Neue Methoden zur Erfassung von Gravitationswellen

 (nature.com)
1 Punkte von GN⁺ 2024-06-30 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Die Beobachtung von Gravitationswellen etablierte sich mit der ersten direkten Detektion 2015 als wichtiges experimentelles Feld der modernen Physik
  • Das damals im September 2015 beobachtete Signal war eine eine Fünftelsekunde andauernde Schwingung und wurde zu einem historischen Wendepunkt der Physik
  • Dieses Signal führte zur ersten direkten Detektion von Gravitationswellen und ist besonders bedeutsam, weil damit Störungen der Raumzeit direkt beobachtet wurden
  • Gravitationswellen sind Störungen der Geometrie der Raumzeit und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum
  • Der enthaltene Auszug nennt weder die Namen noch die Funktionsweise der im Titel angekündigten fünf neuen Detektionsmethoden

Erste direkte Detektion 2015

  • Im September 2015 wurde eine eine Fünftelsekunde andauernde Schwingung als Ereignis behandelt, das die Geschichte der Physik veränderte
  • Diese Schwingung war die erste direkte Detektion von Gravitationswellen
  • Gravitationswellen sind Störungen in der geometrischen Struktur der Raumzeit
  • Diese Störungen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum

Umfang des überprüfbaren Textes

  • Der Titel kündigt fünf neue Methoden zur Erfassung von Gravitationswellen und die Geheimnisse an, die sie enthüllen könnten
  • Der bereitgestellte Auszug enthält keine Namen der einzelnen Methoden, keine Funktionsweise, keine Beobachtungsziele und keine wissenschaftlichen Ergebnisse
  • Der übrige überprüfbare Text besteht größtenteils aus Elementen außerhalb des eigentlichen Artikels, etwa Zugangsoptionen, Abo-Hinweisen und Literaturangaben

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-06-30
Hacker-News-Kommentare

  • Der Gravitationswellendetektor der ersten Generation, der ein völlig anderes Design als die heutigen Interferometer hatte, scheint in der Geschichte fast vergessen worden zu sein.
    Das damalige Gerät funktionierte nicht, und auch Webers Behauptung von 1987, bei SN1987A Gravitationswellen detektiert zu haben, hat weithin an Glaubwürdigkeit verloren.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Weber_bar

    • Da es LIGO gibt und die Instrumente heute viel präziser sind, frage ich mich, ob jemand diesen Ansatz noch einmal überprüft hat.
      In Texten über den Weber-Bar sieht man anscheinend nicht oft Widerspruch gegen die theoretische Grundlage des Experiments selbst; ich frage mich daher, ob man nach heutigem Verständnis überhaupt einen nachweisbaren Effekt erwarten kann.
      Vielleicht wäre es billiger, Hunderte bis Tausende Weber-Bars zu bauen und die Signale zu verarbeiten, als noch ein weiteres LIGO zu errichten, und man könnte sich sogar Weber-Bars im All vorstellen.
    • Wenn in diesem Feld heute von der ersten Generation die Rede ist, meint man normalerweise nicht den Weber-Bar, sondern das erste LIGO, also die Version vor Advanced LIGO.
      Der Weber-Bar hat nicht einfach nur nicht funktioniert; nach Ansicht der meisten Physiker konnte er gar nicht funktionieren, auch wenn Weber selbst dem natürlich nicht zustimmte.

  • Wenn man von einem sehr schmalen Frequenzband bei maximal 1000 Hz zu einem viel breiteren Bereich geht, könnte man theoretisch Informationen etwa per Frequenzmodulation übertragen.
    Vielleicht würde eine ausreichend fortgeschrittene Zivilisation Gravitationskommunikation in Betracht ziehen, und vielleicht sollten wir wie bei elektromagnetischen Wellen bei irgendeiner „natürlichen Frequenz“ nach Hello, world suchen.

