Im Februar 2016 haben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) Geschichte geschrieben, als sie die erste Detektion von Gravitationswellen ankündigten. Seitdem wurden mehrere Erkennungen durchgeführt, und wissenschaftliche Kooperationen zwischen Observatorien - wie Advanced LIGO und Advanced Virgo - ermöglichen ein beispielloses Maß an Sensibilität und Datenaustausch.
Die erstmalige Erkennung von Gravitationswellen war nicht nur eine historische Errungenschaft, sondern leitete auch eine neue Ära der Astrophysik ein. Kein Wunder also, dass die drei Forscher, die für die erste Entdeckung von zentraler Bedeutung waren, den Nobelpreis für Physik 2017 erhalten haben. Der Preis wurde gemeinsam an den emeritierten Caltech-Professor Kip S. Barish und den emeritierten MIT-Professor Rainer Weiss vergeben.
Um es einfach auszudrücken: Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die durch große astronomische Ereignisse gebildet werden - wie die Fusion eines binären Schwarzen Lochpaares. Sie wurden erstmals vor über einem Jahrhundert von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, die darauf hinwies, dass massive Störungen die Struktur der Raumzeit verändern würden. Erst in den letzten Jahren wurden erstmals Hinweise auf diese Wellen beobachtet.
Das erste Signal wurde von den beiden LIGO-Observatorien in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) erkannt und auf eine 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernte Fusion der schwarzen Maulwürfe zurückgeführt. Bisher wurden vier Entdeckungen durchgeführt, die alle auf die Verschmelzung von Schwarzlochpaaren zurückzuführen waren. Diese fanden am 26. Dezember 2015, 4. Januar 2017 und 14. August 2017 statt, wobei der letzte von LIGO und dem Gravitationswellendetektor der Europäischen Jungfrau entdeckt wurde.
Für die Rolle, die sie bei dieser Leistung spielten, wurde die Hälfte des Preises gemeinsam an Barry C. Barish von Caltech - den emeritierten Professor für Physik von Ronald und Maxine Linde - und Kip S. Thorne, den Professor für Theoretische Physik von Richard P. Feynman - vergeben Emeritus. Die andere Hälfte wurde an Rainer Weiss, emeritierter Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT), verliehen.
Wie der Präsident von Caltech, Thomas F. Rosenbaum, der Präsidentschaftsvorsitzende von Sonja und William Davidow und Professor für Physik, kürzlich in einer Pressemitteilung von Caltech sagte:
„Ich freue mich und fühle mich geehrt, Kip und Barry sowie Rai Weiss vom MIT heute Morgen zur Verleihung des Nobelpreises für Physik 2017 zu gratulieren. Die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen durch LIGO ist eine außergewöhnliche Demonstration des wissenschaftlichen Sehens und der Persistenz. Durch die vier Jahrzehnte lange Entwicklung exquisit sensibler Instrumente, die die Kapazität unserer Vorstellungskraft steigern, können wir nun kosmische Prozesse erkennen, die zuvor nicht nachweisbar waren. Es ist wirklich der Beginn einer neuen Ära in der Astrophysik. “
Diese Leistung war umso beeindruckender, als Albert Einstein, der zuerst ihre Existenz voraussagte, glaubte, Gravitationswellen wären zu schwach, um sie zu untersuchen. In den 1960er Jahren führten Fortschritte in der Lasertechnologie und neue Erkenntnisse über mögliche astrophysikalische Quellen zu der Schlussfolgerung, dass diese Wellen tatsächlich nachweisbar sein könnten.
Die ersten Gravitationswellendetektoren wurden von Joseph Weber, einem Astrophysiker der University of Maryland, gebaut. Seine Detektoren, die in den 1960er Jahren gebaut wurden, bestanden aus großen Aluminiumzylindern, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen zum Schwingen gebracht wurden. Andere Versuche folgten, aber alle erwiesen sich als erfolglos; Dies führt zu einer Umstellung auf einen neuen Detektortyp mit Interferometrie.
Ein solches Instrument wurde von Weiss am MIT entwickelt, das sich auf die als Laserinterferometrie bekannte Technik stützte. Bei dieser Art von Instrumenten werden Gravitationswellen mit weit auseinander liegenden und getrennten Spiegeln gemessen, die Laser über große Entfernungen reflektieren. Wenn Gravitationswellen dazu führen, dass sich der Raum um infinitesimale Beträge ausdehnt und zusammendrückt, verschiebt sich das reflektierte Licht im Detektor geringfügig.
Zur gleichen Zeit begann Thorne - zusammen mit seinen Studenten und Postdocs bei Caltech - daran zu arbeiten, die Theorie der Gravitationswellen zu verbessern. Dies beinhaltete neue Schätzungen zur Stärke und Frequenz von Wellen, die von Objekten wie Schwarzen Löchern, Neutronensternen und Supernovae erzeugt wurden. Dies gipfelte in einer Arbeit von 1972, die Throne gemeinsam mit seinem Schüler Bill Press veröffentlichte und die ihre Vision zusammenfasste, wie Gravitationswellen untersucht werden könnten.
