Erstmals beobachtete Monster-Gravitationswellen

 (nature.com)
2 Punkte von GN⁺ 2023-06-30 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Ein Nature-Beitrag berichtet, dass erstmals deutlich größere „Monster“-Gravitationswellen erfasst wurden, was der Beobachtung von Gravitationswellen erneut Aufmerksamkeit verschafft.
  • Der veröffentlichte kurze Text formuliert es als „Gravitational waves are back, and they’re bigger than ever“ und stellt die Veränderung der Größenordnung als Kernaussage heraus.
  • Der Beitrag erschien in Nature 619, S. 13–14, die DOI lautet 10.1038/d41586-023-02167-7.
  • In den Literaturangaben sind Forschungsarbeiten zu Gravitationswellen von Agazie, Antoniadis, Reardon, Xu und weiteren aus dem Jahr 2023 enthalten.
  • Allein anhand des bereitgestellten Textes lassen sich Beobachtungsmethode, eingesetzte Geräte, Analysedaten und wissenschaftliche Interpretation nur schwer nachvollziehen.

Inhalte, die aus Titel und freigegebenem Satz hervorgehen

  • Der Titel lautet „Monster gravitational waves spotted for first time“ und stellt die erste Beobachtung von Monster-Gravitationswellen in den Mittelpunkt.
  • Der einzige freigegebene eigentliche Satz des Textes lautet „Gravitational waves are back, and they’re bigger than ever“ und betont damit, dass Gravitationswellen wieder im Fokus stehen und größer sind als je zuvor.

Bibliografische Angaben und der überprüfbare Umfang

  • Der Beitrag ist in Nature 619, S. 13–14, erschienen, die DOI lautet 10.1038/d41586-023-02167-7.
  • In den Literaturangaben sind die folgenden Studien aus dem Jahr 2023 enthalten
    • Agazie et al., Astrophys. J. 951, L8
    • Antoniadis et al., arXiv preprint 2306.16214
    • Reardon et al., Astrophys. J. 951, L6
    • Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024
  • Der bereitgestellte Text enthält keine konkreten Informationen zu Beobachtungsverfahren, Detektionsgeräten, Signalmerkmalen oder wissenschaftlicher Interpretation.

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2023-06-30
Hacker-News-Kommentare

  • Moderne Physik und Ingenieurskunst wirken im positiven Sinne ziemlich absurd. Ich dachte auch, LIGO würde niemals funktionieren, und selbst als es einen Nachweis gab, fragte ich mich, ob das nicht nur ein selbstreferenzieller Irrweg sei. Inzwischen ist aber durch Nachweise mehrerer Einrichtungen und die Korrelation mit Lichtbeobachtungen von Neutronenstern-Verschmelzungen der Beleg, dass die Daten echt sind, fast unanfechtbar.
    Danach hörte ich von LISA: Das Grundkonzept ist ähnlich, aber man baut es im Weltraum, und die Sonden halten ihre Formation und schießen sich über 2,5 Millionen km hinweg Laserstrahlen zu. Das klang wie ein verrückter Plan. Aber offenbar hat der Konzeptnachweis Pathfinder funktioniert, und jetzt wird das echte System gebaut; selbst mit dem Zieljahr 2037 ist das erstaunlich.
    Als ich dieses Projekt vor ein paar Jahren in einem Spacetime-Video gesehen habe, dachte ich noch, das würde wegen des vielen Rauschens nie klappen, aber inzwischen wirkt es so, als könnte es tatsächlich gelungen sein. Wenn Physiker jetzt sagen, etwas sei möglich, höre ich selbst dann genauer hin, wenn es völlig unmöglich aussieht.

