Denen von Ihnen, die heute Morgen schon so früh aufstehen konnten, einen guten Morgen.
Ich wurde gebeten, mit Ihnen über Gravitationswellen zu sprechen,
obwohl wir vor zwei Monaten und einem Tag beim ersten Abschuss der neuen russische Raumstation waren.
Und ich dachte, ich würde interessante neue Daten haben, über die ich mit Ihnen sprechen könnte.
Aber sie haben sieben Wochen gebraucht, um unsere Instrumente anzuschalten.
Und ich habe noch immer nicht erfahren, ob die Daten überhaupt gut sind.
Ich weiß, dass sie daran arbeiten, aber ich habe noch keine Neuigkeiten gehört.
Sam ist hier in der ersten Reihe, er kennt den Frust.
Nichtsdestotrotz kann ich nun hoffentlich beginnen.
Und ich habe zumindest ein interessantes Thema mitgebracht, zu dem Daten verfügbar sind.
Ich spreche über Gravitationswellen und verschmelzende schwarze Löcher, speziell über solche,
die wir mittels LIGO beobachtet haben.
Und das große Ereignis fand nun also im Februar statt, am 11. Februar.
Der Generaldirektor von LIGO, Professor David Reitze, gab etwas bekannt:
„Meine Damen und Herren, wir haben Gravitationswellen entdeckt.“ Und er konnte sich nicht zurückhalten:
„Wir haben es geschafft!“ Und der Grund dafür, dass er „Wir haben es geschafft!“ sagte war,
dass das LIGO-Projekt da schon seit 40 Jahren lief, Sie verstehen also, dass da ein klein wenig Frustration eine Rolle spielte.
Links sehen Sie die Wellenform des Hanford Observatoriums in Washington, im nordwestlichen Teil der Vereinigten Staaten.
Sie sehen die Wellenform und Sie sehen die vorhergesagte bzw. die passendste Wellenform im Vergleich.
Dann Livingston, fast quer auf der gegenüberliegenden Seite, aber nicht ganz.
Sie können die vorhergesagte Wellenform sehen und die Überlagerung der Daten aus Hanford und Livingston.
Was getan werden musste: Die Hanford-Daten wurden umgedreht, wenn Sie hier schauen.
Der Grund dafür ist, dass, wenn Sie hier die Konfiguration der Interferometer betrachten, werden Sie feststellen,
dass diese eigentlich in verschiedenen Winkeln angeordnet sind.
Das Signal kam aus Richtung Florida herein
und es gibt eine Zeitverzögerung von nur etwas unter 7 Millisekunden, nämlich 6,9 Millisekunden.
Die Daten mussten also um 7 Millisekunden versetzt werden und sie mussten umgekehrt werden,
damit man sie direkt vergleichen konnte.
Was Sie hier sehen sollten, ist eine enorme Korrelation zwischen den Wellenformen.
Das ist erstaunlich, denn das ist eine halbe Stunde nachdem das Instrument nach der Montage allein gelassen wurde.
Also die Leute gingen ins Bett und dieses Ereignis fand statt.
Und das Ereignis wurde sofort von der Software bemerkt, in unter 3 Minuten,
aber man kann es mit bloßem Auge aus den Daten herauslesen.
Das ist also wirklich spektakulär.
Es zeigt sich, dass es sich hierbei um etwas handelt, was wir zu Zeiten der Teilchenphysik einen „Golden Event“ nannten.
In den Arbeiten wird es als gewöhnliches Ereignis dargestellt, aber das ist ein „Golden Event“.
Was denken wir also, worum es sich bei der Wellenform handelt?
Das hier stellt zwei schwarze Löcher dar.
Das Schwarze sind die schwarzen Löcher.
Das Ereignis geht vom schwarzen Loch aus.
Und das Grüne sind die Gravitationswellen, die herauskommen.
Sie stoßen wie verrückt Gravitationswellen aus.
