GW150914 | |
LIGO-Messungen von Gravitationswellen in Livingston- (rechts) und Hanford- (links) Detektoren im Vergleich zu theoretisch vorhergesagten Werten. | |
Erkennung | |
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Datum der Entdeckung | 14. September 2015 |
Veröffentlichung der Ergebnisse | 11. Februar 2016 |
Entdeckt von | LIGO |
Daten | |
Quelle | Koaleszenz von zwei Schwarzen Löchern |
Signaldauer | 0,2 ± 0,1 s |
Rotverschiebung ( z ) | 0,09 ± 0,03 |
Gesamtenergie freigesetzt ( E rad ) | 3,0 ± 0,5 M c 2 |
GW150914 ist der Name des Signals am Ursprung der ersten direkten Beobachtung von Gravitationswellen , die am angekündigt wurde11. Februar 2016von LIGO und Virgo Laboratories . Der Nachweis erfolgte am14. September 2015bis 9 h 50 min 45 s UTC an den beiden US-Standorten LIGO in Louisiana und im US-Bundesstaat Washington in dreitausend Kilometern Entfernung.
Die Wellenform entspricht allgemeinen Relativitätsvorhersagen hinsichtlich des spiralförmigen Abfalls und der Verschmelzung eines Paares von Schwarzen Löchern und des durch das resultierende Schwarze Loch verursachten Effekts . Dies ist die erste direkte Beobachtung von Schwarzen Löchern und eine Fusion von binären Schwarzen Löchern, wodurch die Existenz eines solchen Systems demonstriert wird und dass eine solche Fusion während der Zeit von Hubble stattfinden kann . Diese Veranstaltung eröffnet die Gravitationsastronomie , einen neuen Zweig der Astronomie.
Gravitationswellen oder Gravitationswellen sind Schwingungen der Raum-Zeit- Krümmung . Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum aus (in diesem Fall ist dies sowohl ihre Phasengeschwindigkeit als auch ihre Gruppengeschwindigkeit ).
Sie wurden vorhergesagt von 1916vom Physiker Albert Einstein (1879- -1955) basierend auf seiner allgemeinen Relativitätstheorie . Zuvor hatte der Mathematiker und Physiker French Henri Poincaré (1854- -1912). Einstein und andere Physiker fragten sich sofort, ob diese Wellen eine materielle Existenz hatten oder ob es sich um reine Artefakte handelte, die sich aus der Berechnung ergaben. Einstein selbst änderte seine Meinung mehrmals zu diesem Thema.
Indirekte Beweise für die Existenz von Gravitationswellen wurden von erhalten 1974Dank der Beobachtung der Bewegung des Binärpulsar PSR B1913 + 16 , für den Russell Hulse und Joseph Hooton Taylor, Jr. die ausgezeichnet wurden Nobelpreis für Physik 1993 Binäre Systeme , wie zum Beispiel binäre schwarze Löcher , Gravitationswellen aussenden . Dies verkleinert ihre Umlaufbahn und führt zu einer spiralförmigen Abwärtsbewegung von einem zum anderen ( inspirierend ) und schließlich bei zwei Schwarzen Löchern zu deren Verschmelzung.
Das 17. März 2014Die BICEP- Kollaboration gibt bekannt, dass sie primordiale Gravitationswellen entdeckt hat. Aber die9. Februar 2016wird ihre Erkennung durch die Planck- Zusammenarbeit ungültig .
LIGO betreibt zwei Gravitationswellen-Observatorien gleichzeitig : das LIGO-Observatorium in Livingston ( 30 ° 33 ′ 46,42 ″ N, 90 ° 46 ′ 27,27 ″ W ) in Livingston , Louisiana, und das LIGO-Observatorium in Hanford am Standort Hanford ( 46 ° 27 ') 18,52 "N, 119 ° 24 '27, 56" O ) in der Nähe von Richland im Bundesstaat Washington . Diese Standorte sind 3.002 Kilometer voneinander entfernt. Die Beobachtungs vergleichen die Signale von den Laser- Interferometern . Die ersten Messungen von LIGO zwischen 2002 und 2010 ergaben keine Gravitationswelle. Es folgte eine mehrjährige Abschaltung, bei der die Detektoren durch verbesserte Versionen namens " Advanced LIGO" ersetzt wurden. Im Februar 2015 wurden die beiden fortschrittlichen Detektoren in den technischen Modus versetzt. Die formalen wissenschaftlichen Beobachtungen begannen am 18. September 2015.
