Der Gravitationswellendetektor LIGO ist endlich wieder online mit spannenden Upgrades, die ihn deutlich empfindlicher machen

Neuauflage von Plato

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Nach einer dreijährigen Pause haben Wissenschaftler in den USA gerade Detektoren in Betrieb genommen, die dazu in der Lage sind Messung von Gravitationswellen– winzige Wellen hinein Raum selbst, die durch das Universum reisen.

Im Gegensatz zu Lichtwellen sind Gravitationswellen nahezu unsichtbar ungehindert durch Galaxien, Sterne, Gas und Staub die das Universum erfüllen. Das bedeutet, dass durch die Messung von Gravitationswellen Astrophysiker wie ich können Sie direkt in das Herz einiger der spektakulärsten Phänomene im Universum blicken.

Seit 2020 ist das Laser Interferometrische Gravitationswellen-Observatorium – allgemein bekannt als LIGO– hat geruht, während es einige aufregende Verbesserungen erfahren hat. Diese Verbesserungen werden erhöhen die Empfindlichkeit erheblich von LIGO und sollte es der Einrichtung ermöglichen, weiter entfernte Objekte zu beobachten, die kleinere Wellen erzeugen Freizeit.

Durch die Entdeckung weiterer Ereignisse, die Gravitationswellen erzeugen, ergeben sich für Astronomen mehr Möglichkeiten, auch das von denselben Ereignissen erzeugte Licht zu beobachten. Eine Veranstaltung sehen über mehrere Informationskanäle, ein Ansatz namens Multi-Messenger-Astronomie, liefert Astronomen seltene und begehrte Gelegenheiten etwas über Physik zu lernen, die weit über den Bereich von Labortests hinausgeht.

Ein Diagramm, das den sich verzerrenden Raum von Sonne und Erde zeigt. — Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verzerren massereiche Objekte den Raum um sie herum. Bildnachweis: vchal/iStock über Getty Images

Wellen in der Raumzeit

Laut Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, Masse und Energie verzerren die Form von Raum und Zeit. Die Krümmung der Raumzeit bestimmt, wie sich Objekte im Verhältnis zueinander bewegen – was Menschen als Schwerkraft empfinden.

Gravitationswellen entstehen, wenn massive Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne verschmelzen miteinander, was zu plötzlichen, großen Veränderungen im Raum führt. Der Prozess der Raumkrümmung und -biegung sendet Wellen durch das Universum wie ein Winke über einen stillen Teich. Diese Wellen breiten sich aus einer Störung in alle Richtungen aus, verbiegen dabei den Raum geringfügig und verändern den Abstand zwischen Objekten auf ihrem Weg ganz geringfügig.

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Auch wenn an den astronomischen Ereignissen, die Gravitationswellen erzeugen, einige der massereichsten Objekte im Universum beteiligt sind, ist die Ausdehnung und Kontraktion des Raums verschwindend gering. Eine starke Gravitationswelle, die die Milchstraße durchquert, verändert möglicherweise den Durchmesser der gesamten Galaxie nur um drei Fuß (einen Meter).

Die ersten Gravitationswellenbeobachtungen

Obwohl Einstein erstmals 1916 vorhersagte, hatten Wissenschaftler dieser Zeit wenig Hoffnung, die winzigen Abstandsänderungen zu messen, die in der Theorie der Gravitationswellen postuliert wurden.

Um das Jahr 2000 stellten Wissenschaftler des Caltech, des Massachusetts Institute of Technology und anderer Universitäten auf der ganzen Welt die Konstruktion des im Wesentlichen präzisesten Lineals fertig, das jemals gebaut wurde:LIGO.

Eine L-förmige Anlage mit zwei langen Armen, die von einem zentralen Gebäude ausgehen. — Der LIGO-Detektor in Hanford, Washington, misst mithilfe von Lasern die winzige Ausdehnung des Weltraums, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird. Bildquelle: LIGO-Labor

LIGO besteht aus zwei separaten Observatorien, mit einem Standort in Hanford, Washington, und dem anderen in Livingston, Louisiana. Jedes Observatorium hat die Form eines riesigen L mit zwei 2.5 Meilen langen (vier Kilometer langen) Armen, die im 90-Grad-Winkel zueinander von der Mitte der Anlage ausgehen.

Um Gravitationswellen zu messen, richten Forscher einen Laser von der Mitte der Anlage auf die Basis des L. Dort wird der Laser geteilt, sodass ein Strahl an jedem Arm entlang läuft, von einem Spiegel reflektiert wird und zur Basis zurückkehrt. Wenn eine Gravitationswelle durch die Arme geht, während der Laser scheint, kehren die beiden Strahlen zu geringfügig unterschiedlichen Zeiten in die Mitte zurück. Durch die Messung dieses Unterschieds können Physiker erkennen, dass eine Gravitationswelle durch die Anlage geflossen ist.

LIGO nahm den Betrieb auf in den frühen 2000er Jahren, aber es war nicht empfindlich genug, um Gravitationswellen zu erkennen. Deshalb hat das LIGO-Team die Anlage im Jahr 2010 vorübergehend geschlossen, um die Leistung zu erbringen Upgrades zur Erhöhung der Empfindlichkeit. Die aktualisierte Version von LIGO wurde gestartet Datenerhebung im Jahr 2015 und fast sofort Gravitationswellen entdeckt entsteht durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.