Sie verlieren orbitalen Abstand, Potential, und sie fallen ineinander.
Das ist die Gravitationswelle, die sich hinaus durch den Raum verbreitet.
Sie sehen also, dass die Gravitationswelle am Ende am stärksten ist.
Das Ganze ist ein Zirpen.
Hier ist die Erde. Das ist die Gravitationswelle, wie sie durch die Erde läuft und diese oszillieren lässt.
Die Amplitude steigt. Die Erde oszilliert viel stärker.
Das ist übertrieben. Und Einstein sagte das, als er versuchte das vorherzusagen.
Also wenn Sie sich also wirklich mit der Geschichte der Gravitationswellen befassen,
– zwei Kollegen aus Mexiko und ich schreiben gerade an einer kurzen Geschichte der Gravitationswellen,
die bis jetzt 25 Seiten umfasst – treffen Sie auf viele Anfänge, Unterbrechungen und Fehler.
Vierzig Jahre wurde gestritten, ob es auf theoretischer Grundlage Gravitationswellen überhaupt gibt.
Und dann wurde weitere sechzig Jahre lang versucht, diese aufzuspüren.
Jetzt, einhundert Jahre später, müssen sie ernst genommen werden.
Wir haben tatsächlich Beobachtungen gemacht.
Hier ist also das Konzept. Wir haben zwei schwarze Löcher, die gemeinsam ihr Massezentrum umkreisen.
Sie strahlen Gravitationswellen aus.
Schwarze Löcher sind mehr oder weniger die einzige Sache, die wirklich effizient Gravitationswellen ausstößt.
Es muss sich dabei um sehr dichte Objekte handeln, die sich sehr schnell bewegen.
In ihrer Bewegung nähren sie sich immer weiter an.
Sie haben also eine sehr gleichmäßige Frequenz, aber die Frequenz wird immer schneller.
Das ist es, was wir als ein Zirpen bezeichnen.
Es gibt also eine Analogie zu den Vögeln.
Sie werden sehen, die Signale werden – ich zeige Ihnen später eines -
auf dieselbe Weise gehandhabt wie Vogelrufe von Ornithologen.
Man hört das Vogelzwitschern, man stellt Zeit und Frequenz gegenüber.
Sie kreisen also aufeinander zu, bis die Ereignishorizonte der schwarzen Löcher sich einfach berühren,
sie verschmelzen und dann gehen sie, während des Ringdowns, zurück in die elliptische oder Kugelform,
wenn es sich um ein gekrümmtes schwarzes Loch handelt.
Und das geschieht sehr schnell. Sie sehen, es wird nicht wirklich bemerkenswert gedämpft,
aber es geschieht unglaublich schnell, dass es die gleiche Form annimmt.
Und eine andere Sache, die wir wissen – gemäß den Gesetzen der Physik, glauben zu wissen, –
ist, dass die Oberfläche eines schwarzen Loches stetig größer wird.
Wenn man sich also genau die Simulationen usw.
ansieht, werden Sie sehen, dass die Oberfläche dieser beiden schwarzen Löcher – sie sollten, wenn sie sich berühren –
die Oberfläche nimmt zu, aber während des Ringdowns ist die Oberfläche sogar noch größer.
Halten Sie also danach Ausschau. Das wird ein Quiz.
Hier haben wir die übliche Situation.
Zu Ehren des Brexit sehen Sie auf der linken Seite die Größe des Orbits und die Größe von England.
Falls Sie versuchen, England mit Hilfe der schwarzen Löcher loszuwerden, erwischen Sie auch Schottland und Irland.
Das ist wäre bedauernswert. Lassen Sie mich die Sache im Detail durchgehen.
Die Entfernung kann man errechnen, weil ein binäres Ereignis vorliegt und man die Frequenz kennt.
Man kann errechnen, wo die Signalstärke liegt.
Man kann die Entfernung herausfinden.
Sie beträgt 1,3 Mrd. Lichtjahre bei diesem Ereignis, also beträgt die Rotverschiebung 0,09.
