Fragen Sie Ethan: Wenn sich Licht mit dem Raum zusammenzieht und ausdehnt, wie können wir Gravitationswellen erfassen?

Luftaufnahme des Gravitationswellendetektors der Jungfrau in der Gemeinde Cascina in der Nähe der Stadt Pisa in Italien. Virgo ist ein riesiges 3 km langes Michelson- Laserinterferometer mit Schultern, die zwei identische 4 km lange LIGO-Detektoren ergänzen.

In den letzten drei Jahren hat die Menschheit eine neue Art der Astronomie, die sich von den traditionellen unterscheidet. Um das Universum zu untersuchen, fangen wir nicht mehr nur mit einem Teleskop oder Neutrino Licht mit riesigen Detektoren ein. Darüber hinaus können wir zum ersten Mal auch die Wellen sehen, die dem Raum selbst innewohnen: Gravitationswellen. Die LIGO-Detektoren, die jetzt von Virgo ergänzt werden und bald von KAGRA und LIGO India ergänzt werden, haben extrem lange Arme, die sich beim Durchgang von Gravitationswellen ausdehnen und zusammenziehen und ein nachweisbares Signal erzeugen. Aber wie funktioniert es? Unser Leser fragt:

Wie kann LIGO Gravitationswellen erfassen, wenn sich die Wellenlängen des Lichts zusammen mit der Raumzeit selbst dehnen und zusammenziehen? Schließlich dehnen und komprimieren sie die beiden Arme des Detektors, sodass sich auch die Wellen in ihnen ausdehnen und zusammenziehen müssen. Bleibt die Anzahl der Wellenlängen, die in die Schulter passen, nicht konstant, wodurch sich das Interferenzmuster nicht ändert und die Wellen nicht erkennbar sind?

Dies ist eines der häufigsten Paradoxe, die Menschen über Gravitationswellen denken. Lassen Sie es uns herausfinden und eine Lösung dafür finden!


Tatsächlich ist ein System wie LIGO oder LISA nur ein Laser, dessen Strahl durch den Splitter geht und auf denselben senkrechten Pfaden verläuft, dann wieder zu einem konvergiert und ein Interferenzbild erzeugt. Mit einer Änderung der Schulterlänge ändert sich auch das Bild.

Der Gravitationswellendetektor funktioniert folgendermaßen:

• Es entstehen zwei lange Schultern gleicher Länge, in die eine ganzzahlige Anzahl bestimmter Lichtwellenlängen passt.
• Alle Materie wird von den Schultern entfernt und ein ideales Vakuum erzeugt.
• Kohärentes Licht gleicher Wellenlänge wird in zwei senkrechte Komponenten aufgeteilt.
• Einer geht auf eine Schulter, der andere auf die andere.
• Licht wird viele tausend Mal von den beiden Enden jeder Schulter reflektiert.
• Dann rekombiniert es und erzeugt ein Interferenzmuster.

Wenn die Wellenlänge gleich bleibt und sich die Lichtdurchlässigkeit an jeder Schulter nicht ändert, kommt das Licht, das sich in senkrechten Richtungen bewegt, gleichzeitig an. Wenn jedoch in einer der Richtungen Gegenwind oder Rückenwind herrscht, verzögert sich die Ankunft.

Wenn sich das Bild der Interferenz ohne Gravitationswellen überhaupt nicht ändert, wissen Sie, dass der Detektor richtig konfiguriert ist. Sie wissen, dass Sie das Rauschen berücksichtigt haben und dass das Experiment korrekt angeordnet ist. Seit fast 40 Jahren hat LIGO mit einer solchen Aufgabe zu kämpfen: dem Versuch, den Detektor korrekt zu kalibrieren und die Empfindlichkeit auf den Punkt zu bringen, an dem das Experiment die wahren Signale von Gravitationswellen erkennen kann.

Die Größe dieser Signale ist unglaublich klein und daher war es so schwierig, die erforderliche Genauigkeit zu erreichen.


LIGO-Empfindlichkeit als Funktion der Zeit im Vergleich zur Empfindlichkeit des Advanced LIGO-Experiments. Bursts treten aufgrund verschiedener Geräuschquellen auf.

Wenn Sie jedoch das erreicht haben, was Sie möchten, können Sie bereits nach einem echten Signal suchen. Gravitationswellen sind unter allen verschiedenen Arten von Strahlung, die im Universum auftreten, einzigartig. Sie interagieren nicht mit Partikeln, sondern sind Wellen des Raumgefüges.