    • Ich sehe nicht wirklich, was der Vorteil einer Kommunikation auf diesem Weg wäre.
      Die pro übertragenem Bit benötigte Energie wäre wohl enorm, und selbst wenn es theoretisch möglich ist, scheint es für Kommunikationszwecke viele Nachteile und kaum Vorteile zu geben.
      Mir fällt allerdings eine PBS-Space-Time-Episode ein, die sich damit befasst, ob man außerirdische Zivilisationen über Gravitationswellen entdecken könnte, die entstehen, wenn riesige Raumschiffe auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.
      https://www.pbs.org/video/could-ligo-find-massive-alien-spac...
    • Wenn auch Gravitationswellen weiterhin durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, sehe ich nicht, wo der Vorteil liegen soll.
      Könnten sie Hindernisse umgehen? Statt Sichtlinie wären dann große Gravitationsverzerrungen wie Schwarze Löcher oder Sterne die Störquellen, aber Interferenz selbst scheint weiterhin möglich zu sein.
      Bescheidenheitsklausel: Ich weiß nicht so genau, wovon ich rede.
    • Es gibt viele negative Reaktionen, aber mir fällt zumindest ein Grund ein, warum es dennoch denkbar sein könnte.
      Unsere Spezies und viele Arten auf der Erde können nur einen sehr schmalen Bereich des Strahlungsspektrums sehen.
      Eine fortgeschrittene Zivilisation könnte solche Sinne vielleicht nicht entwickelt haben und stattdessen viel enger mit Gravitationsenergie evolviert sein. Es geht schließlich um das Universum.
    • Ich kann mir wirklich schwer vorstellen, wie ein solcher Sender funktionieren sollte.
      Würde man planetengroße Objekte bewegen, um Gravitationswellen zu erzeugen?
      Natürlich könnte die ausweichende Antwort „sie benutzen fortschrittliche Technologie, die wir nicht kennen“ am Ende tatsächlich richtig sein.
    • Diese Idee kam in der Trilogie The Three-Body Problem vor.
      Das Problem ist die Modulation des Signals, und die einzige Methode ist, große Massen schnell zu bewegen.

  • LIGO-Anlagen kann man kostenlos besichtigen.
    Ich habe vor ein paar Jahren die Anlage in Hanford besucht; dazu gehörte auch ein Einführungsvortrag, wir haben die gesamte Anlage besichtigt und sind sogar in den Kontrollraum gekommen. Wirklich tolle Leute dort.
    https://www.ligo.caltech.edu/WA/page/lho-public-tours

    • Wenn man bei LIGO Hanford ist, sollte man auch die Tour durch den nahegelegenen B Reactor nicht verpassen.
      Das ist der erste Reaktor in Originalgröße.
    • Die einzigen möglichen Termine liegen während der DEFCON-Zeit, aber ich möchte irgendwann unbedingt hin.

  • Ich bin überrascht, dass LISA nicht erwähnt wurde.
    Das ist ein weltraumgestützter Gravitationswellendetektor mit drei Satelliten, die in Formation mit 2,5 Millionen km Abstand fliegen, ein wirklich beeindruckendes Ingenieurprojekt, dessen Start für 2035 geplant ist.
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Laser_Interferometer_Space_A...

    • Im Haupttext wird es erwähnt.
      Gemeint ist die Stelle: „Die Forschenden entwickeln nun mehrere Observatorien der nächsten Generation vom LIGO-Typ sowohl am Boden als auch im Weltraum, darunter die Laser Interferometer Space Antenna.“
    • LISA wurde Anfang der 1990er Jahre erstmals als ESA-Mission vorgeschlagen.
      Ich erinnere mich, als Kind über LISA gelesen zu haben; damals war der Start für das in weiter Ferne liegende Jahr 2015 geplant.
      Inzwischen wäre ich eher überrascht, wenn der Start tatsächlich 2035 stattfindet.