Während der Entwicklung und Beobachtung der ersten Phase von LIGO fanden mehrere "Blindinjektionen" von falschen Gravitationswellensignalen statt, um die Fähigkeit der Forscher zu testen, solche Signale zu identifizieren. Um die Wirksamkeit von Blindinjektionen zu schützen, waren nur vier Wissenschaftler bei LIGO über solche Injektionen informiert, und diese Informationen wurden erst veröffentlicht, nachdem das Signal von den Forschern vollständig analysiert worden war. Ein solcher Test hatte jedoch im September 2015 nicht stattgefunden, als GW150914 entdeckt wurde.
GW150914, die nach den Anfangsbuchstaben der Worte „so genannt wird Gravitationswellen “ (englische Übersetzung von Gravitationswellen ) , gefolgt von dem Zeitpunkt der Fest, wurde von den Detektoren LIGO Hanford und Livingston beobachtet 9 h 50 min 45 s UTC auf14. September 2015. Das Signal kam von der südlichen Himmelshalbkugel (in) , im Allgemeinen in Richtung der Magellanschen Wolken (aber die Quelle befindet sich weit darüber hinaus). Das Signal dauerte mehr als 0,2 s und nahm in Frequenz und Amplitude für etwa acht Zyklen von 35 auf 150 Hz zu . Es wurde als " Zwitschern " eines Vogels beschrieben . Die Erkennung wurde innerhalb von drei Minuten nach der Signalerfassung mithilfe von Forschungsmethoden mit geringer Latenz gemeldet, die eine schnelle erste Analyse der von den Detektoren gesammelten Daten ermöglichen. Der erste Beobachter darüber zu lernen , ist ein italienischer Forscher, Marco Drago, Postdoktorand am Max-Planck - Institut für Gravitationsphysik in Hannover , Deutschland . Es wurde ursprünglich angenommen, dass das Signal nicht real war und dass es ein Testsignal war.
Eine detailliertere statistische Analyse der Daten, die für einen Zeitraum von 16 Tagen zwischen dem 12. September und dem 20. Oktober 2015 erhoben wurden, konnte ausschließen, dass GW150914 aus dem Rauschen des Experiments mit einer statistischen Signifikanz von mehr als 5, 1 σ oder ein Konfidenzintervall von 99,99998%. Das Signal wurde in Livingston sieben Millisekunden vor Hanford gesehen, was mit einer Zeit der Ausbreitung von Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit zwischen den beiden Standorten übereinstimmt .
Zum Zeitpunkt des Auftretens war der Virgo- Gravitationswellendetektor (in der Nähe von Pisa in Italien ) stationär, um seine Ausrüstung zu verbessern. Wenn es betriebsbereit gewesen wäre, wäre es wahrscheinlich empfindlich genug gewesen, um das Signal zu erkennen. GEO600 (in der Nähe von Hannover in Deutschland ) war nicht empfindlich genug, um das Signal zu erkennen. Daher konnte keiner dieser Detektoren das von LIGO gemessene Signal bestätigen.
Die Veranstaltung fand in einer Leuchtdistanz von 410 statt+160
−180mega parsecs (durch Signalamplitude bestimmt wird ) oder 1,3 ± 0,6 Billion von Lichtjahren , zu einer entsprechenden Rotverschiebung kosmologischen 0,09 0,03−0.04( 90% Konfidenzintervall ). Die Analyse des Signals durch die mutmaßliche Rotverschiebung legte nahe, dass es durch Fusion zweier Schwarzer Löcher mit jeweiligen Massen von 36 erzeugt wurde+5
−4und das 29 ± 4-fache der Sonne , was zu einem schwarzen Loch nach der Fusion von 62 ± 4 Sonnenmassen führt. Die Energiedifferenz von 3,0 ± 0,5 Sonnenmassen wurde als Gravitationswellen abgestrahlt, was mit der Masse-Energie-Äquivalenz übereinstimmt .