Das erste schwarze Loch hatte 36 Sonnenmassen.
Das zweite schwarze Loch hatte 29 Sonnenmassen innerhalb gewisser Fehlerbalken.
Und das daraus entstehende Loch hatte 62 Sonnenmassen.
Nun, das ist wirklich überraschend.
Und das Experiment, von dem ich Ihnen erzählen wollte,
aber zu dem wir noch keine Daten haben, haben wir konzipiert,
um Neutronensterne, Neutronensternverschmelzungen und die produzierten Gammablitze zu studieren.
Das waren die Dinge, zu deren Erkennung Advanced LIGO gebaut worden war.
Das war etwas, was wir grob vorhersagen konnten: die Anzahl der Neutronensterne, Neutronensterndoppelsysteme
und wie hoch die Rate sein sollte.
Wir hatten keine Ahnung – mit 'keine Ahnung' meine ich,
die besten Schätzungen zur Anzahl von schwarzen Löchern lagen mindestens eine Größenordnung daneben.
Die Anzahl der schwarzen Löcher liegt heute mindestens im obersten Bereich der früheren Schätzungen.
Es gibt also mehr schwarze Löcher da draußen, als uns die Theoretiker weismachen wollen.
Und auch ein Theoretiker auf dem Feld der Sternenentwicklung würde voraussagen,
dass es nicht so viele massive schwarze Löcher geben sollte.
Also gleich dieses erste Ereignis weist eine starke Gravitation auf.
Es zeigt uns zu viele schwarze Löcher.
Es zeigt uns eine Menge Dinge. Wir lernen bereits sehr viel.
Was eindrucksvoll daran ist: Einstein hatte recht.
Aber er hatte aus einem anderen Grund recht.
Das sind drei Sonnenmassen an Energie, die als Gravitationswellen abgestrahlt werden.
Wir haben das fast nicht bemerkt, nicht einmal mit dem spektakulärsten Gerät, dessen Bau fast 40 Jahre in Anspruch genommen hat.
Sie sind also nicht leicht zu erkennen diese Gravitationswellen.
Nur um Ihnen einen Eindruck zu vermitteln.
Das ist 50-mal heller in Hinsicht auf den Energieausstoß oder Energiefluss oder die Leuchtkraft
– was auch immer Sie sagen wollen – als alle Sterne im bekannten Universum.
Das sind alle Sterne innerhalb unseres Horizonts.
Also wenn man das nicht sieht, ist man blind.
Und die andere Sache, die man sich ansehen muss ist diese grüne Linie.
Das ist die relative Geschwindigkeit des schwarzen Lochs.
Sie ist etwas höher als halbe Lichtgeschwindigkeit bei dieser letzten Umkreisung.
Um also Gravitationswellen zu produzieren, muss es wirklich massiv sein.
Es muss wirklich schnell sein. Das Quadrupolmoment, dritte Ableitung, muss gewaltig sein.
Nun also zur Vogelkunde (Geräusch). Die Frequenz auf der vertikalen und auf der anderen Achse die Zeit.
Das ist das Vogelzwitschern. Tatsächlich hören Sie sie, wie sie wirklich sind und Sie hören sie in der Frequenz verschoben.
Sie hören also das Geräusch. Wenn es frequenzverschoben ist und verstärkt,
hören Sie das weiße Rauschen des Messinstruments und dann können Sie das Zirpen bzw. Zwitschern hören.
Nun hier ist, wenn das hinter mir ein schönes Sternenfeld wäre, der Gravitationslinseneffekt im Sternenfeld dahinter.
Sie können sehen, wie die schwarzen Löcher einander umkreisen.
Und Sie können sehen, wie sie den Raum dahinter zu verzerren scheinen.
Schnell, dachte ich mir, ich muss eine Berechnung machen.
Die beiden sind nicht weit voneinander entfernt.