  • Ich habe von einem neuen Vorschlag erfahren, bereits geplante Sonden als Gravitationswellendetektoren zu nutzen.
    Wenn ich nichts übersehen habe, scheint das im Haupttext nicht behandelt zu werden.
    „Bridging the micro-Hz gravitational wave gap via Doppler tracking with the Uranus Orbiter and Probe Mission: Massive black hole binaries, early universe signals and ultra-light dark matter“
    https://arxiv.org/abs/2406.02306
    „Practically Free Primordial Gravitational Waves Detector“
    https://www.youtube.com/watch?v=XfOxNJvSvf4

  • Vielleicht ist das eine dumme Frage, aber ist damit im Grunde bewiesen, dass Gravitation nicht existiert?
    Wenn die Wirkung der Gravitation tatsächlich aus der Geometrie der Raumzeit hervorgeht, dann scheinen Gravitationswellen-Experimente zu zeigen, dass Raumzeit existiert und eine messbare Geometrie besitzt.
    Wenn dann aber von Quantenmechanik die Rede ist, heißt es immer, dass man noch kein kraftvermittelndes Teilchen der Gravitation gefunden hat. Wenn Gravitation also nicht existiert und nur ein Ergebnis der Raumzeitgeometrie ist, verstehe ich diese Aussage nicht.

    • Diese Experimente bestätigen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie als klassische Theorie der Gravitation, so wie die Maxwell-Gleichungen die klassische Theorie des elektromagnetischen Feldes sind.
      So wie die Maxwell-Gleichungen für Wellen makroskopischer Stärke ausreichen, reicht auch die allgemeine Relativitätstheorie für astrophysikalische Gravitationswellen aus.
      Eine andere Frage ist, welche quantenmechanische Theorie die allgemeine Relativitätstheorie als klassischen Grenzfall besitzt.
      In der Elektrodynamik ist die seit den 1940er Jahren verstandene Quantenelektrodynamik die quantisierte Version der Maxwell-Theorie und sagt voraus, dass Messergebnisse elektromagnetischer Energie als „Pakete“ erscheinen, die wir Photonen nennen.
      Bei der Quantengravitation sind dagegen zwar viele Merkmale bekannt, nach denen das Graviton wohl ein masseloses Spin-2-Teilchen wäre, aber über die genaue Theorie besteht noch kein Konsens.
      Den Vermittlerteilchen-Ansatz und das Raumzeit-Bild bringt man so zusammen, dass man schon klassisch die von der gesamten Erde erzeugte Hintergrundgeometrie der Raumzeit betrachten und kleine Fluktuationen darauf untersuchen kann.
      Ein Graviton ist anschaulich gesprochen eine solche kleine Fluktuation, die um eine quantisierte Menge angeregt ist.
      Wie der Hintergrund selbst als „riesiger Haufen von Gravitonen“ entsteht, hängt von der genauen Theorie der Quantengravitation ab; die Stringtheorie hat darauf partielle Antworten und kann Objekte wie Schwarze Löcher quantenmechanisch modellieren.
    • Ich bin kein Fachmann, aber soweit ich antworten kann: Gravitation existiert und erscheint als Krümmung bzw. Geometrie des Raums.
      Das steht im Kontrast zu anderen fundamentalen Kräften, die durch Quantenfeldtheorie beschrieben werden.
      Unser heutiges Verständnis der Gravitation funktioniert nicht auf die gleiche Weise wie diese anderen Theorien, und wir haben noch keine überprüfbare Theorie gefunden, die beide Systeme auf allen Skalen zusammen funktionieren lässt.
      Die Stringtheorie wurde als Weg vorgeschlagen, eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln und zugleich den Rest zu erklären, hat aber meinem Verständnis nach an Beliebtheit verloren, weil sie eher wie ein mathematischer Rahmen wirkt, der an Beobachtungen angepasst werden kann, und deshalb zu wenig Vorhersagekraft besitzt.
      Daher stammt meist auch die Vorhersage eines möglichen kraftvermittelnden Teilchens der Gravitation, also des Gravitons.
      In Theorien wie der Schleifenquantengravitation wird die Raumzeit selbst quantisiert, sodass sie mit den wellenfunktionsbasierten Ansätzen anderer Quantentheorien zusammenspielen kann.
      Allerdings scheint allein das noch nicht viele Vorhersagen über das Quantenfeld der Gravitation zu liefern.
      Außerdem treten in der Relativitätstheorie in Gleichungen und Ergebnissen viele Unendlichkeiten auf; um diese zu beherrschen, verwendet man die Mathematik der Renormierung, und meines Wissens entstehen auch Probleme beim Übergang zwischen Quantentheorie und Relativitätstheorie.
    • Ist nicht der Raum selbst das Medium der Gravitation? So wie Wasser, in dem Wellen entstehen?
    • Wir haben zwei physikalische Systeme, und man kann mit beiden Vorhersagen machen.
      Aber wir können sie nicht vollständig vereinigen.