    • Diese Entdeckung wurde tatsächlich nicht mit LIGO oder einem anderen beeindruckenden physikalisch-technischen Gerät gemacht, sondern durch die Beobachtung von Neutronensternen und das Finden von Mustern in unerwarteten Störungen.
      Die Rotation von Neutronensternen ist so konstant, dass sie zur Kalibrierung von Atomuhren verwendet wird[0], aber einige zeigten Glitches, die nicht den Erwartungen entsprachen, und diese Glitches waren untereinander konsistent. Wie sich herausstellte, waren es keine Glitches, sondern gewaltige Gravitationswellen, die die Raumzeit verzerrten.
      [0] https://gizmodo.com/scientists-use-spinning-neutron-stars-to...
    • Solche Geräte brauchen lange bis zur Fertigstellung. Mein Physikprofessor David Blair skizzierte um 1980 LIGO und andere Detektordesigns und hielt auch fest, welche Technologien erst noch entwickelt werden mussten, um dorthin zu gelangen.
      Große Finanzierung und Großbauten konzentrieren sich heute zwar meist in den USA, aber das Zentrum eines Imperiums verschiebt sich über lange Zeiträume, und Ideen kommen aus der ganzen Welt.
      https://www.uwa.edu.au/Profile/David-Blair
    • Wenn dir LISA schon verrückt vorkommt, solltest du dieses Spacetime-Video sehen: https://www.youtube.com/watch?v=4d0EGIt1SPc
      Das ist noch einmal eine ganz andere Größenordnung an Wahnsinn.
    • Wenn dich die Material-, Mess- und Raumfahrtingenieur-Herausforderungen zur Überprüfung der Gravitationstheorie mehr interessieren, schau dir Gravity Probe B an[1]. Das war ein über 40 Jahre dauernder Aufwand, und das Ergebnis vorweg: Der geodätische Effekt und der Frame-Dragging-Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie wurden bestätigt.
      [1] https://einstein.stanford.edu/TECH/technology1.html

  • Ich frage mich, wie es aussehen würde, wenn eine solche Welle uns durchquert. Würden sich Teilchen wie bei Schall verdichten und ausdehnen und Moleküle vorübergehend in eine „nach unten“ gerichtete Richtung neu ausrichten, also ganz leicht weg vom Massenschwerpunkt der Erde?
    Ich frage mich auch, ob man solche Wellen als sehr flache Sinuswellen ansehen kann. Umgekehrt: Könnte es auch so etwas wie rechteckige Gravitationswellen mit großer Amplitude geben? Was würde mit einem Objekt passieren, durch das so etwas hindurchgeht?

    • Im Grunde ja. Gravitationswellen haben eine Ausbreitungsrichtung, zum Beispiel die z-Achse, und wenn Teilchen in der dazu senkrechten x-y-Ebene einen Kreisring bilden, dann werden sie zu einem bestimmten Zeitpunkt in x-Richtung zusammengedrückt und in y-Richtung gedehnt.
      Wenn die Welle vorbeizieht und sich vom Wellenberg zum Wellental bewegt, kehrt sich die Richtung um: In x-Richtung wird gedehnt und in y-Richtung zusammengedrückt. Mit Dehnung und Stauchung sind hier zusätzliche momentane positive bzw. negative Beschleunigungen gemeint, die auf die viel stärkere Hintergrund-Gravitationsfeldbeschleunigung der Erde aufgesetzt sind.
      Eine Visualisierung gibt es hier: https://www.researchgate.net/publication/313828462/figure/fi...
      So wie ein Kind die Amplitude einer Sinusbewegung auf einer Schaukel vergrößern kann, indem es seine Beine im Takt der Resonanzfrequenz bewegt, kann auch eine sehr schwache Gravitationswelle einen Ringoszillator anregen, wenn sie zur Resonanzfrequenz des Rings passt.
      Eine exakte rechteckige Gravitationswelle ist wie bei elektromagnetischen Wellen unmöglich, weil an den Kanten unendliche Energie nötig wäre. Prinzipiell könnte man sie annähern, aber die Raumzeit ist extrem steif, und bekannte reale Quellen scheinen sehr glatte Wellen zu erzeugen. Selbst die heftigsten Ereignisse sind Verschmelzungen bereits existierender Schwarzer Löcher und fast immer das Ergebnis einer glatten spiralförmigen Annäherung, nicht eines scharfen Zusammenstoßes.
      Das „Chirp“-Signal im LIGO-Detektor sieht so aus: https://www.youtube.com/watch?v=TWqhUANNFXw
      Der Effekt einer Rechteckwelle wäre wie zu erwarten eher ein einzelner harter Stoß, ähnlich wie bei elektromagnetischen Wellen, statt einen Oszillator sanft hochzuschaukeln.
    • Ich würde empfehlen, sich Experimente ähnlich LIGO anzusehen. Diese verwenden Laserinterferometer, um den Abstand zwischen zwei Punkten mit extrem hoher Präzision zu messen. Laut der Erklärung auf der LIGO-Website dehnen Gravitationswellen den Raum selbst in einer Richtung und stauchen ihn gleichzeitig in der senkrechten Richtung.
      Bei LIGO wird dadurch ein Arm des Interferometers länger und der andere kürzer; während die Welle vorbeizieht, kehrt sich das dann immer wieder um. Der Fachbegriff für diese Bewegung ist „Differential Arm“-Bewegung, also eine differentielle Verschiebung, bei der die Arme gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen ihre Länge ändern.
      Wenn sich die Armlängen ändern, ändert sich auch die Strecke, die jeder Laserstrahl zurücklegt. Der Strahl im kürzeren Arm kehrt vor dem Strahl im längeren Arm zum Strahlteiler zurück, und während die Welle vorbeizieht, wechselt jeder Arm zwischen dem kürzeren und dem längeren Arm. Wenn sie am Strahlteiler wieder zusammengeführt werden, passen die Lichtwellen nicht mehr sauber zusammen, ihre Phase ist verschoben, und während die Welle vorbeizieht, wechselt das System zwischen Ausrichtung und Nichtausrichtung.
      https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer
      https://en.wikipedia.org/wiki/LIGO
    • Es ist weniger so, dass man ein etwas anderes „Unten“ sehen würde, sondern eher so, dass sich der Raum selbst verändert und dadurch Abstände wie der zwischen Kopf und Füßen minimal anders werden.
    • Die Formulierung „sichtbar“ passt hier nicht ganz. Im Grunde wird die gesamte Raumzeit gedehnt und geriffelt, daher ist es nicht etwas, das man tatsächlich mit den Augen sieht.
    • Die Gravitationswellen, die wir nachweisen, sind Transversalwellen. Longitudinale Gravitationswellen wurden vorgeschlagen, verworfen und später wieder vorgeschlagen, aber ich weiß nicht genau, welchen theoretischen Status sie derzeit haben.