Man benötigt ein unglaublich großes Teleskop, um das zu sehen, aber es ist dennoch ein wunderschöner Anblick.
Und es wird extrem schnell zu einem schwarzen Loch, einem runden bzw. kugelförmigen schwarzen Loch.
Lassen Sie mich ein wenig auf die Geschichte eingehen, ein wenig über die frühen Versuche schwarze Löcher zu entdecken sprechen.
Woher wussten wir, dass Gravitationswellen existieren?
Wir hatten eine Theorie. Und die Antwort kam von Hulse und Taylor, die 1993 den Nobelpreis erhielten.
Sie schauten sich die Sache an, von der wir zuvor nichts wussten, nämlich Neutronensterne, die einander umkreisten.
Einer davon war ein Pulsar, der in einem sehr regelmäßigen Takt schlug.
Man konnte also die Parameter dieses Doppelsystems sehr sorgfältig messen,
und man konnte die Gravitationswellen beobachten, die es aussendete.
Und in 250 Millionen Jahren wird sich der Orbit um ein Drittel der heutigen Größe reduziert haben.
Es ist ein recht elliptischer Orbit.
Man kann also die Wanderung des Perihels messen.
Man kann auch die Zeitverzögerung messen.
Da gibt es zwei kleine Unterschiede.
Man kann die Parameter messen, und man sieht wie die Datenpunkte zwischen 1975 und 2005 hier nach unten laufen.
Man kann die Vorhersagen aus der allgemeinen Relativitätstheorie beobachten, und Sie sehen wie erstaunlich das ist.
Und dieser ganze Effekt hier sind Gravitationswellen.
Sie werden bemerken, dass der Nobelpreis 1993 verliehen wurde.
Es gibt keine Datenpunkte von 1993 bis 1995.
Ich muss dem Nobelpreiskomitee sagen, dass sie vorsichtig sein müssen, wann sie den Preis verleihen.
Sie können die Arbeit unterbrechen.
Aber glücklicherweise haben sie sich wieder an die Arbeit gemacht und Sie sehen, dass die Datenpunkte hier recht schön weiterlaufen.
Wissen Sie, die Umlaufperiode ist sehr lang, nämlich 7 Stunden.
Denken Sie darüber nach: Zwei Objekte mit der Masse von Sonnen, die einander in siebenstündigen Zeitspannen umkreisen.
Und die Veränderung der Umlaufperioden beträgt in etwa 76 Millisekunden pro Jahr.
So wussten wir, dass wir den Gravitationswellen wirklich auf der Spur waren.
Wenn Sie sich die Geschichte der Gravitationswellen ansehen, werden Sie feststellen,
dass darüber gestritten wurde, ob es Gravitationswellen gibt oder nicht.
Einstein zog einen Artikel aus der Physical Review zurück, in dem er behauptete, es gebe keine Gravitationswellen,
da der Kollege, der den Artikel prüfte, meinte, er habe einen Fehler gemacht.
Und Einstein veröffentlichte danach nie wieder etwas in der Physical Review,
aber irgendwann begriff er, dass es Gravitationswellen gab.
Aber es dauerte sogar noch länger, bis die Menschen begriffen, dass sie Energie usw. in sich tragen.
Es gibt eine eigene lange Geschichte dazu.
Am Ende war Feynman einer der entscheidenden Leute, die ein paar der anderen Wissenschaftler überzeugten.
1956 veranstalteten sie ein Treffen, um über Gravitation zu sprechen.
Und sie sprachen über Quantengravitation und eine Menge anderer Dinge.
Aber es gab auch ein Segment über Gravitationswellen.
Und sie stritten noch immer, ob Gravitationswellen Energieträger sind oder nicht.
Und dann hatte Feynman die Idee für sein Gedankenexperiment, in dem zwei Ringe an einen Stab gebunden wurden.
Und wenn die Gravitationswellen sie bewegen würden, dann würden sie Reibung erzeugen und so auch Energie.
Und er überzeugte Leute davon, das zu machen.