  • Verwandte lesenswerte Artikel sind „Kerr-enhanced optical spring for next-generation gravitational wave detectors“ und „Physicists Have Figured Out a Way to Measure Gravity on a Quantum Scale“.
    Letzterer ist ein Artikel aus dem Jahr 2024 über eine supraleitende magnetische Falle aus Tantal.
    https://news.ycombinator.com/item?id=39957123
    https://news.ycombinator.com/item?id=39495482

  • Aus sehr laienhafter Sicht habe ich mich gefragt, ob man das Ereignis des Kollapses der Quantenwellenfunktion nachweisen kann.
    https://physics.stackexchange.com/questions/275556/can-you-d...

  • Ich möchte noch ergänzen, wie empfindlich LIGO ist.
    Die von LIGO detektierten Gravitationswellen entsprechen einer Messung der Distanz von der Erde bis Alpha Centauri mit einer Veränderung in der Größenordnung der Breite eines menschlichen Haares.
    Solche Technologien zielen allerdings nicht nur darauf ab, die Empfindlichkeit zu erhöhen, sondern auch darauf, verschiedene Arten von Gravitationswellen zu detektieren.
    Ich weiß nicht genau, was die Frequenz von Gravitationswellen bestimmt.
    Ehrlich gesagt verstehe ich immer noch nicht, was kosmische Expansion oder Gravitationswellen eigentlich wirklich sind, aber ich bin wohl einfach nur zu dumm, um tractor calculus zu verstehen.
    https://www.math.auckland.ac.nz/mathwiki/images/c/cf/Staffor...

    • Wenn man die Breite des vom Traktor gezogenen Pflugs oder der Sämaschine nimmt und die Länge des Feldes durch diese Breite teilt, kann man berechnen, wie oft der Traktor vor und zurück fahren muss, um das Feld vollständig zu pflügen oder zu besäen.
      Wenn sich der Traktor mit einer konstanten Geschwindigkeit V_tractor m/s bewegt, kann man aus der Breite des Pflugs oder der Sämaschine multipliziert mit der Arbeitszeit (in Sekunden) die Gesamtfläche des Feldes in m^2 bestimmen.
      Das lässt sich auch auf einen Traktor mit Geschwindigkeit V(t) erweitern, indem man die in jedem infinitesimalen Zeitintervall dt bearbeitete Fläche aufsummiert.
      Das ist der Hauptsatz der Traktorrechnung und die Grundlage der Tractor Field Theory ;)

  • Die nischigere, aber interessante Methode, die ich im Haupttext gern behandelt gesehen hätte, ist das Magnetfeld.
    Mir hat einmal ein Physikprofessor erzählt, dass Gravitationswellen in starken Magnetfeldern voraussichtlich in Photonen zerfallen.
    Damals habe ich die Mathematik bis zu einem gewissen Grad verstanden, heute wäre das nichts mehr für mich.
    Trotzdem scheint es noch immer Leute zu geben, die diese Richtung erforschen.
    https://indico.cern.ch/event/1074510/contributions/4519384/a...