Alle freuten sich zu Recht über
die neuesten Entdeckungen auf dem Gebiet der Gravitationswellen. Das LIGO-Observatorium, dem sein europäischer Partner VIRGO kürzlich beigetreten war, hatte zuvor Gravitationswellen beim Zusammenführen von Schwarzen Löchern beobachtet. Das ist sehr cool, sieht aber auch ziemlich einsam aus - schwarze Löcher sind schwarz, so dass wir nur Gravitationswellen in ihnen beobachten können und sonst wenig. Da unsere derzeitigen Observatorien zur Erfassung von Gravitationswellen den Ort einer Quelle am Himmel nicht sehr gut bestimmen können, konnten wir nicht einmal feststellen, in welcher Galaxie beispielsweise ein aufgezeichnetes Ereignis aufgetreten ist.
Nach dem Beginn der Ära der Astronomie änderte sich jedoch alles und konnte Gravitations- und elektromagnetische Strahlung aus einer Hand sofort erfassen. Das entdeckte Ereignis war die Verschmelzung von zwei Neutronensternen, nicht von Schwarzen Löchern, und all diese Materie, die in einer riesigen Kollision zusammenlief, überflutete den Himmel mit der Ausstrahlung vieler Wellenlängen gleichzeitig.
Schauen Sie sich all diese verschiedenen Observatorien an, all diese Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung! Radio-, Infrarot-, optische, ultraviolette, Röntgen- und Gammabereiche - dies ist aus astronomischer Sicht das gesamte Spektrum.
Viele fortgeschrittene wissenschaftliche Errungenschaften werden aus dieser Veranstaltung hervorgehen - siehe zum Beispiel
diese Arbeit . Einige Menschen sind sehr aufgeregt über die Tatsache, dass dieses Ereignis eine riesige Menge Gold hervorgebracht hat, die um ein Vielfaches größer ist als die Masse der Erde. Da dies jedoch mein Blog ist, werde ich einen für mich relevanten Aspekt dieses Ereignisses behandeln: die Verwendung von „Standardsirenen“ zur Messung der Expansion des Universums.
Wir sind bereits ziemlich gut darin, die Expansion des Universums anhand
der Entfernungsskala in der Astronomie zu messen. Darin werden Entfernungen schrittweise gemessen, zuerst durch Bestimmen der Entfernungen zu den nächsten Sternen, dann durch den Übergang zu weiter entfernten Clustern und so weiter. Es funktioniert gut, ist aber natürlich anfällig für Fehler im Prozess. Eine neue Art der Beobachtung von Gravitationswellen gibt uns etwas anderes, mit dem Sie über diese gesamte Entfernungsskala springen und eine
unabhängige Messung der Entfernung zu kosmologischen Objekten erhalten können.
Die gleichzeitige Beobachtung von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen ist ein kritischer Teil der Idee. Sie versuchen zwei Dinge zu vergleichen: die Entfernung zum Objekt und die scheinbare Geschwindigkeit, mit der es sich von Ihnen entfernt. Normalerweise ist mit der Geschwindigkeit alles einfach: Sie messen die Rotverschiebung des Lichts, was mit dem elektromagnetischen Spektrum des Objekts leicht zu tun ist. Mit nur Gravitationswellen ist dies jedoch nicht möglich - das Spektrum enthält nicht genügend Strukturen, um die Rotverschiebung zu messen. Daher war uns die Explosion von Neutronensternen so wichtig; Im Fall von GW170817 konnten wir erstmals die genaue Rotverschiebung einer entfernten Quelle von Gravitationswellen bestimmen.
Entfernungsmessungen sind ein schwieriger Moment, und hier bieten uns Gravitationswellen eine neue Technik. Die übliche allgemein akzeptierte Strategie besteht darin, „Standardkerzen“ zu definieren, dh Objekte, über deren intrinsische Helligkeit Sie vernünftige Schlussfolgerungen ziehen können. Durch Vergleich mit der beobachteten Helligkeit können Sie die Entfernung berechnen. Zum Beispiel verwendeten Astronomen Supernovae vom Typ Ia, um die beschleunigte Expansion des Universums zu entdecken.
Gravitationswellen liefern keine Standardkerzen - jedes der Objekte hat seine eigene interne Gravitationshelligkeit (die Menge der abgestrahlten Energie). Indem Sie jedoch untersuchen, wie sich die Lichtquelle entwickelt - die charakteristische lineare Frequenzmodulation der Gravitationswellen zweier Objekte, die sich spiralförmig zusammen bewegen -, können Sie deren Gesamthelligkeit berechnen. Hier ist das LFM für das GW170817 im Vergleich zu anderen Quellen, die wir entdeckt haben - viel mehr Daten, fast eine ganze Minute!
Und jetzt haben wir Distanz und Rotverschiebung ohne Distanzskala! Dies ist aus so vielen Gründen wichtig. Eine unabhängige Methode zur Messung kosmischer Entfernungen ermöglicht es uns beispielsweise, die Eigenschaften der Dunklen Materie zu messen. Sie könnten auch von den Unterschieden zwischen den verschiedenen Methoden zur Messung der Hubble-Konstante hören, was bedeutet, dass entweder jemand einen kleinen Fehler macht oder wir uns in unseren Ansichten über das Universum irgendwie sehr irren. Eine unabhängige Methode zur Überprüfung Ihrer Berechnungen hilft uns dabei, dies herauszufinden. Nur aus einem einzigen Ereignis können wir bereits schließen, dass die Hubble-Konstante 70 km / s / Mpc beträgt, wenn auch mit einem ziemlich großen Fehler (+12, -8 km / s / Mpc). Die Genauigkeit erhöht sich jedoch, wenn zusätzliche Daten erfasst werden.
Und hier ist meine winzige Rolle in dieser Geschichte. Die Idee, Gravitationswellenquellen als Standardsirenen zu verwenden, wurde bereits 1986 von Bernard Schutz vorgebracht. Aber seitdem wurde es ernsthaft überarbeitet, besonders von meinen Freunden Daniel Holtz und Scott Hughes. Daniel hat mir vor vielen Jahren von dieser Idee erzählt und er und Scott haben eine der ersten Arbeiten zu diesem Thema geschrieben. Ich sagte sofort: „Man muss diese Dinge einfach„ Standardsirenen “nennen. So wurde eine nützliche Bezeichnung geboren.
Leider hat mir mein Caltech-Kollege Sterl Finney zur gleichen Zeit den gleichen Namen angeboten, wie in den Dankesabschnitten angegeben. Das ist aber nichts; Wenn der Beitrag so gering ist, ist es nicht schade, ihn aufzuteilen.
Aber die Verdienste von Physikern und Astronomen, die diese Beobachtung machen konnten, und vieler anderer, die zum theoretischen Verständnis des Themas beigetragen haben, sind wirklich bedeutsam. Herzlichen Glückwunsch an alle harten Arbeiter, die einen neuen Weg gefunden haben, das Universum zu studieren.
Sean Michael Carroll ist ein amerikanischer Kosmologe, der sich auf Dunkle Energie und allgemeine Relativitätstheorie spezialisiert hat.