Dies ist keine Monopol- (Ladungsübertragungs-) und keine Dipolstrahlung (wie Schwingungen elektromagnetischer Felder), sondern die Form der Quadrupolstrahlung.

Und anstatt phasenangepasste elektrische und magnetische Felder, die senkrecht zur Richtung der Wellenbewegung verlaufen, dehnen und komprimieren Gravitationswellen abwechselnd den Raum, durch den sie in senkrechten Richtungen verlaufen.


Gravitationswellen breiten sich in einer Richtung aus und dehnen und komprimieren abwechselnd den Raum in senkrechten Richtungen, bestimmt durch die Polarisation der Gravitationswelle.

Daher sind unsere Detektoren so ausgelegt. Wenn eine Gravitationswelle einen LIGO-Detektor passiert, zieht sich eine ihrer Schultern zusammen und die andere dehnt sich aus und umgekehrt, wodurch ein Bild der gegenseitigen Schwingung entsteht. Die Detektoren befinden sich speziell in Winkeln zueinander und an verschiedenen Orten auf dem Planeten, so dass dieses Signal unabhängig von der Ausrichtung der Gravitationswelle, die durch sie hindurchgeht, mindestens einen der Detektoren nicht beeinflusst.

Mit anderen Worten, unabhängig von der Ausrichtung der Gravitationswelle gibt es immer einen Detektor, bei dem eine Schulter verkürzt und die andere auf vorhersagbare oszillierende Weise verlängert wird, wenn die Welle den Detektor passiert.


Was bedeutet das bei Licht? Das Licht bewegt sich immer mit einer konstanten Geschwindigkeit c von 299 792 458 m / s. Dies ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, und in den LIGO-Schultern befinden sich Vakuumkammern. Und wenn eine Gravitationswelle durch jede der Schultern geht und diese verlängert oder verkürzt, verlängert oder verkürzt sie auch die Wellenlänge des Lichts in ihr um einen geeigneten Betrag.

Auf den ersten Blick haben wir ein Problem: Wenn sich das Licht zusammen mit einer Verlängerung oder Verkürzung der Schultern verlängert oder verkürzt, sollte sich das gesamte Interferenzmuster mit dem Durchgang der Welle nicht ändern. Das sagt uns die Intuition.


Fünf Fusionen von Schwarzen Löchern mit Schwarzen Löchern, die von LIGO (und Virgo) entdeckt wurden, und ein weiteres sechstes Signal von unzureichender Bedeutung. Bisher hatte das massereichste der in LIGO beobachteten BHs vor dem Zusammenschluss 36 Sonnenmassen. Galaxien haben jedoch supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen, die die Sonne millionen- oder sogar milliardenfach überschreiten, und obwohl LIGO sie nicht erkennt, kann LISA dies tun. Wenn die Wellenfrequenz mit der Zeit übereinstimmt, die der Strahl im Detektor verbringt, können wir hoffen, sie zu extrahieren.

Aber so funktioniert das nicht. Die Wellenlänge, die stark von Änderungen im Raum abhängt, wenn eine Gravitationswelle durch sie hindurchgeht, beeinflusst das Interferenzbild nicht. Nur die Zeit, die das Licht benötigt, um durch die Schultern zu gelangen, ist wichtig!

Wenn eine Gravitationswelle durch eine der Schultern läuft, ändert sich die effektive Länge der Schulter und die Entfernung, die jeder der Strahlen zurücklegen muss. Eine Schulter verlängert sich, verlängert die Durchlaufzeit, die andere verkürzt sich und verkürzt sie. Bei einer relativen Änderung der Ankunftszeit sehen wir das Schwingungsmuster, wodurch die Verschiebungen des Interferenzmusters wiederhergestellt werden.


Die Abbildung zeigt die Rekonstruktion von vier spezifischen und einem potenziellen (LVT151012) Signal von Gravitationswellen, die am 17. Oktober 2017 von LIGO und Virgo erfasst wurden. Die letzte Erkennung von Schwarzen Löchern, GW170814, wurde an allen drei Detektoren durchgeführt. Achten Sie auf die Kürze der Zusammenführung - von Hunderten von Millisekunden bis maximal 2 Sekunden.