Der von der Gravitationswelle abgestrahlte Energiepeak mit einer Leistung von etwa 3,6 × 10 49 W war größer als die von allen Sternen im beobachtbaren Universum abgestrahlte Lichtleistung . Kip Thorne sagte: „Die Gesamtleistung, die während der kurzen Kollision in die Gravitationswellen freigesetzt wurde, war fünfzigmal größer als die Gesamtleistung, die von allen Sternen im Universum zusammen abgegeben wurde. ""
Während der Dauer des nachweisbaren Signals von 0,2 s stieg die relative Tangentialgeschwindigkeit (Orbitalgeschwindigkeit) von Schwarzen Löchern von 30% auf 60% der Lichtgeschwindigkeit . Die Umlauffrequenz von 75 Hz (die Hälfte der Frequenz der Gravitationswelle) bedeutet, dass sich Objekte in einer Entfernung von nur 350 km umkreisen, bevor sie verschmelzen. Dieser nahe Orbitalradius impliziert, dass die Objekte schwarze Löcher sein müssen, da kein anderes Paar bekannter Objekte mit diesen Massen vor dem Zusammenführen so nahe beieinander kreisen kann. Somit wäre ein Schwarzes Loch- Neutronen-Sternpaar mit einer niedrigeren Frequenz verschmolzen; Der massereichste bekannte Neutronenstern hat zwei Sonnenmassen, und wir haben eine theoretische Obergrenze von drei Sonnenmassen für einen stabilen Neutronenstern, so dass ein Paar Neutronensterne nicht genügend Masse hätte, um die Fusion zu erklären, wenn nicht exotische Alternativen existieren, wie z Boson Sterne . Für Thibault Damour - Theoretiker, der im Jahr 2000 in Zusammenarbeit mit Alessandra Buonanno (in) die Auswirkungen des beobachteten Signals vorhergesagt hat - ist die Bedeutung dieser Beobachtung, dass es "das erste Mal ist, dass wir einen direkten Beweis für die Existenz von haben." Schwarze Löcher, und vor allem, dass zwei Schwarze Löcher [...] verschmelzen können. Das ist noch wichtiger. Es verdient einen Nobelpreis vor allem für die Entdeckung der beiden schwarzen Löcher“ .
Der Abfall der Wellenform nach dem Peaking stimmte mit den gedämpften Schwingungen der Expansion eines Schwarzen Lochs in Richtung einer endgültigen Fusionskonfiguration überein. Obwohl die Wirbelbewegung beim Starten der Signalanalyse gut beschrieben werden kann, kann der Schmelzschritt im Bereich eines starken Gravitationsfeldes nur im allgemeinen Fall durch groß angelegte Simulationen (in) gelöst werden .
Das Post-Fusionsobjekt wird als ein sein Kerr schwarzes Loch (d.h. Drehen) mit einem Spin - Parametern von 0,67 +0,05−0.07.
Gravitationswellendetektoren überwachen den gesamten Himmel, ohne den räumlichen Ursprung der Signale bestimmen zu können. Ein Netzwerk von Instrumenten wird benötigt, um den Ort des Ereignisses am Himmel zu rekonstruieren. Wenn sich nur die beiden LIGO- Instrumente im Beobachtungsmodus befinden, kann der Ort der Quelle von GW150914 nur mit einem bananenförmigen Bereich rekonstruiert werden. Dies erfolgte mit der Analyse der Zeitverzögerung von 6,9 + 0,5−0.4 ms unter Berücksichtigung der Amplituden- und Phasenkohärenz zwischen den beiden Detektoren. Diese Analyse ergab eine glaubwürdige Region von 140 ° 2 (50% Wahrscheinlichkeit) oder 590 ° 2 (90% Wahrscheinlichkeit), die sich hauptsächlich in der südlichen Himmelshalbkugel (in) befindet .
