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 registrierten Gravitationswellen werden von massiven, sich schnell bewegenden Objekten erzeugt, die während ihrer Bewegung das Raumgefüge dehnen. Seit LIGO 2015 seinen Betrieb aufnahm, hat das Observatorium rund 90 Gravitationswellenereignisse aufgezeichnet. Die meisten davon stammen von der Spiralbewegung von Paaren Schwarzer Löcher, die zu einem einzigen verschmelzen.

Observatorium erkennt Kollisionen Schwarzer Löcher

LIGO besteht aus zwei Detektoren, sogenannten Interferometern, die sich in Washington und Louisiana befinden. Das Interferometer teilt einen Laserstrahl in zwei Teile und reflektiert ihn zwischen zwei Spiegeln an den Enden zweier langer Vakuumröhren hin und her. Jede Röhre ist vier Kilometer lang und senkrecht in L-Form angeordnet. Am Schnittpunkt der beiden Röhren befindet sich ein Sensor.

Ohne Störungen im Weltraum würden sich die Schwingungen der Strahlen gegenseitig aufheben. Wird der Raum jedoch durch Gravitationswellen gedehnt, muss sich der Abstand zwischen den Laserstrahlen in den beiden Rohren verändern, sodass sie sich nicht perfekt überlappen. Der Sensor erkennt diese „Phasenverschiebung“.

Die Dehnung der Rohre durch Gravitationswellen beträgt typischerweise nur einen Bruchteil der Breite eines Protons. Damit der Sensor solche kleinen Veränderungen erfassen kann, muss das System vom Rauschen der Umgebung und der Laser 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 des Laserlichts selbst reduzieren. Licht besteht aus einzelnen Teilchen. Wenn die Laserstrahlen den Sensor erreichen, können daher einzelne Photonen vor oder nach dem Sensor eintreffen. Dadurch überlappen sich die Laserwellen nicht und heben sich selbst in Abwesenheit von Gravitationswellen vollständig auf.

Um diesen Effekt zu reduzieren, 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

Aufgrund der seltsamen Regeln der Quantenmechanik führt die Verringerung der Unsicherheit in der Ankunftszeit der Photonen jedoch zu stärkeren zufälligen Schwankungen in der Intensität der Laserwellen. Dies führt dazu, dass die Laser gegen die Spiegel im Interferometer drücken und diese zum Wackeln bringen. Dies erzeugt ein weiteres Rauschen, 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: NASA Goddard Space Flight Center)

Die Modernisierung von 2020 soll dieses Problem lösen. Wissenschaftler haben zusätzliche 300 Meter lange Vakuumröhren mit Spiegeln an beiden Enden gebaut, um den Hilfsstrahl 2,5 Millisekunden lang zu speichern, bevor er in das Interferometer eingespeist wird. Die Aufgabe dieser Röhren besteht darin, die Wellenlänge des Hilfslasers anzupassen, das Rauschen bei hohen Frequenzen zu reduzieren und die Spiegelvibration bei niedrigen Frequenzen zu verringern.

Mit dieser Verbesserung können Forscher detailliertere Informationen darüber gewinnen, wie Schwarze Löcher Gravitationswellen erzeugen, einschließlich der Rotation jedes Schwarzen Lochs um seine Achse und der gegenseitigen Rotation. Dies bedeutet, dass Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – die sowohl die Existenz Schwarzer Löcher als auch Gravitationswellen vorhersagt – strenger als je zuvor getestet werden kann.

Astrophysiker sagen außerdem voraus, dass Gravitationswellen neben den Signalen von Kollisionen und Verschmelzungen Schwarzer Löcher auch andere Signale enthüllen werden, etwa die Gravitationssignatur eines kollabierenden Sterns vor seiner Supernova-Explosion. 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