Standard Universumsirenen

Ursprünglicher Autor: Sean Carroll
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Alle freuten sich zu Recht auf die neuesten Entdeckungen im Bereich der Gravitationswellen. Das LIGO-Observatorium, dem sein europäischer Partner VIRGO kürzlich beigetreten ist, hatte zuvor Gravitationswellen von schwarzen Löchern beobachtet. Das ist sehr cool, sieht aber auch ziemlich einsam aus - schwarze Löcher sind schwarz, so dass wir nur Schwerkraftwellen sehen können und sonst wenig. Da unsere derzeitigen Schwerkraft-Beobachtungsobservatorien mit der Bestimmung des Ortes der Quelle am Himmel nicht sehr gut zurechtkommen, konnten wir nicht einmal sagen, in welcher Galaxie beispielsweise ein aufgezeichnetes Ereignis aufgetreten ist.

Nach dem Beginn einer Ära der Astronomie änderte sich jedoch alles. Sie konnte sowohl gravitative als auch elektromagnetische Strahlung aus einer einzigen Quelle erfassen. Das entdeckte Ereignis war eine Verschmelzung von zwei Neutronensternen, nicht schwarzen Löchern, und all diese Materie, die in einer gigantischen Kollision zusammenkamen, erfüllte den Himmel gleichzeitig mit dem Leuchten mehrerer Wellenlängen.


Schauen Sie sich all diese verschiedenen Observatorien an, all diese Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung! Der Radio-, Infrarot-, optische, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammabereich ist aus astronomischer Sicht ein vollständiges Spektrum.

Von dieser Veranstaltung werden viele fortgeschrittene wissenschaftliche Errungenschaften wachsen - siehe zum Beispiel diese Arbeit . Manche Menschen sind sehr aufgeregt darüber, dass dieses Ereignis eine riesige Menge Gold hervorgebracht hat, ein Vielfaches der Masse der Erde. Aber dies ist mein Blog, deshalb werde ich auf den Aspekt dieses Ereignisses eingehen, der für mich relevant ist: Verwenden von "Standardsirenen", um die Expansion des Universums zu messen.

Wir machen bereits gute Arbeit mit Messungen der Ausdehnung des Universums anhand der Entfernungsskala in der Astronomie.. Dabei werden die Entfernungen schrittweise Schritt für Schritt gemessen, zuerst die Entfernung zu den nächstgelegenen Sternen, dann der Übergang zu weiter entfernten Clustern usw. Es funktioniert gut, aber natürlich neigt es dazu, Fehler zu sammeln. Eine neue Art der Beobachtung von Gravitationswellen gibt uns etwas anderes, mit dem Sie über die gesamte Entfernungsskala springen und die Entfernung zu kosmologischen Objekten unabhängig messen können.

Die gleichzeitige Beobachtung von gravitativen und elektromagnetischen Wellen ist ein entscheidender Teil der Idee. Sie versuchen zwei Dinge zu vergleichen: die Entfernung zum Objekt und die scheinbare Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt von Ihnen wegbewegt. Normalerweise ist bei Geschwindigkeit alles einfach: Sie messen die Rotverschiebung des Lichts, was mit einem elektromagnetischen Spektrum des Objekts in Ihrer Hand leicht zu erreichen ist. Da jedoch nur Gravitationswellen vorhanden sind, ist dies nicht möglich. Das Spektrum ist nicht ausreichend strukturiert, um die Rotverschiebung zu messen. Daher war die Explosion von Neutronensternen für uns so wichtig; Im Fall von GW170817 konnten wir zum ersten Mal die genaue Rotverschiebung einer entfernten Quelle von Gravitationswellen bestimmen.

Das Messen von Entfernungen ist ein schwieriger Moment, und hier bieten uns Gravitationswellen eine neue Technik. Die übliche Strategie ist die Definition von "Standardkerzen", dh von Objekten, deren Helligkeit Sie zu vernünftigen Ergebnissen führen können. Wenn Sie es mit der beobachteten Helligkeit vergleichen, können Sie die Entfernung berechnen. Zum Beispiel verwendeten Astronomen Supernovae vom Typ Ia, um die beschleunigte Expansion des Universums zu entdecken.

Gravitationswellen liefern keine Standardkerzen - jedes Objekt hat seine eigene "Helligkeit" (die Menge der emittierten Energie). Indem man jedoch untersucht, wie genau sich die Lichtquelle entwickelt - die charakteristische lineare Frequenzmodulation von Gravitationswellen zweier sich schnell nähernder Objekte -, kann man ihre Gesamthelligkeit berechnen. Hier ist der Chirp für GW170817, verglichen mit anderen Quellen, die wir entdeckt haben - viel mehr Daten, fast eine volle Minute!



Und hier haben wir die Entfernung und Rotverschiebung ohne Entfernungsskala! Dies ist aus vielen Gründen wichtig. Eine unabhängige Methode zum Messen von Raumabständen ermöglicht es uns beispielsweise, die Eigenschaften der dunklen Materie zu messen. Man könnte auch hören, dass es Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten der Messung der Hubble-Konstante gibt, was bedeutet, dass jemand einen kleinen Fehler macht oder dass wir irgendwie einen großen Fehler in unseren Ansichten über das Universum machen. Eine unabhängige Methode zur Überprüfung der Berechnungen hilft uns dabei, dies herauszufinden. Nur aus einem einzigen Ereignis können wir bereits schließen, dass die Hubble-Konstante 70 km / s / Mpc beträgt, allerdings mit einem relativ großen Fehler (+12, -8 km / s / Mpk). Die Genauigkeit erhöht sich jedoch, wenn zusätzliche Daten erfasst werden.

Und hier ist meine kleine Rolle in dieser Geschichte. Die Idee, Gravitationswellenquellen als Standardsirenen zu verwenden, wurde bereits 1986 von Bernard Schutz geäußert. Seitdem wurde es ernsthaft überarbeitet, vor allem meine Freunde Daniel Holtz und Scott Hughes. Über diese Idee erzählte mir Daniel vor vielen Jahren, und er und Scott haben eine der ersten Arbeiten zu diesem Thema geschrieben. Ich sagte sofort: "Man muss diese Dinge" Standardsirenen "nennen." Und so entstand eine nützliche Bezeichnung.

Leider hat mir mein Caltech-Kollege Sterl Finney mir gleichzeitig den gleichen Namen angeboten, wie in der Arbeit in den Dankabschnitten angegeben. Aber es ist nichts; Wenn der Beitrag so gering ist, ist es nicht schade, ihn zu teilen.

Die Verdienste von Physikern und Astronomen, die diese Beobachtung durchführten, und vielen anderen, die zum theoretischen Verständnis des Themas beigetragen haben, sind wirklich gewichtig. Herzlichen Glückwunsch an alle, die hart gearbeitet haben, um einen neuen Weg zu finden, das Universum zu studieren.

Sean Michael Carroll ist ein amerikanischer Kosmologe, der sich auf dunkle Energie und die allgemeine Relativitätstheorie spezialisiert.

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