem Nobelpreis für Physik 2017 ausgezeichnet.
Die Simulation zeigt Gravitationswellen, die von zwei umeinander kreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden ( Video : MPI).
Hunderte von Signalen in weniger als einem Jahrzehnt
Seit 2015 wurden mit LIGO sowie den Detektoren Virgo (Italien) und KAGRA (Japan) mehr als 300 Gravitationswellen beobachtet.
Erst vor wenigen Wochen gab die internationale LIGO/Virgo/KAGRA-Kollaboration die neuesten Ergebnisse ihrer vierten Beobachtung bekannt und verdoppelte damit die Anzahl der bekannten Gravitationswellen.
Zehn Jahre nach der ersten Entdeckung hat eine internationale Zusammenarbeit, an der auch australische Wissenschaftler des Australian Research Council's Centre for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) beteiligt sind, kürzlich ein neues Gravitationswellensignal, GW250114, bekannt gegeben.
Dieses Signal ist eine nahezu perfekte Kopie des ersten Gravitationswellensignals mit der Codierung GW150914.
Die Kollision Schwarzer Löcher, die GW250114 erzeugte, weist sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie GW150914 auf. Dank bedeutender Verbesserungen bei Gravitationswellendetektoren im letzten Jahrzehnt konnte das neue Signal jedoch viel deutlicher beobachtet werden (fast viermal stärker als GW150914).
Das Interessante daran ist, dass es uns ermöglicht, die Ideen eines weiteren bahnbrechenden Physikers zu überprüfen. Nämlich Stephen Hawking.
Hawking hatte auch Recht.
Vor mehr als 50 Jahren formulierten die Physiker Stephen Hawking und Jacob Bekenstein eine Reihe von Gesetzen zur Beschreibung Schwarzer Löcher.
Das zweite Hawking-Gesetz der Mechanik Schwarzer Löcher, auch bekannt als Hawking-Flächensatz, besagt, dass die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs stets zunimmt. Anders ausgedrückt: Schwarze Löcher können nicht kollabieren.
Bekenstein zeigte unterdessen, dass die Fläche eines Schwarzen Lochs direkt mit seiner Entropie (oder Unordnung) zusammenhängt. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie stets zunimmt: Das Universum wird immer ungeordneter. Da die Entropie eines Schwarzen Lochs mit der Zeit ebenfalls zunimmt, folgt daraus, dass auch seine Fläche zunimmt.
Wie können wir diese Ideen testen? Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern erweisen sich als ideales Werkzeug. Die Präzision der neuen Messung ermöglicht es Wissenschaftlern, den bisher genauesten Test des Hawkingschen Flächensatzes durchzuführen.
Frühere Experimente mit dem ersten Nachweis, GW15091, ließen vermuten, dass das Signal mit dem Hawking-Gesetz übereinstimmte, konnten dies aber nicht mit Sicherheit bestätigen.
Schwarze Löcher sind erstaunlich einfache Objekte. Die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs hängt von seiner Masse und Rotation ab – den einzigen Parametern, die zur Beschreibung eines astronomischen Schwarzen Lochs benötigt werden. Masse und Rotation bestimmen wiederum die Form der Gravitationswellen.
Durch die separate Messung der Massen und Spins der beiden aufeinander zulaufenden Schwarzen Löcher und den Vergleich dieser Werte mit der Masse und dem Spin des nach der Kollision verbleibenden Schwarzen Lochs konnten die Wissenschaftler die Fläche der beiden einzelnen kollidierenden Schwarzen Löcher mit der Fläche des resultierenden Schwarzen Lochs vergleichen.
Die Daten zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage, dass die Fläche zunehmen sollte, und stützen damit das Hawking-Gesetz nachdrücklich.
Zukünftige Beobachtungen von Gravitationswellen werden es uns ermöglichen, exotischere wissenschaftliche Theorien zu testen und vielleicht sogar die Natur der fehlenden Bestandteile des Universums, der dunklen Materie und der dunklen Energie, zu erforschen.
Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-hien-mo-ra-ky-nguyen-moi-trong-thien-van-hoc-20250930235223429.htm
Kommentar (0)