  • Wenn du einen einfacheren Überblick möchtest, sieh dir diesen Bericht an:
    In a major discovery, scientists say space-time churns like a choppy sea
    https://www.washingtonpost.com/science/2023/06/28/gravitatio...
    Archivversion: https://archive.is/AmRvg

    • Dieser WaPo-Artikel wurde gestern auch auf HN behandelt[0]. Die meisten Kommentare drehten sich allerdings darum, dass die Qualität der Berichterstattung miserabel sei.
      [0] https://news.ycombinator.com/item?id=36514521
    • Ich frage mich, was wäre, wenn man große Bereiche des Raums „überspringen“ könnte, indem man den Raumzeit-Potenzialunterschied zwischen Gravitationsbereichen nutzt. Man bräuchte eine sehr präzise Gravitationskarte, könnte aber wohl auch einen enormen Gravitationspotenzial-Boost bekommen.

  • Die Bitte war, es so zu erklären, als wäre ich fünf. Ich habe gelernt, dass alle Objekte wegen der Gravitationskonstante mit derselben Geschwindigkeit fallen.
    Wenn es solche Wellen gibt, heißt das dann, dass Objekte mit ganz leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit fallen? Je nach Größe der Welle so, dass ein Zug in entgegengesetzte Richtungen entsteht und die Konstante leicht abweicht?
    Und leicht am Thema vorbei, aber verwandt: Wenn alle Objekte je nach ihrer Masse Gravitation haben, würde dann ein großes Objekt, zusätzlich dazu, dass die Erde es anzieht, auch selbst die Erde anziehen und deshalb ganz leicht schneller fallen als ein kleines Objekt?

    • Gravitationswellen krümmen die Raumzeit. Dadurch wird die Entfernung zwischen zwei Punkten ganz leicht größer oder kleiner.
    • Nein, Gravitationswellen beeinflussen das Äquivalenzprinzip nicht und verändern auch nicht die Gravitationskonstante. Eine Gravitationswelle ist die Ausbreitung einer Änderung in der Geometrie der Raumzeit, und frei fallende Objekte zeigen diese Änderung der Raumzeit-Geometrie durch Änderungen ihrer Relativbewegung.
    • Beide Fragen hängen davon ab, wie man Geschwindigkeit definiert. Üblicherweise versteht man darunter die erste Ableitung der Position oder den Quotienten aus Strecke und Zeitintervall, aber dafür muss man festlegen, wie Strecke und Zeitintervall definiert und gemessen werden und welches Bezugssystem man verwendet.
      Außerdem ist die Aussage, dass Objekte im Vakuum mit derselben Geschwindigkeit fallen, ein verbreitetes Missverständnis. Oft wird argumentiert, dass sich die Masse eines Objekts auf beiden Seiten der Gleichung herauskürzt, oder dass auch zwei Hälften eines geteilten Objekts nicht langsamer fallen würden.
      Die Antwort lautet: Wenn alle Objekte dieselbe Größe haben und dieselbe Entfernung und Masse relativ zu einem Referenzobjekt haben, normalerweise der Erde, und alle aus dem Stillstand ohne Relativgeschwindigkeit starten, dann erfahren schwere und leichte Objekte dieselbe Beschleunigung. Das schwerere Objekt kollidiert aber früher. Kann man das als „schneller gefallen“ bezeichnen?