Dieser Bereich des Himmels wurde durch nachfolgende Beobachtungen im Bereich der Funk-, optischen, nahen Infrarot-, Röntgen- und Gammawellenlängen sowie durch die Suche nach zusammenfallenden Neutrinos ins Visier genommen .
Elektromagnetische VerfolgungDas Teleskop Gamma Burst Monitor Das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop detektierte einen schwachen Gammastrahlen-Burst über 50 keV , beginnend 0,4 s nach dem von LIGO detektierten Ereignis und mit einem Unsicherheitsbereich, der mit der Beobachtung von LIGO übereinstimmt. Es wurde berichtet, dass die beiden Beobachtungen mit einer Fehlalarmwahrscheinlichkeit von 0,0022 korreliert waren. In Kombination reduzieren die beiden Beobachtungen das 90% -Konfidenzintervall von 601 auf 199 Quadratgrad.
Beobachtungen mit dem INTEGRAL- Teleskop über das SPI-ACS-Ganzhimmelinstrument zeigen jedoch, dass die vom Ereignis in Form von harten Röntgen- und Gammastrahlen emittierte Energiemenge weniger als einen Teil pro Million beträgt die Form der Gravitationswellen. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass "diese Grenze die Möglichkeit ausschließt, dass das Ereignis direkt mit erheblicher Gammastrahlung verbunden ist, die auf den Beobachter gerichtet ist" .
Beobachtungen mit dem SWIFT -Weltraumteleskop von Galaxien in der Nähe der Detektionsregion zwei Tage nach dem Ereignis ergaben keine neuen Quellen für Röntgenstrahlen , sichtbares Licht oder ultraviolettes Licht.
DiskussionDas 24. Februar 2016, Abraham Loeb veröffentlicht ein Artikel auf arXiv , in dem er ein Szenario beschreibt, das die Beobachtung dieser Gravitationswellen durch erklären könnte LIGO und der möglichen Gammastrahlenausbruch durch das beschmutzte Fermi Weltraumteleskop , wenn seine astrophysikalischen Herkunft bestätigt wurde. Loeb vermutet, dass in einem sehr massiven, schnell rotierenden Stern mit einer Masse, die größer als das 100-fache der Sonne ist, die während seines Zusammenbruchs ausgeübte Zentrifugalkraft zur Bildung eines rotierenden Balkens führen würde, dann zwei Massen, die an seinen Enden dicht sind (was die ganz eine Hantelform) und schließlich ein paar schwarze Löcher. Eine "klassische" Fusion von Schwarzen Löchern sollte keine elektromagnetischen Emissionen erzeugen, aber in diesem Szenario könnte Materie, die sich um das letzte Schwarze Loch angesammelt hat, den Gammastrahlenausbruch erklären, der eine Sekunde dauert und 0,4 Sekunden nach der von Fermi detektierten Gravitationswelle entdeckt wird .
Zufällige Neutrinos findenDie Suche nach übereinstimmenden Neutrinos wurde mit den Teleskopen ANTARES und IceCube durchgeführt . Die Fusion von zwei Schwarzen Löchern kann tatsächlich elektromagnetische Emissionen und hochenergetische Neutrinos erzeugen, falls die Fusion in einer Umgebung stattfindet, die in Baryonenmaterie ausreichend dicht ist und ein Schwarzloch- Akkretionsscheibensystem gebildet wird. Das ANTARES-Teleskop hat innerhalb eines Fensters von ± 500 Sekunden vor und nach GW150914 kein Neutrino-Kandidaten festgestellt. Das IceCube-Teleskop detektierte drei Neutrinos im gleichen Zeitintervall. Ein Ereignis wurde als von der südlichen Hemisphäre stammend und zwei als von der nördlichen Hemisphäre stammend identifiziert. Dies steht im Einklang mit dem Grad der Hintergrundgeräuscherkennung. Keiner der Kandidaten ist mit der 90% -Konfidenzzone kompatibel. Obwohl keine Neutrinos nachgewiesen wurden, konnte aufgrund der fehlenden Beobachtung eine Grenze für die Anzahl der Neutrinos festgelegt werden, die während dieser Art von astrophysikalischem Ereignis emittiert wurden.
