Enträtselt die Geheimnisse des Universums mit verbesserter Gravitationswellenerkennung weiter

Wenn zwei massereiche Objekte – wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne – verschmelzen, verzerren sie Raum und Zeit.

Wissenschaftler haben das modernisierte Laser-Interferometrische-Gravitationswellen-Observatorium reaktiviert (

After a three-year hiatus, scientists in the U.S. have just turned on detectors capable of measuring gravitational waves — tiny ripples in space itself that travel through the universe.

Unlike light waves, gravitational waves are nearly unimpeded by the galaxies, stars, gas, and dust that fill the universe. This means that by measuring gravitational waves, astrophysicists like me can peek directly into the heart of some of these most spectacular phenomena in the universe.

Since 2020, the Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory – commonly known as LIGO – has been sitting dormant while it underwent some exciting upgrades. These improvements will significantly boost the sensitivity of LIGO and should allow the facility to observe more-distant objects that produce smaller ripples in spacetime.

By detecting more events that create gravitational waves, there will be more opportunities for astronomers to also observe the light produced by those same events. Seeing an event through multiple channels of information, an approach called multi-messenger astronomy, provides astronomers rare and coveted opportunities to learn about physics far beyond the realm of any laboratory testing.

According to Einstein’s theory of general relativity, massive objects warp space around them.

Ripples in spacetime

According to Einstein’s theory of general relativity, mass and energy warp the shape of space and time. The bending of spacetime determines how objects move in relation to one another – what people experience as gravity.

Gravitational waves are created when massive objects like black holes or neutron stars merge with one another, producing sudden, large changes in space. The process of space warping and flexing sends ripples across the universe like a wave across a still pond. These waves travel out in all directions from a disturbance, minutely bending space as they do so and ever so slightly changing the distance between objects in their way.

Wenn zwei massive Objekte – wie ein schwarzes Loch oder ein Neutronenstern – kommen sie dicht beieinander, drehen sie sich schnell umeinander und erzeugen Gravitationswellen. Der Klang darin NASA Die Visualisierung stellt die Frequenz der Gravitationswellen dar.

Auch wenn an den astronomischen Ereignissen, die Gravitationswellen erzeugen, einige der massereichsten Objekte im Universum beteiligt sind, ist die Ausdehnung und Kontraktion des Raums verschwindend gering. Eine starke Gravitationswelle durchdringt das Milchstraße darf den Durchmesser der gesamten Galaxie nur um drei Fuß (einen Meter) verändern.

Die ersten Gravitationswellenbeobachtungen

Obwohl Einstein erstmals 1916 vorhersagte, hatten Wissenschaftler dieser Zeit wenig Hoffnung, die winzigen Abstandsänderungen zu messen, die in der Theorie der Gravitationswellen postuliert wurden.

Um das Jahr 2000 stellten Wissenschaftler des Caltech, des Massachusetts Institute of Technology und anderer Universitäten auf der ganzen Welt die Konstruktion des im Wesentlichen präzisesten Lineals, das jemals gebaut wurde, fertig – das LIGO-Observatorium.

Der LIGO-Detektor in Hanford, Washington, misst mithilfe von Lasern die winzige Ausdehnung des Weltraums, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird. Bildnachweis: LIGO-Labor

LIGO besteht aus zwei separaten Observatorienmit einem Standort in Hanford, Washington, und dem anderen in Livingston, Louisiana. Jedes Observatorium hat die Form eines riesigen L mit zwei 2,5 Meilen langen (vier Kilometer langen) Armen, die im 90-Grad-Winkel zueinander von der Mitte der Anlage ausgehen.

Um Gravitationswellen zu messen, richten Forscher einen Laser von der Mitte der Anlage auf die Basis des L. Dort wird der Laser geteilt, sodass ein Strahl an jedem Arm entlang läuft, von einem Spiegel reflektiert wird und zur Basis zurückkehrt. Wenn eine Gravitationswelle durch die Arme geht, während der Laser scheint, kehren die beiden Strahlen zu geringfügig unterschiedlichen Zeiten in die Mitte zurück. Durch die Messung dieses Unterschieds können Physiker erkennen, dass eine Gravitationswelle durch die Anlage geflossen ist.

LIGO nahm den Betrieb auf in den frühen 2000er Jahren, aber es war nicht empfindlich genug, um Gravitationswellen zu erkennen. Deshalb hat das LIGO-Team die Anlage im Jahr 2010 vorübergehend geschlossen, um die Leistung zu erbringen Upgrades zur Erhöhung der Empfindlichkeit. Die aktualisierte Version von LIGO wurde gestartet Datenerhebung im Jahr 2015 und fast sofort Gravitationswellen entdeckt entsteht durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.

Seit 2015 ist LIGO abgeschlossen drei Beobachtungsläufe. Der erste Lauf O1 dauerte etwa vier Monate; der zweite, O2, etwa neun Monate; und der dritte, O3, lief 11 Monate vor dem COVID 19 Die Pandemie zwang die Einrichtungen zur Schließung. Beginnend mit dem Lauf O2 hat LIGO gemeinsam mit einem beobachtet Italienisches Observatorium namens Virgo.