Auf diesem Treffen war ein junger Ingenieur, Joe Weber, der sich das anhörte, herumkam und mit vielen anderen Leuten sprach.
Er hatte 1960 die Idee, Resonanzfrequenzstäbe herzustellen.
Das bedeutet, einen Stab herzustellen und zu warten, bis Gravitationswellen durchkommen.
Wenn die Gravitationswelle die richtige Frequenz hat, bringt sie den Stab zum Schwingen,
das Signal baut sich auf und dann hat man es.
Hier haben wir Joe Weber, als er 1960 an diesem riesigen Aluminiumzylinder, der zur Isolierung auf einem Turm angebracht ist,
arbeitete und die Sensoren einrichtet, um die Gravitationswellen zu messen, wenn sie durchkommen.
Man sucht nach etwas, einer Gravitationswelle, die den richtigen Ton trifft.
Das hier ist der richtige Ton – nicht gerade ein angenehmer Ton.
Aber da wir hier in Deutschland sind, ist es näher an der richtigen Note.
Er arbeitete also viel und begeisterte eine Menge Menschen.
Und in den 1960ern behauptete er, dass er sie entdeckt habe.
Und das hat eine Menge Menschen dazu ermuntert, noch weitere Resonanzstäbe zu bauen usw.,
aber auch Theoretiker, Berechnungen anzustellen.
Und in den ersten dieser theoretischen Abhandlungen wird behauptet, dass,
angenommen Gravitationswellen kämen aus dem Zentrum der Galaxie,
die Galaxie Masse mindestens 200-mal schneller verliert, als dies durch die Tatsache eingeschränkt werden kann,
dass die Galaxie noch nicht auseinander gefallen ist.
Das war sogar noch, bevor wir dunkle Materie hatten.
Aber eine interessante Tatsache ist, dass er eine der ersten Personen war, die an Masern und Lasern arbeitete.
Und er hat sogar über einen Laser und ein Ferometer nachgedacht.
Aber er hielt die ersten öffentlichen Vorträge über Gravitationswellen.
Er war somit ein echter Pionier.
Er hat das Fachgebiet aufgerüttelt.
Er kam weiterhin auf die falsche Lösung, aber er brachte den Fachbereich voran.
Dies ist ein klassischer Fall im wissenschaftlichen Prozess, wo die Leute Dinge entdecken und so weiter.
Sie kommen auf die falsche Lösung, die Leute prüfen das usw., aber dabei findet man heraus, wie es richtig gemacht wird.
So, lassen Sie mich zu LIGO überleiten.
Und ich werde über 40 Jahre von LIGOs Geschichte sprechen.
Als ich ein junger Student war – Sam und ich haben uns darüber unterhalten –
als ich ein junger Student am MIT war, traf ich Rai Weiss.
Er hielt einen Vortrag. Ich habe den Kurs jedoch ein paar Jahre später bei Steven Weinberg belegt,
bevor er nach Harvard wechselte.
Aber er bot den Studenten einen Kurs über die allgemeine Relativität an, weil diese etwas darüber hören wollten.
Und er schrieb einen Entwicklungsbericht, den ich Ihnen gleich zeigen werde,
über die Idee, ein Laser-Interferometer zu verwenden, um Gravitationswellen zu messen.
Das ist eine Idee, wie sich herausstellte, die zwei Russen 1962 vorgeschlagen hatten,
nämlich Gertsenshtein und Pustovoid.
Und diese wurde damals zu Zeiten der Sowjetunion von Vladimir Braginskii wiederbelebt.
Das hier ist nun der eigentliche Bericht, es ist ein Entwicklungsbericht.
Früher mussten wir den Förderorganisationen vierteljährlich einen Bericht vorlegen.
Man bekam also einfach den Bericht aufgehalst.
Das hier ist das Schema. Das ist seine Originalzeichnung.
Das ist nun ein historisches LIGO-Dokument.