Seit 2015 ist LIGO abgeschlossen drei Beobachtungsläufe. Der erste Lauf O1 dauerte etwa vier Monate; der zweite, O2, etwa neun Monate; und das dritte, O3, lief 11 Monate lang, bevor die COVID-19-Pandemie die Schließung der Einrichtungen erzwang. Beginnend mit dem Lauf O2 hat LIGO gemeinsam mit einem beobachtet Italienisches Observatorium namens Virgo.

Zwischen jedem Lauf verbesserten die Wissenschaftler die physikalischen Komponenten der Detektoren und Datenanalysemethoden. Bis zum Ende des O3-Laufs im März 2020 hatten Forscher der LIGO- und Virgo-Kollaboration es entdeckt etwa 90 Gravitationswellen durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen.

Die Observatorien haben noch noch nicht ihre maximale Designempfindlichkeit erreicht. Daher wurden im Jahr 2020 beide Observatorien wegen Modernisierungsarbeiten geschlossen wieder einmal.

Zwei Personen in weißen Laborkostümen arbeiten an komplizierten Maschinen. — Verbesserungen der mechanischen Ausrüstung und der Datenverarbeitungsalgorithmen sollten es LIGO ermöglichen, schwächere Gravitationswellen als in der Vergangenheit zu erkennen. Bildnachweis: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel, CC BY-ND

Einige Upgrades durchführen

Wissenschaftler haben daran gearbeitet viele technologische Verbesserungen.

Eine besonders vielversprechende Modernisierung war die Hinzufügung eines 1,000 Fuß (300 Meter) langen optischer Hohlraum verbessern a Technik namens Quetschen. Durch Quetschen können Wissenschaftler das Detektorrauschen mithilfe der Quanteneigenschaften von Licht reduzieren. Mit diesem Upgrade sollte das LIGO-Team in der Lage sein, deutlich schwächere Gravitationswellen als zuvor zu erkennen.

Meine Teamkollegen und ich sind Datenwissenschaftler in der LIGO-Kollaboration und haben an einer Reihe verschiedener Upgrades gearbeitet Software zur Verarbeitung von LIGO-Daten und die Algorithmen, die erkennen Anzeichen von Gravitationswellen in diesen Daten. Diese Algorithmen funktionieren, indem sie nach passenden Mustern suchen theoretische Modelle von Millionen möglicher Ereignisse zur Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Der verbesserte Algorithmus sollte in der Lage sein, die schwachen Anzeichen von Gravitationswellen leichter aus dem Hintergrundrauschen in den Daten zu erkennen als die vorherigen Versionen der Algorithmen.

Ein GIF, das einen Stern zeigt, der über ein paar Tage hinweg heller wird. — Astronomen haben sowohl die Gravitationswellen als auch das Licht eingefangen, die bei einem einzigen Ereignis, der Verschmelzung zweier Neutronensterne, erzeugt wurden. Die Veränderung des Lichts im Laufe einiger Tage ist im oberen rechten Einschub zu sehen. Bildquelle: Hubble-Weltraumteleskop, NASA und ESA

Eine Hi-Def-Ära der Astronomie

Anfang Mai 2023 startete LIGO einen kurzen Testlauf – einen sogenannten Engineering-Lauf –, um sicherzustellen, dass alles funktionierte. Am 18. Mai entdeckte LIGO wahrscheinlich Gravitationswellen entsteht durch die Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch.

LIGOs 20-monatiger Beobachtungslauf 04 offiziell begann am 24. Mai, und später werden Virgo und ein neues japanisches Observatorium hinzukommen – der Kamioka-Gravitationswellendetektor (KAGRA).

Obwohl es für diesen Lauf viele wissenschaftliche Ziele gibt, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Erkennung und Lokalisierung von Gravitationswellen in Echtzeit. Wenn das Team ein Gravitationswellenereignis identifizieren, herausfinden kann, woher die Wellen kommen, und andere Astronomen schnell auf diese Entdeckungen aufmerksam machen kann, könnten Astronomen andere Teleskope, die sichtbares Licht, Radiowellen oder andere Arten von Daten sammeln, auf die Quelle ausrichten der Gravitationswelle. Sammeln mehrerer Informationskanäle zu einem einzigen Ereignis –Multi-Messenger-Astrophysik– ähnelt dem Hinzufügen von Farbe und Ton zu einem Schwarz-Weiß-Stummfilm und kann zu einem viel tieferen Verständnis astrophysikalischer Phänomene führen.

Astronomen haben nur ein einziges Ereignis beobachtet sowohl in Gravitationswellen als auch im sichtbaren Licht bis heute – die Fusion von zwei Neutronensterne im Jahr 2017 gesehen. Aber von diesem einzigen Ereignis aus konnten Physiker das untersuchen Expansion des Universums und bestätigen Sie die Herkunft einiger davon die energiereichsten Ereignisse des Universums bekannt Gammastrahlenexplosionen.

Mit Run O4 erhalten Astronomen Zugang zu den empfindlichsten Gravitationswellenobservatorien der Geschichte und werden hoffentlich mehr Daten sammeln als je zuvor. Meine Kollegen und ich hoffen, dass die kommenden Monate zu einer – oder vielleicht mehreren – Multi-Messenger-Beobachtungen führen werden, die die Grenzen der modernen Astrophysik verschieben werden.

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Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/Scott Noble; Simulationsdaten, d'Ascoli et al. 2018