  • Wie ein Kommentar unten freundlicherweise erklärt hat, scheint die Antwort auf diese Frage im aktuellen Modell „nein“ zu sein: https://www.youtube.com/watch?v=QMFLcmsjOBg
    Das ist zwar nicht mein Fachgebiet, aber gibt es nicht Theorien, nach denen man Überlichtgeschwindigkeit erreichen kann, indem man die Raumzeit um ein Raumschiff herum krümmt, statt das Raumschiff durch den Raum zu schieben?
    Ich möchte betonen, dass das reine Spekulation ist, aber könnten solche Gravitationswellen vielleicht die „Wellen im Kielwasser“ von Überlichtreisen sein, so wie ein Schiff auf dem Wasser hinter sich Wellen hinterlässt?

    • PBS Spacetime hat dazu gerade eine aktuelle Episode veröffentlicht: https://www.youtube.com/watch?v=QMFLcmsjOBg
      Das Video sagt, dass Überlicht-Modelle, die die Raumzeit krümmen, keine solchen Wellen im Kielwasser erzeugen. Wenn allerdings ein wirklich riesiges Raumschiff sehr schnell beschleunigen würde, dann könnte man diese Wellen möglicherweise nachweisen.
    • Während die ursprüngliche Entdeckung Wellen aus der Kollision und Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Sternmasse erfasste, scheint die wahrscheinlichste Quelle dieser Entdeckung das aufsummierte Signal viel größerer Schwarzer-Loch-Paare zu sein, die sich langsam umeinander drehen, in den Zentren ferner Galaxien — also Schwarze Löcher mit Millionen bis Milliarden Sonnenmassen.
      Diese Wellen sind tausendfach stärker und länger als die 2015 entdeckten, und ihre Wellenlänge kann Dutzende Lichtjahre betragen. Dagegen sind die Wellen, die seit 2015 mit Interferometern nachgewiesen wurden, nur einige Dutzend bis einige Hundert km lang.
      Man scheint also ziemlich gut zu wissen, woher sie kommen. In der Schiff-Analogie wäre es eher so, dass man riesige natürliche Dünungswellen im Ozean beobachten kann, aber die Spur eines Schiffs, das den Ozean überquert, nicht bemerkt.
    • Solche Theorien gibt es. Aber damit sie funktionieren, braucht man eine lange Liste unmöglicher Dinge.
      Innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es gültige Lösungen, in denen sich ein Objekt in einer Art Tasche der Raumzeit befindet und die umgebende Raumzeit so gekrümmt ist, dass sich effektiv nicht das Objekt bewegt, sondern der Raum.
      Um eine solche Raumzeit-Anordnung zu erzeugen, braucht man jedoch Bedingungen, die unmöglich sind oder deren Existenz unbekannt ist, oder Größenordnungen wie die gesamte Energie des Universums.
      Außerdem gibt es keine bekannte gültige Lösung für den Übergang von normalem Raum in diese spezielle Raumzeit-Anordnung. Wenn so etwas also existieren soll, müsste es immer schon so existiert haben.
      Unterm Strich bin ich ziemlich sicher, dass das in der Praxis nicht möglich ist, aber falls doch, weiß man immerhin, wo man suchen und welche Probleme man lösen müsste. Gelegentlich erscheint auch mal eine Arbeit, die einen Teil dieser Liste von Unmöglichkeiten entfernt.
      Es ist eher eine Kategorie von „unwahrscheinlich, aber vielleicht irgendwann irgendwie“.
    • Die beteiligten Energien sind jenseits jeder Vorstellung. Das ist ungefähr so, als würde man von einem Tsunami getroffen und sich fragen, ob ein Kreuzfahrtschiff die Ursache war. Nur auf galaktischer Skala.
    • In Futurama gab es dazu auch so eine Folge. „Jetzt verstehe ich, wie der Motor funktioniert. Ich habe im Traum daran gedacht. Der Motor bewegt das Schiff überhaupt nicht. Das Schiff bleibt da, wo es ist, und der Motor bewegt das Universum darum herum.“ — Cubert Farnsworth
      https://futurama.fandom.com/wiki/Dark_Matter_Engine
      https://www.youtube.com/watch?v=1RtMMupdOC4