Aber ich habe auch etwas dazu beigetragen.
Das war das Ergebnis des Kurses, den er gab, als ich Student am MIT war.
Er veranstaltete damals Diskussionsrunden mit den Studenten, so wie wir das diesen Nachmittag tun.
Er veranstaltete eine Reihe von Diskussionsrunden und die Studenten stellten ihm Fragen.
Dort kam er irgendwann auf die Idee, das Laser-Interferometer zu bauen.
Und dort arbeitete er seine Notizen für den Entwicklungsbericht aus.
Studenten spielen also manchmal eine wichtige Rolle in der Wissenschaft.
Und schließlich, je nachdem wie man die Aufzeichnungen deutet,
wurde LIGO entweder 1984 oder 1992 gemeinsam von Kip Thorne, Ronald Drever und Rainer Weiss gegründet.
Kip Thorne kannte übrigens die Russen, und er kannte Braginskii, und er versuchte Braginskii anzuheuern,
aber dem wurde es nicht gestattet die Sowjetunion zu verlassen.
Und so schlug Rai Weiss vor, dass er Ron Drever aus Glasgow ins Boot holen solle.
Und Ron Drever kam zunächst in Teilzeit und später in Vollzeit dazu.
Es begann also nur mit diesen drei Leuten und heute sind es über 1.000 Forscher.
Das ist ein beeindruckendes Wachstum, aber wenn man 40 Jahre hat, dann hat man Studenten
und die haben selbst Studenten usw., und es wird groß.
Hier ist nun eine kleine Zusammenfassung.
Damals in den 1970ern gab die National Science Foundation der Caltech einen begrenzten Geldbetrag
und dem MIT sogar noch mehr Geld, um ein Laser-Interferometer zur Erkennung von Gravitationswellen zu entwickeln.
Damit konnte Drever anfangen, dort eines zu bauen, und Rai baute ein kleines am MIT.
Und dann erklärte sich Rai bereit zu einer Studie mit der Industrie und ein paar anderen Leuten, um zu sehen,
was es wirklich kosten würde, ein Gravitationswellen-Interferometer von der Größe zu bauen,
die seinen Berechnungen nach nötig wäre, um das Ziel zu erreichen.
Daraus würde dann später LIGO werden.
Ich habe eine frühe Version davon gesehen und die Kosten dafür wurden auf 30 Millionen Dollar geschätzt.
Zum Zeitpunkt als der Antrag eingereicht wurde, im Oktober 1993, waren es 100 Millionen Dollar.
Es kostete letztlich 200 plus Millionen Dollar zu dem Zeitpunkt als die erste Generation von LIGO gebaut wurde.
Der Bau begann 1992. Es gibt eine eigene lange Geschichte dazu.
Es lief von 2002 bis 2010, sie schalteten es für fünf Jahre ab, um zum Advanced LIGO aufzurüsten.
Und Advanced LIGO wurde letztes Jahr im Spätherbst in Betrieb genommen.
Eigentlich war die Konstruktion noch gar nicht abgeschlossen, als dieses Ereignis verzeichnet wurde.
Sie hatten gerade für diesen Tag aufgehört, weil es drei oder vier Uhr am Morgen war, und sie waren nach Hause gegangen,
um sich auszuruhen. Und dann kam diese Gravitationswelle zufällig vorbei, das Gravitationswellenereignis.
Die Gesamtkosten belaufen sich bisher auf 620 Millionen US-Dollar.
Was bekommt man dafür? Nun, man bekommt dieses wunderschöne Ding in Livingston, Louisiana, und das in der Wüste von Hanford.
Das ist der ungefähre Abstand aufgrund der politischen Situation zu dieser Zeit.
Der damalige Leiter des Komitees war ein Senator aus Louisiana.
Das ist also der Grund, warum eines davon nach Louisiana kam.
Und das andere musste so weit wie möglich von Louisiana entfernt gebaut werden.