Im selben Jahr veröffentlichte Weiss auch eine detaillierte Analyse der Interferometer und ihres Potenzials für die astrophysikalische Forschung. In diesem Artikel stellte er fest, dass größere Operationen - mit einer Größe von mehreren Kilometern oder mehr - möglicherweise einen Versuch zur Erfassung von Gravitationswellen ermöglichen. Er identifizierte auch die größten Herausforderungen für die Erkennung (z. B. Schwingungen von der Erde) und schlug mögliche Lösungen vor, um diesen entgegenzuwirken.
1975 lud Weiss Thorne ein, auf einer Sitzung des NASA-Komitees in Washington, DC, zu sprechen, und die beiden verbrachten eine ganze Nacht damit, über Gravitationsexperimente zu sprechen. Als Ergebnis ihres Gesprächs kehrte Thorne nach Calteh zurück und schlug vor, eine experimentelle Schwerkraftgruppe zu schaffen, die parallel zu Forschern am MIT, der University of Glasgow und der University of Garching (wo ähnliche Experimente durchgeführt wurden) an Interferometern arbeiten sollte.
Die Entwicklung des ersten Interferometers begann kurz danach bei Caltech, was zur Entwicklung eines 40-Meter-Prototyps führte, um Weiss 'Theorien über Gravitationswellen zu testen. Im Jahr 1984 kamen alle Arbeiten dieser jeweiligen Institutionen zusammen. Caltech und MIT gründeten mit Unterstützung der National Science Foundation (NSF) die LIGO-Zusammenarbeit und begannen mit der Arbeit an ihren beiden Interferometern in Hanford und Livingston.
Der Bau von LIGO war sowohl logistisch als auch technisch eine große Herausforderung. Als Barry Barish (damals ein Caltech-Teilchenphysiker) 1994 Principal Investigator (PI) von LIGO wurde, wurde ihm jedoch immens geholfen. Nach einem Jahrzehnt festgefahrener Versuche wurde er auch zum Direktor von LIGO ernannt und setzte seine Konstruktion wieder in Gang . Er erweiterte auch das Forschungsteam und entwickelte einen detaillierten Arbeitsplan für die NSF.
Wie Barish angedeutet hat, war die Arbeit mit LIGO ein wahr gewordener Traum:
„Ich wollte schon immer Experimentalphysiker werden und fühlte mich von der Idee angezogen, mit fortschreitenden technologischen Fortschritten grundlegende wissenschaftliche Experimente durchzuführen, die sonst nicht möglich wären. LIGO ist ein Paradebeispiel dafür, was vorher nicht möglich war. Obwohl es sich um ein sehr großes Projekt handelte, unterschieden sich die Herausforderungen stark von der Art und Weise, wie wir eine Brücke bauen oder andere große Ingenieurprojekte durchführen. Für LIGO war und ist die Herausforderung, fortschrittliche Instrumente in großem Maßstab zu entwickeln und zu entwerfen, selbst wenn sich das Projekt weiterentwickelt. “
Bis 1999 war der Bau der LIGO-Observatorien abgeschlossen, und bis 2002 begann LIGO, Daten zu erhalten. Im Jahr 2008 begannen die Arbeiten zur Verbesserung der ursprünglichen Detektoren, die als Advanced LIGO Project bekannt sind. Der Umbau des 40-m-Prototyps auf die aktuellen 4-km-Interferometer von LIGO war ein gewaltiges Unterfangen und musste daher in Schritte unterteilt werden.
Der erste Schritt fand zwischen 2002 und 2010 statt, als das Team die ersten Interferometer baute und testete. Dies führte zwar zu keinen Entdeckungen, demonstrierte jedoch die Grundkonzepte des Observatoriums und löste viele der technischen Hindernisse. In der nächsten Phase - Advanced LIGO, die zwischen 2010 und 2015 stattfand - konnten die Detektoren neue Empfindlichkeitsstufen erreichen.
Diese Upgrades, die auch unter Barishs Führung durchgeführt wurden, ermöglichten die Entwicklung mehrerer Schlüsseltechnologien, die letztendlich die erste Erkennung ermöglichten. Wie Barish erklärte:
„In der Anfangsphase von LIGO haben wir, um die Detektoren von der Erdbewegung zu isolieren, ein Aufhängungssystem verwendet, das aus Testmassenspiegeln bestand, die an einem Pianodraht aufgehängt waren, und einen mehrstufigen Satz passiver Stoßdämpfer verwendet, ähnlich denen in deinem Auto. Wir wussten, dass dies wahrscheinlich nicht gut genug sein würde, um Gravitationswellen zu erfassen, und entwickelten daher im LIGO-Labor ein ehrgeiziges Programm für Advanced LIGO, das ein neues Aufhängungssystem zur Stabilisierung der Spiegel und ein aktives seismisches Isolationssystem zum Erfassen und Korrigieren enthielt Bodenbewegungen. "
Angesichts der zentralen Bedeutung von Thorne, Weiss und Barish für die Untersuchung von Gravitationswellen wurden alle drei zu Recht als diesjährige Empfänger des Nobelpreises für Physik anerkannt. Sowohl Thorne als auch Barish wurden darüber informiert, dass sie am 3. Oktober 2017 in den frühen Morgenstunden gewonnen hatten. Als Reaktion auf die Nachricht waren sich beide Wissenschaftler sicher, die laufenden Bemühungen von LIGO, den Wissenschaftsteams, die dazu beigetragen haben, und der Bemühungen von Caltech und MIT bei der Schaffung und Wartung der Observatorien.