Zwischen jedem Lauf verbesserten die Wissenschaftler die physikalischen Komponenten der Detektoren und Datenanalysemethoden. Bis zum Ende des O3-Laufs im März 2020 hatten Forscher der LIGO- und Virgo-Kollaboration es entdeckt etwa 90 Gravitationswellen durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen.

Die Observatorien haben noch noch nicht ihre maximale Designempfindlichkeit erreicht. Daher wurden im Jahr 2020 beide Observatorien wegen Modernisierungsarbeiten geschlossen wieder mal.

Verbesserungen der mechanischen Ausrüstung und der Datenverarbeitungsalgorithmen sollten es LIGO ermöglichen, schwächere Gravitationswellen als in der Vergangenheit zu erkennen. Bildnachweis: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel

Einige Upgrades durchführen

Wissenschaftler haben daran gearbeitet viele technologische Verbesserungen.

Eine besonders vielversprechende Modernisierung war die Hinzufügung eines 1.000 Fuß (300 Meter) langen optischer Hohlraum a. verbessern Technik namens Quetschen. Durch Quetschen können Wissenschaftler das Detektorrauschen mithilfe der Quanteneigenschaften von Licht reduzieren. Mit diesem Upgrade sollte das LIGO-Team in der Lage sein, deutlich schwächere Gravitationswellen als zuvor zu erkennen.

Meine Teamkollegen und ich sind Datenwissenschaftler in der LIGO-Kollaboration und haben an einer Reihe verschiedener Upgrades gearbeitet Software zur Verarbeitung von LIGO-Daten und die Algorithmen, die erkennen Anzeichen von Gravitationswellen in diesen Daten. Diese Algorithmen funktionieren, indem sie nach passenden Mustern suchen theoretische Modelle von Millionen möglicher Ereignisse zur Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Der verbesserte Algorithmus sollte in der Lage sein, die schwachen Anzeichen von Gravitationswellen leichter aus dem Hintergrundrauschen in den Daten zu erkennen als die vorherigen Versionen der Algorithmen.

Astronomen haben sowohl die Gravitationswellen als auch das Licht eingefangen, die bei einem einzigen Ereignis, der Verschmelzung zweier Neutronensterne, erzeugt wurden. Die Veränderung des Lichts im Laufe einiger Tage ist im oberen rechten Einschub zu sehen. Bildnachweis: NASA und ESA

Eine hochauflösende Ära der Astronomie

Anfang Mai 2023 startete LIGO einen kurzen Testlauf – einen sogenannten Engineering-Lauf –, um sicherzustellen, dass alles funktionierte. Am 18. Mai entdeckte LIGO wahrscheinlich Gravitationswellen entsteht durch die Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch.

Der 20-monatige Beobachtungslauf von LIGO 04 wird offiziell durchgeführt Beginn am 24. Mai, Später kommen Virgo und ein neues japanisches Observatorium hinzu – der Kamioka-Gravitationswellendetektor (KAGRA).

Obwohl es für diesen Lauf viele wissenschaftliche Ziele gibt, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Erkennung und Lokalisierung von Gravitationswellen in Echtzeit. Wenn das Team ein Gravitationswellenereignis identifizieren, herausfinden kann, woher die Wellen kommen, und andere Astronomen schnell auf diese Entdeckungen aufmerksam machen kann, könnten Astronomen andere Teleskope, die sichtbares Licht, Radiowellen oder andere Arten von Daten sammeln, auf die Quelle des Ereignisses ausrichten die Gravitationswelle. Sammeln mehrerer Informationskanäle zu einem einzigen Ereignis – Multi-Messenger-Astrophysik – ist wie das Hinzufügen von Farbe und Ton zu einem Schwarz-Weiß-Stummfilm und kann zu einem viel tieferen Verständnis astrophysikalischer Phänomene führen.

Astronomen haben nur ein einziges Ereignis beobachtet sowohl in Gravitationswellen als auch im sichtbaren Licht bis heute – die Fusion von zwei Neutronensterne im Jahr 2017 gesehen. Aber von diesem einzigen Ereignis aus konnten Physiker das untersuchen Expansion des Universums und bestätigen den Ursprung einiger der energiereichsten Ereignisse im Universum, die als bekannt sind Gammastrahlenausbrüche.

Mit Run O4 erhalten Astronomen Zugang zu den empfindlichsten Gravitationswellenobservatorien der Geschichte und werden hoffentlich mehr Daten sammeln als je zuvor. Meine Kollegen und ich hoffen, dass die kommenden Monate zu einer – oder vielleicht mehreren – Multi-Messenger-Beobachtungen führen werden, die die Grenzen der modernen Astrophysik verschieben werden.

Geschrieben von Chad Hanna, Professor für Physik, Penn State.

Angepasst an einen Artikel, der ursprünglich in veröffentlicht wurde Die Unterhaltung.