Nach der Wiedervereinigung der Strahlen tritt ein Unterschied in der Zeit ihrer Reise und daher eine nachweisbare Verschiebung des Interferenzmusters auf. Die LIGO-Zusammenarbeit selbst hat eine interessante Analogie zu dem, was passiert, veröffentlicht:

Stellen Sie sich vor, Sie möchten mit einem Freund vergleichen, wie lange Sie brauchen, um das Ende des Interferometerarms zu erreichen und umgekehrt. Sie stimmen zu, mit einer Geschwindigkeit von einem Kilometer pro Stunde zu fahren. Wie bei LIGO-Laserstrahlen verlassen Sie die Eckstation strikt zur gleichen Zeit und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit. Sie müssen sich streng zur gleichen Zeit wieder treffen, sich die Hand geben und sich weiter bewegen. Aber sagen wir mal, wenn Sie den halben Weg bis zum Ende gegangen sind, geht eine Gravitationswelle vorbei. Einer von euch muss jetzt eine größere Strecke gehen und der andere weniger. Dies bedeutet, dass einer von Ihnen früher als der andere zurückkehrt. Sie strecken die Hand aus, um Ihrer Freundin die Hand zu schütteln, aber sie ist nicht da! Dein Handschlag wurde unterbrochen! Da Sie die Geschwindigkeit Ihrer Bewegung kennen, können Sie die Zeit messen, die Ihr Freund benötigt, um zurückzukehren, und bestimmen, wie weit er sich bewegen musste, um zu spät zu kommen.

Wenn Sie dies mit Licht und nicht mit einem Freund tun, messen Sie nicht die Verzögerung der Ankunft (da die Differenz etwa 10 bis ¹⁹ Meter ^beträgt ), sondern die Verschiebung des beobachteten Interferenzmusters.


Wenn zwei Schultern gleich groß sind und Gravitationswellen nicht durch sie hindurchtreten, ist das Signal Null und das Interferenzmuster ist konstant. Bei einer Änderung der Länge der Arme stellt sich heraus, dass das Signal real ist und schwingt, und das Interferenzmuster ändert sich zeitlich auf vorhersehbare Weise.

Ja, tatsächlich erfährt das Licht eine Rot- und Blauverschiebung, wenn eine Gravitationswelle ihren Platz passiert. Mit der Komprimierung des Raums wird auch die Wellenlänge des Lichts komprimiert, wodurch es blau wird. mit Dehnung und die Welle wird gedehnt, was sie röter macht. Diese Änderungen sind jedoch kurzfristig und unwichtig, zumindest im Vergleich zu dem Unterschied in der Länge des Weges, den das Licht passieren muss.

Dies ist der Schlüssel zu allem: Rotes Licht mit einer langen Welle und blaues Licht mit einer kurzen Welle verbringen dieselbe Zeit damit, dieselbe Entfernung zu überwinden, obwohl eine blaue Welle mehr Kämme und Einbrüche benötigt. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hängt nicht von der Wellenlänge ab. Das einzige, was für das Interferenzmuster wichtig ist, ist die Entfernung, die das Licht zurücklegen musste.


Je länger die Wellenlänge des Photons ist, desto geringer ist seine Energie. Alle Photonen, unabhängig von Wellenlänge und Energie, bewegen sich jedoch mit derselben Geschwindigkeit: der Lichtgeschwindigkeit. Die Anzahl der Wellenlängen, die erforderlich sind, um eine bestimmte Entfernung zurückzulegen, kann variieren, aber die Zeit, die zum Bewegen des Lichts benötigt wird, ist dieselbe.

Es ist die Änderung der Entfernung, die Licht zurücklegt, wenn eine Gravitationswelle durch den Detektor läuft, die die beobachtete Verschiebung des Interferenzmusters bestimmt. Wenn die Welle den Detektor passiert, wird in einer Richtung die Schulter verlängert und in der anderen gleichzeitig verkürzt, was zu einer relativen Verschiebung der Länge der Pfade und der Zeit des Lichtdurchgangs durch sie führt.

Wenn Licht mit Lichtgeschwindigkeit durch sie hindurchgeht, sind Änderungen der Wellenlängen irrelevant. Wenn sie sich treffen, befinden sie sich in der Raumzeit an einem Ort und ihre Wellenlängen sind identisch. Wichtig ist, dass ein Lichtstrahl mehr Zeit im Detektor verbringt und wenn sie sich wieder treffen, sind sie nicht mehr in Phase. Hier kommt das LIGO-Signal her und so erfassen wir Gravitationswellen!

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