  • Ich glaube, den Kern dieser Studie verstehe ich. Pulsare senden Radiowellen mit einer konstanten Frequenz aus, daher kann man, wenn man die empfangenen Radiowellen von Pulsaren auf einer Kugel um uns herum überwacht, korrelierte Anomalien in der Frequenz messen und daraus schließen, dass riesige Gravitationswellen, die praktisch die Form des Übertragungsmediums verändert haben, die Ursache sind.
    Aber dabei misst man nicht die Gravitationswellen selbst, sondern Veränderungen in der Bahn des Radiosignals, das auf diesen Wellen „reitet“. In der Meeres-Analogie wäre es so, als gäbe es um uns herum Geschütztürme, die in alle Richtungen in festen Abständen Pfeile abschießen, und wir würden die Ankunftszeit dieser Pfeile messen, um daraus auf die Größe der Wellen auf ihrem Weg zu schließen. Man sieht also nicht die Wellen selbst, sondern nur die Pfeile.
    Deshalb frage ich mich, wie man viele kleine Wellen, die sich zum gleichen Effekt wie eine einzige große Welle überlagern, wirklich voneinander unterscheiden kann. Anders gesagt: Man weiß zwar, dass irgendeine Wellenform den Geschwindigkeitsvektor des Radiosignals verändert hat, aber wenn es mehrere mögliche Wellenanordnungen gibt, die dieselbe Signaländerung erzeugen könnten, wie wählt man dann die richtige aus?

    • Allein mit dem Timing eines einzelnen Pulsars lässt sich eine Gravitationswelle nicht zuverlässig genug nachweisen. Deshalb überwacht jede Kollaboration Dutzende Pulsar-Arrays.
      Dabei haben sie ein charakteristisches Muster gefunden, die Hellings–Downs-Kurve, die vorhersagt, wie sich die Korrelation zwischen Pulsar-Paaren in Abhängigkeit vom Winkelabstand am Himmel verändert, wenn Gravitationswellen aus allen möglichen Richtungen kommen.
      Ich weiß nicht, ob das die Frage direkt beantwortet, aber ich verstehe es so, dass man die Ergebnisse aller möglichen Effekte simuliert und dann schaut, was mit den Daten korreliert. Wenn also mehrere Ursachen denselben Effekt erzeugen, dürfte es schwer sein, sie zu unterscheiden.

  • Der Quanta-Magazine-Artikel ist ebenfalls lesenswert: https://www.quantamagazine.org/an-enormous-gravity-hum-moves...

  • Eine hervorragende Erklärung für Laien:
    https://www.reddit.com/r/space/comments/14lpjnx/scientists_h...

  • Solche „Monster“-Gravitationswellen wurden offenbar durch die Berechnung von Unterschieden im Pulsar-Timing „eingefangen“. Im Artikel gab es nicht so viele Informationen wie erwartet, aber gab es unter diesen Wellen auch welche, die mit LIGO detektiert oder bestätigt wurden?

    • Die Wellenlänge ist für LIGO zu groß. Die Wellenmessung erfolgte durch den Abgleich von Korrelationen in Daten, die von mehreren Pulsaren gesammelt wurden.
      https://arstechnica.com/science/2023/06/nanograv-picks-up-si...
    • So wie ich es verstanden habe, ist LIGO zu klein, um solche Wellen zu detektieren, deshalb verwendet man Pulsar-Timing
    • Wie andere schon gesagt haben, ist LIGO im Vergleich zur Wellenlänge dieser Gravitationswellen viel zu klein. Außerdem wäre bei einem bodengebundenen Detektor selbst dann, wenn LIGO extrem lang wäre, bei so niedrigen Frequenzen technisches Rauschen wie seismisches Rauschen, Rauschen aus den Kontrollsystemen und Gravitationsgradientenrauschen sehr groß

  • Vielleicht eine dumme Frage, aber könnte man theoretisch auf Gravitationswellen surfen? Auf der Erde natürlich nicht, aber vielleicht in der Nähe von Doppel-Schwarzen Löchern? Mit dem Gummituch-Bild davon, wie Gravitation die Raumzeit krümmt, wirkt Surfen möglich