Die Ankündigung der Entdeckung erfolgte am 11. Februar 2016 auf einer Pressekonferenz in Washington, DC, von David Reitze, dem CEO von LIGO, in Begleitung von Spezialisten wie Gabriela González von der University of Louisiana, Rainer Weiss vom MIT und Kip Thorne von Caltech . Weitere Pressekonferenzen fanden gleichzeitig auf der ganzen Welt statt, beispielsweise bei EGO, Cascina in Italien und in der CNRS- Zentrale in Paris [1] .
Der ursprüngliche Ankündigungsartikel wurde während der Pressekonferenz in Physical Review Letters veröffentlicht , zusammen mit anderen Artikeln, die kurz danach veröffentlicht wurden oder sofort zum Vorabdruck verfügbar sind (siehe LIGO Open Science Center und Vorabdrucke auf ArXiv ). Die Entscheidung, die Ergebnisse in Physical Review Letters anstatt in Nature oder Science zu veröffentlichen, wurde von LIGO während einer Abstimmung getroffen. Physical Review Briefe mit großer Stimmenmehrheit.
Zusätzlich zur Pressekonferenz präsentierte Barry Barish der physischen Gemeinschaft am CERN in der Nähe von Genf in der Schweiz die wissenschaftliche Entdeckung .
Im Mai 2016 erhielt die gesamte Zusammenarbeit und insbesondere Ronald Drever (in) , Kip Thorne und Rainer Weiss den Grundpreis für Physik zur Beobachtung von Gravitationswellen. Drever, Thorne, Weiss und das LIGO- Team erhielten außerdem den Peter-Gruber-Preis für Kosmologie . Drever, Thorne und Weiss wurden auch mit dem Shaw-Preis für Astronomie 2016 und dem Kavli-Preis für Astrophysik 2016 ausgezeichnet . Barish wurde 2016 von der Italienischen Gesellschaft für Physik (it) (Società Italiana di Fisica) mit dem Enrico-Fermi-Preis ausgezeichnet . Im Januar 2017 erhielten die Sprecherin von LIGO , Gabriela González , und das LIGO-Team 2017 den Preis Bruno Rossi .
Im Jahr 2017 der Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde an Rainer Weiss , Barry Barish und Kip Thorne „für ihre entscheidenden Beiträge zum LIGO - Detektor und die Beobachtung von Gravitationswellen“.
Angesichts der Brillanz dieser Detektion erwarten die Forscher, dass sie im ersten Betriebsjahr der Detektoren von Advanced LIGO die erste einer Reihe anderer Detektionen sein wird . Während der nächsten Beobachtungskampagne ist geplant, fünf weitere Schwarzlochfusionen vom Typ GW150914 und jedes Jahr vierzig binäre Sternfusionen mit einer unbekannten Anzahl von Gravitationswellenquellen zu entdecken , von denen einige vom Strom nicht vorhergesehen werden können Theorien. Geplante Verbesserungen hoffen, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verdoppeln und damit das Raumvolumen, in dem Ereignisse wie GW150914 erkannt werden können, um den Faktor zehn zu erhöhen. Darüber hinaus werden Advanced Virgo, KAGRA und ein möglicher dritter LIGO-Detektor in Indien das Netzwerk erweitern und die Positionsrekonstruktion und die Schätzung der Quellparameter erheblich verbessern.