„Der Preis gehört zu Recht den Hunderten von LIGO-Wissenschaftlern und Ingenieuren, die unsere komplexen Gravitationswelleninterferometer gebaut und perfektioniert haben, und den Hunderten von LIGO- und Virgo-Wissenschaftlern, die die Gravitationswellensignale in den verrauschten Daten von LIGO gefunden und die Welleninformationen extrahiert haben. Sagte Thorne. "Es ist bedauerlich, dass der Preis aufgrund der Statuten der Nobelstiftung nicht an mehr als drei Personen gehen darf, wenn unsere wunderbare Entdeckung das Werk von mehr als tausend ist."
"Ich bin demütig und geehrt, diese Auszeichnung zu erhalten", sagte Barish. „Die Detektion von Gravitationswellen ist wirklich ein Triumph der modernen experimentellen Großphysik. Über mehrere Jahrzehnte haben unsere Teams bei Caltech und MIT LIGO zu einem unglaublich empfindlichen Gerät entwickelt, das die Entdeckung gemacht hat. Als das Signal LIGO durch eine Kollision von zwei stellaren Schwarzen Löchern erreichte, die vor 1,3 Milliarden Jahren auftrat, konnte die 1.000 Wissenschaftler starke LIGO Scientific Collaboration sowohl das Kandidatenereignis innerhalb von Minuten identifizieren als auch die detaillierte Analyse durchführen, die die Gravitationswellen überzeugend demonstrierte existieren."
Mit Blick auf die Zukunft ist es auch ziemlich klar, dass Advanved LIGO, Advanced Virgo und andere Gravitationswellen-Observatorien auf der ganzen Welt gerade erst anfangen. Neuere Studien haben gezeigt, dass die Detektion von Gravitationswellen nicht nur vier verschiedene Ereignisse entdeckt, sondern auch neue Grenzen für die astronomische und kosmologische Forschung eröffnen könnte.
Eine kürzlich von einem Forscherteam des Monash Center for Astrophysics durchgeführte Studie schlug beispielsweise ein theoretisches Konzept vor, das als „Orphan Memory“ bekannt ist. Nach ihren Forschungen verursachen Gravitationswellen nicht nur Wellen in der Raumzeit, sondern hinterlassen permanente Wellen in ihrer Struktur. Durch die Untersuchung der „Waisen“ vergangener Ereignisse können Gravitationswellen sowohl auf der Erde als auch lange nach ihrem Tod untersucht werden.
Darüber hinaus wurde im August eine Studie von einem Team von Astronomen des Center of Cosmology der University of California in Irvine veröffentlicht, die darauf hinwies, dass Fusionen von Schwarzen Löchern weitaus häufiger sind als gedacht. Nach einer Untersuchung des Kosmos zur Berechnung und Kategorisierung von Schwarzen Löchern stellte das UCI-Team fest, dass es in der Galaxie bis zu 100 Millionen Schwarze Löcher geben könnte.
Eine andere kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass das Gravitationswellendetektornetzwerk Advanced LIGO, GEO 600 und Virgo auch zur Detektion der von Supernovae erzeugten Gravitationswellen verwendet werden kann. Durch die Erkennung der Wellen, die von Sternen erzeugt werden, die gegen Ende ihrer Lebensdauer explodieren, könnten Astronomen zum ersten Mal in die Herzen kollabierender Sterne sehen und die Mechanismen der Bildung von Schwarzen Löchern untersuchen.
Der Nobelpreis für Physik ist eine der höchsten Auszeichnungen, die ein Wissenschaftler erhalten kann. Aber noch größer ist das Wissen, dass große Dinge aus der eigenen Arbeit hervorgegangen sind. Jahrzehnte nachdem Thorne, Weiss und Barish begonnen hatten, Gravitationswellenstudien vorzuschlagen und auf die Schaffung von Detektoren hinzuarbeiten, machen Wissenschaftler aus der ganzen Welt tiefgreifende Entdeckungen, die unsere Sicht auf das Universum revolutionieren.
Und wie diese Wissenschaftler sicherlich bestätigen werden, ist das, was wir bisher gesehen haben, nur die Spitze des Eisbergs. Man kann sich vorstellen, dass Einstein irgendwo auch vor Stolz strahlt. Wie bei anderen Forschungen zu seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zeigt das Studium der Gravitationswellen, dass seine Vorhersagen auch nach einem Jahrhundert noch immer zutreffend waren!
Schauen Sie sich auch dieses Video der Caltech-Pressekonferenz an, in der Barish und Thorn für ihre Leistungen geehrt wurden:
