Gravitationswellen vor langer Zeit und weit, weit weg

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Nach dem Spätsommersturm, der durch die sternenklare Dämmerung wehte, wütete der warme Wind immer noch und verursachte Wellen in den verweilenden Pfützen auf dem Bürgersteig – während das kleine Mädchen verwundert zusah. Wellen auf dem Wasser ähneln den Wellen im Stoff von Spacetime – wir nennen diese Wellen Gravitationswellen. Albert Einstein sagte die Existenz von voraus Gravitationswellen 1916 in seiner Allgemeine RelativitätstheorieUnd diese Wellen wandern mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum und bergen seltsame Geheimnisse, die lange Zeit verborgen waren, als Raum und Zeit geboren wurden. Im Februar 2017 gab ein Team von theoretischen Astrophysikern bekannt, dass sie das Signal von bestimmten berechnet haben Gravitationswelle Quellen, die nur Sekundenbruchteile nach dem Urknall des Universums vor fast 14 Milliarden Jahren geboren wurden. Die Wissenschaftler schlagen vor, dass der Ursprung des Signals ein lange verlorenes, mysteriöses kosmologisches Phänomen ist, das man nennt oscillon.

Einsteins Mathematik zeigte, dass massiv beschleunigende Objekte – wie z. B. binäre Neutronensterne und Schwarze LöcherWenn sie sich umkreisen, wird Spacetime auf solch dramatische Weise durcheinander gebracht, dass "Wellen" des verzerrten Weltraums sich von der Quelle entfernen – genau wie Wellen in einer verweilenden Pfütze, die nach einem Sommersturm von Regenfluten zurückgelassen werden durch das Poolwasser. Die Lichtgeschwindigkeit setzt ein universelles Tempolimit. Kein bekanntes Signal kann schneller als Licht durch ein Vakuum wandern. Die Wellen bildeten sich aus Gravitationswellen Verbreiten Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raumzeit und nehmen Sie dabei wertvolle Informationen über ihre eigenen kataklysmischen Ursprünge mit – zusammen mit Hinweisen auf die mysteriöse Natur der Schwerkraft.

Das mächtigste Gravitationswellen von allen werden durch katastrophale Ereignisse wie den explosiven Zusammenbruch von Sternkernen erstellt (Supernovae), das Verschmelzen von Sterngeistern wie dicht Neutronensterne oder weiße zwerge, die heftige Kollision von Schwarzen Löchern, die wackelige Rotation von Neutronensterne diese haben nicht die Form perfekter Kugeln und die Überreste der ursprünglichen Gravitationsstrahlung, die übrig geblieben sind, um die alte Geschichte der Geburt des Universums selbst zu erzählen.

Obwohl Einstein die Existenz von vorausgesagt hatte Gravitationswellen 1915 wurde erst 100 Jahre später die wahre Existenz in der Natur nachgewiesen. Im Herbst 2015 erhielten hochempfindliche Detektoren die Gravitationswellen das war während der gewaltsamen Verschmelzung zweier schwarzer Löcher entstanden. Gravitationswellen sind anders als alle anderen bekannten Wellen. Wie Gravitationswellen wellenförmig durch das Universum, schrumpfen und dehnen sie abwechselnd das Raumzeitkontinuum. Das bedeutet, dass Gravitationswellen verzerren die Geometrie des Gewebes des Raumes selbst. Auch wenn die Beschleunigungsmassen emittieren GravitationswellenDiese können nur gemessen werden, wenn die Masse extrem groß ist – wie es zum Beispiel bei Schwarzen Löchern oder Supernovae der Fall ist.

Hinweise auf die Möglichkeit, diese Raumzeitwellen zu finden, wurden bereits 1974, 20 Jahre nach Einsteins Tod, entdeckt. In diesem Jahr arbeiteten zwei Astronomen, Dr. Russell Alan Hulse und Dr. Joseph Hooton, Taylor, Jr., am Arecibo Radio Observatory in Puerto Rico entdeckte a binärer Pulsar– Ein Duo aus extrem dichten und massiven Relikten von Sternen in Stadtgröße, die sich in einer Umlaufbahn umeinander befinden. Das Pulsar binär wurde nach seinen beiden Entdeckern benannt (dem Hulse-Taylor Binary), aber es wird auch allgemein bezeichnet PSR B1913 + 16.

Pulsare sind neugeboren Neutronensterne–und Neutronensterne sind die verweilenden Geister massereicher Sterne, die die Supernova verlassen haben und diese himmlischen Souvenirs zurücklassen, um den Kosmos zu verfolgen. Sie erzählen die tragische Geschichte eines Sterns – der war, der kein Stern mehr ist. Frisch jung Pulsare werden aus den feurigen Supernova-Begräbniskegeln ihrer Vorfahrensterne geboren und spinnen wild emittierende Lichtstrahlen, die so regelmäßig sind, dass sie mit den Strahlen eines Leuchtturms auf der Erde verglichen wurden.

PSR B1913 + 16 war genau die Art von System, das nach Generelle Relativität, sollte die durch gebildeten Wellen senden Gravitationswellen raus in den Weltraum. Wissen, dass diese Entdeckung der binärer Pulsar Das System könnte verwendet werden, um Einsteins Vorhersage zu testen. Die Astronomen begannen zu messen, wie sich die Periode der Umlaufbahnen der Sterne im Laufe der Zeit veränderte. Nach fast einem Jahrzehnt Beobachtungen wurde festgestellt, dass die beiden Pulsare tanzten immer näher und näher beieinander genau die Rate vorhergesagt von Generelle Relativität. Diese Pulsar Das System wurde nun fast ein halbes Jahrhundert lang sorgfältig beobachtet, und die beobachteten Änderungen in der Umlaufbahn stimmen so perfekt mit den Vorhersagen von überein Generelle Relativität, es besteht kaum ein Zweifel daran, dass es emittiert Gravitationswellen.

Seitdem haben viele Astrophysiker den Zeitpunkt von beobachtet Pulsar Radioemissionen und hatten ähnliche Ergebnisse. Dies bestätigt weiter die Existenz dieser Wellen in der Struktur von Spacetime.

Bis vor kurzem stammten diese Bestätigungen jedoch immer aus indirekten Studien oder mathematischen Berechnungen – und nicht aus den notwendigen direkten "physikalischen" Beobachtungen. Am 14. September 2015 war es endlich soweit LIGO Gravitationswellen-Interferometer nahm direkt die Verzerrungen in der Raumzeit auf, die sich aus dem Reisen ergeben und plätscherten Gravitationswellen. Diese Spacetime-Wellen wurden von dem tanzenden Duo aus kollidierenden Schwarzen Löchern erzeugt, die sich in einer unglaublichen Entfernung von fast 1,3 Milliarden Lichtjahren befinden! Diese Entdeckung wird sicherlich als eine der größten Errungenschaften der Wissenschaft in die Geschichte eingehen.

Gravitationswellen kann die Erde erreichen, von wo aus sie als Ergebnis eines katastrophalen Ereignisses im fernen Universum entstehen. Diese allererste Beobachtung ihrer wahren Existenz in der Natur öffnet ein beispielloses neues Fenster in die gut gehüteten Geheimnisse des Kosmos. Dies liegt daran, dass die Ausbreitung von Ripples in der Raumzeit während ihrer langen Reise durch das Universum wichtige Informationen über ihre gewalttätigen Ursprünge mit sich bringt, die sonst von Wissenschaftlern auf keine andere Weise erhalten werden könnten. Der Grund dafür ist der Gravitationswellen können auf Regionen des Weltraums zugreifen, die elektromagnetische Wellen nicht erreichen. Astrophysiker können nun das Universum und seine vielen gut gehüteten Geheimnisse beobachten, indem sie die Schwerkraft als wichtiges Werkzeug – und auch das Licht – einsetzen. Gravitationswellen kann Wissenschaftlern äußerst wichtige Informationen über exotische Objekte in den geheimsten und entferntesten Regionen des Kosmos liefern. Beispielsweise können Schwarze Löcher nicht mit herkömmlicheren Methoden wie Funk- und optischen Teleskopen beobachtet werden.

Deshalb, Gravitationswelle Die Astronomie bietet eine wertvolle Methode, mit der Wissenschaftler ein besseres Verständnis für die Funktionsweise unseres seltsamen, wunderbaren und mysteriösen Universums erlangen können. Dies gilt insbesondere für wissenschaftliche Kosmologen, weil Gravitationswellen kann es ihnen ermöglichen, die tiefen, dunklen Geheimnisse des Uruniversums zu beobachten. Dies ist mit herkömmlichen Methoden nicht möglich, da es während der Kindheit unseres Universums für elektromagnetische Strahlung undurchlässig war. Darüber hinaus genaue Messungen von Gravitationswellen kann von Wissenschaftlern verwendet werden, um Einsteins zu testen Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie. Durch die Nutzung Gravitationswellen, Astrophysiker können zu einem deutlich verbesserten Verständnis dessen gelangen, was genau an der anfänglichen Singularität passiert ist, von der allgemein angenommen wird, dass sie vor etwa 13,8 Milliarden Jahren das Babyuniversum hervorgebracht hat.

Zum Glück für Earthlings, während die gewalttätigen Ursprünge von Gravitationswellen kann katastrophal destruktiv sein, bis die Wanderung Wellen Erreichen sie endlich unseren Planeten, sind sie millionenfach kleiner und weniger zerstörerisch. In der Tat zu der Zeit Gravitationswellen, Reisen aus dem tanzenden schwarzen Loch Duo, wurden zuerst von entdeckt LIGOwar die erzeugte Menge an Raumzeit-Wackeln buchstäblich tausendmal kleiner als der Kern eines Atoms.

LIGO wurde ursprünglich als neuer Weg vorgeschlagen, sehr schwer fassbar zu finden Gravitationswellen in den 1980er Jahren. Dieser Vorschlag wurde erstmals von Dr. Rainer Weiss, emeritierter Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT); Dr. Kip Thorne, der Richard P. Feynman vom California Institute of Technology (Caltech), Professor für Physikemeritiert; und Dr. Ronald Drever, emeritierter Professor für Physik, ebenfalls aus Caltech.

Wunderbare, wandernde Wellen

Als wandern Gravitationswelle passiert ein entfernter Beobachter, wird der Beobachter verwundert zusehen, wie die Raumzeit durch die bizarren Effekte dieser sich ausbreitenden Welligkeit verzerrt wird. Die Abstände, die zwischen freien Objekten bestehen, werden auf rhythmische Weise vergrößert und dann verkleinert, so wie es seltsam ist Welle macht seine Reise – und wenn es reist, tut es dies mit einer Frequenz, die der des Welle selbst. Das Ausmaß dieses Effekts nimmt umgekehrt mit der Entfernung von der katastrophalen Quelle der Wanderung ab Welle–geboren aus solch gewalttätigen Ereignissen wie verurteilten Duos der Schwester Neutronensterne, diese tanzen in einem seltsamen spiralballett immer näher und näher zusammen. Der Tanz endet, wenn die Ballerinas ineinander stoßen und sich zu einem Finale vereinigen großes Finale ihres katastrophalen kosmischen Balletts. Leider wird aufgrund der großen Entfernungen zu diesen Ursprungsquellen davon ausgegangen, dass die Auswirkungen, die Astrophysiker auf unserem eigenen Planeten messen, recht gering sind.

Der Zwilling Laserinterferometer Gravitationswellenobservatorium (LIGO) Die Detektoren befinden sich in Livingston, Louisiana und Hanford, Washington. Das LIGO Observatorien wurden von der National Science Foundation (NSF) finanziert und werden von Wissenschaftlern am betrieben, gebaut und erfunden Caltech in Pasadena, Kalifornien, und MIT in Cambridge, Massachusetts.

Basierend auf den Signalen, die sie erkannt haben, LIGO Wissenschaftler schlugen vor, dass das zum Scheitern verurteilte Schwarze-Loch-Duo, das das katastrophale Ereignis verursachte, das 29- und 36-fache der Masse unserer Sonne beträgt – und dass die dramatische Kollision und Fusion vor ungefähr 1,3 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Es wird angenommen, dass ungefähr das Dreifache der Masse unseres Sterns in Wellen umgewandelt wurde Gravitationswellen in Sekundenbruchteilen – mit einer Spitzenleistung, die etwa dem 50-fachen des gesamten sichtbaren Universums entspricht. Unter Beobachtung der Ankunftszeit der Signale zeichnete der Detektor in Livingston das Ereignis 7 Millisekunden vor seinem Zwillingsdetektor in Hanford auf. Wissenschaftler glauben, dass das Ereignis in der südlichen Hemisphäre stattgefunden hat.

Gemäß Generelle Relativität, Ein unglückliches Schwarzes Loch-Duo verliert Energie, wenn es emittiert Gravitationswellen. Dies ist der Grund, warum sich die tanzenden Schwarzen Löcher über eine lange Zeitspanne von Milliarden von Jahren langsam nähern – und dann in ihrem Untergang schneller pirouettieren Danse Macabre in den letzten Augenblicken ihrer tödlichen Kollision. Vor dem letzten Akt dieses seltsamen Balletts schießt das tragische Duo in Sekundenbruchteilen mit halber Lichtgeschwindigkeit ineinander. Das Ergebnis dieser katastrophalen Kollision ist ein einsames und weitaus massiveres Schwarzes Loch, das einen Teil der Masse des kombinierten Schwarzes Loch-Duos nach Einsteins bekannter Formel in Energie umwandelt E = mc im Quadrat. Die Energie wird als dramatische, letzte und sehr mächtige Explosion herausgeschleudert Gravitationswellen–genau dieses Gravitationswellen Das LIGO erkannt.

Gravitationswellen von vor langer Zeit und weit, Weit Weg!

Wandern Gravitationswellen bieten Wissenschaftlern einen Einblick in die Geburt des Universums. Um mehr über das Uruniversum zu erfahren, erforschen Professor Stefan Antusch und sein Team vom Departement Physik der Universität Basel in der Schweiz den sogenannten stochastischen Hintergrund von Gravitationswellen. Dieser Hintergrund besteht aus Gravitationswellen Reisen aus vielen Quellen, die sich überschneiden. Wenn zusammen, die Gravitationswellen Hintergrund bietet ein breites Spektrum von Frequenzen. Die Basler Physiker berechnen vorhergesagte Frequenzbereiche und Intensitäten für die Spacetime-Wellen, die letztendlich in neuen Experimenten getestet werden können.

Bald nach dem Urknall war das Universum, das wir heute beobachten, sehr klein – sowie extrem dicht und sengend heiß. "Stellen Sie sich etwas von der Größe eines Fußballs vor", kommentierte Dr. Antusch am 10. Februar 2017 Pressemitteilung der Universität Basel. Das gesamte Uruniversum wurde in diesem extrem kleinen Raum komprimiert – und es war wild turbulent. Die moderne wissenschaftliche Kosmologie geht davon aus, dass das Universum zu dieser sehr alten Zeit von einem Teilchen beherrscht wurde, das als das bekannt ist Inflaton und das zugehörige Feld.

Das Inflaton Es gab einige extrem intensive Schwankungen und bestimmte besondere Eigenschaften. Zum Beispiel die inflatons verschmolzen, um Klumpen zu erzeugen, die dazu führten, dass sie in bestimmten lokalisierten Regionen des Weltraums oszillierten. Diese Regionen werden als bezeichnet Oszillone, und sie können im geistigen Auge als stehende Wellen sichtbar gemacht werden. "Obwohl die Oszillonen haben längst aufgehört zu existieren, die Gravitationswellen sie sind allgegenwärtig – und wir können sie nutzen, um weiter in die Vergangenheit zu blicken als je zuvor ", fügte Dr. Antusch hinzu.

Mit Hilfe numerischer Simulationen konnten der theoretische Physiker und seine Kollegen die Form der. Berechnen Oszillons Signal, das nur Bruchteile einer Sekunde nach der Geburt des Universums im Urknall gesendet wurde. Dieses Signal erscheint als ausgeprägter Peak im ansonsten breiten Spektrum der Gravitationswellen.

Dr. Antusch erklärte am 10. Februar 2017 Pressemitteilung der Universität Basel "Wir hätten das vor unseren Berechnungen nicht gedacht Oszillonen könnte ein so starkes Signal mit einer bestimmten Frequenz erzeugen. "

In einem zweiten Schritt wollen die Experimentalphysiker nun mit Hilfe von Detektoren die tatsächliche Existenz des Signals nachweisen.

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Source by Judith E Braffman-Miller

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