Die Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) ist eine vorgeschlagene Mission zur Detektion von Gravitationswellen im Weltraum. Der von eLISA gebotene Empfindlichkeitsbereich würde es ermöglichen, binäre Systeme wie GW150914 etwa tausend Jahre vor ihrer Verschmelzung zu erkennen. Ein solches Observatorium würde eine bisher unbekannte Klasse von Quellen liefern und könnte sie bis zu einer Entfernung von etwa zehn Megaparsecs erfassen.
Die grundlegenden Eigenschaften Masse und Spin des Schwarzen Lochs nach der Fusion waren gemäß den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie mit denen der beiden Schwarzen Löcher vor der Fusion kompatibel. Dies ist der erste Test der allgemeinen Relativitätstheorie im Starkfeldregime . Es konnten keine Beweise aufgestellt werden, die die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie in Frage stellen.
Nach der Ankündigung der Entdeckung sagte Thibault Damour :
"Dies ist der [...] Beweis für die Dynamik der Raumzeit, wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, was eine Bestätigung von Einsteins Theorie auf einem unerreichten Niveau ist. ""
Die Massen der beiden Schwarzen Löcher vor der Fusion liefern Informationen über die Sternentwicklung . Beide Schwarzen Löcher waren massiver als zuvor entdeckte stellare Schwarze Löcher , was aus binären X- Beobachtungen abgeleitet wurde . Dies impliziert, dass die Sonnenwinde, die von ihrem Stern kommen, relativ schwach sein müssen und daher ihre Metallizität (Anteil der Masse chemischer Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind ) schwächer sein muss als etwa die Hälfte der Masse. Sonnenwert.
Die Tatsache , dass die beiden vorge Fusion Schwarze Löcher in einem vorhanden waren als Doppelsternsystem auch die Tatsache , dass das System kompakt genug war , in der Zeit des Universums Alter schränkt entweder die Entwicklung von Doppelsternen oder fusionieren dynamische Bildung Szenarien , je darüber, wie das binäre Schwarze Loch gebildet wurde. Die Geschwindigkeit, die ein Schwarzes Loch während seiner Bildung während des Zusammenbruchs des Kerns einer Supernova ( Geburtskick (en) ) erreicht, ist nicht immer hoch. Andernfalls wären binäre Systeme betroffen, in denen sich eine Supernova in ein Schwarzes Loch verwandelt. Schwarze Löcher in Kugelhaufen hätten eine Geschwindigkeit, die die Geschwindigkeit der Freisetzung des Clusters überschreitet, und würden ausgeworfen, bevor sie durch dynamische Interaktion ein binäres System bilden könnten .
Die Entdeckung der Fusion selbst erhöht die Untergrenze für die Häufigkeit solcher Ereignisse und lehnt einige theoretische Modelle ab, die Raten unter 1 Gpc −3 a −1 vorhersagten . Die Analyse führte zu einer Absenkung der Obergrenze der Häufigkeit des Auftretens von Ereignissen ähnlich GW150914 von etwa 140 Gpc −3 a −1 auf 17+39
−13Gpc −3 a −1 .
Das Graviton ist ein hypothetisches Elementarteilchen , das mit der Schwerkraft verbunden ist, und wäre masselos, wenn die Schwerkraft, wie wir denken, einen unendlichen Bereich hat; Je massiver ein Messboson ist , desto kürzer ist der Bereich der zugehörigen Kraft. Der unendliche Lichtbereich ist die Folge der Tatsache, dass das Photon keine Masse hat. Unter der Annahme, dass das Graviton tatsächlich das Messboson der zukünftigen Quantentheorie der Schwerkraft ist , impliziert der unendliche Bereich der Schwerkraft, dass das hypothetische Graviton auch masselos wäre. Die Beobachtungen von GW150914 verbessern die Obergrenze der Gravitonenmasse signifikant auf 2,16 × 10 –58 kg (was 1,2 × 10 –22 eV c –2 oder einer größeren Compton-Wellenlänge entspricht, indem sie um den Faktor drei verringert werden) als 10 13 km oder etwa ein Lichtjahr ).