Und Ted Stevens war zu der Zeit irgendwie noch nicht da, also ist es nicht Alaska geworden. Das ist das Konzept.
„Ein Laserstrahl wird aufgeteilt und zwei senkrechte Röhren hinaufgeschickt.
Jede davon genau gleich lang.
Die beiden Strahlen werden von Spiegeln zurückgeworfen und kommen an der Basis wieder zusammen.
Wenn die Lichtwellen zurückkommen, sind sie so ausgerichtet, dass sie einander aufheben.
Und man fügt sie zusammen und erhält nichts. Man erhält null.“
Das ist Rai Weiss.
„Kein Licht wird vom Photodetektor registriert.
Aber wenn eine Gravitationswelle des Weges kommt, verzerrt sie den Raum und ändert den Abstand zwischen den Spiegeln.
Einer der Arme wird ein wenig länger, der andere ein wenig kürzer.
Einen Augenblick später tauschen sie die Rollen.
Dieses Hin und Her zwischen Ausdehnen und Stauchen geschieht immer wieder, bis die Welle vorbeigezogen ist.
So wie sich der Abstand verändert, verändert sich auch die Ausrichtung
zwischen den Spitzen und Tiefpunkten der beiden zurückkehrenden Lichtwellen.
Und die Lichtwellen heben einander nicht mehr auf, wenn sie im gemeinsamen Strahl wieder zusammengebracht werden.
Jetzt erreicht ein wenig Licht den Detektor mit einer Intensität, die variiert,
je nachdem wie sich der Abstand zwischen den Spiegeln ändert.
Messen Sie diese Intensität und Sie messen Gravitationswellen.“
Das erinnert mich an die Filme der 1950er.
Nun, die Wirklichkeit ist viel komplizierter.
Wir werden darüber in der Diskussionsrunde sprechen,
aber eigentlich war gestern eine Gesprächsrunde über gequetschte Quantenzustände usw.
Letztlich ist das von der Heisenberg'schen Unschärferelation begrenzt.
Und man kann eigentlich versuchen, es besser zu machen, indem man die sich umkreisenden Doppelneutronensterne misst.
Man muss die Frequenz ein wenig verändern. Es gibt da gewisse Tricks dafür.
Aber es ist nicht trivial, tatsächlich zu verstehen, wie es funktioniert, aber es scheint in Ordnung zu sein.
Hier erinnere ich Sie noch einmal daran was passiert ist.
Hier ist eine weitere Simulation. Hier sehen Sie die beiden schwarzen Löcher,
und darunter sehen Sie das Potential, das entsprechend der Zeitverzögerung farbcodiert ist.
Es gibt also eine Zeitverzögerung durch das Gravitationspotential.
Es gibt auch Potential. Sie sehen, wie sie sich umkreisen, sie verlieren Energie.
Sie sehen die Linien des freien Falls.
Sie werden sehen, dass der Raum sehr manierlich ist.
Das ist die unglaubliche Linearität der Raumzeit.
Aber die allgemeine Relativität hat nun größtenteils den Endpunkt erreicht.
Und während die Ereignishorizonte immer näher kommen, kommen sie zusammen und berühren sich.
Und es wird tatsächlich recht kompliziert, also verlangsamen wir den Film.
Machen Sie sich klar, dass das ganze Ereignis sich in einer viertel Sekunde vollzieht.
Sie fallen zusammen, jede Menge Zerstörung.
Aber wie Sie sehen, gingen die Freifalllinien über den Hügel und wieder in ihn hinein.
Sie sehen das schwarze Loch oszilliert, strahlt Energie ab. Und im Grunde bleibt ein kugelförmiges schwarzes Loch
oder in diesem Fall ein gekrümmtes schwarzes Loch, denn sie hatten einen Drehimpuls
und dieser Drehimpuls muss irgendwie erhalten bleiben.
Hier sind wieder die Wellen, nur um Sie daran zu erinnern.
Und aufgrund dieser Zeitverzögerung sollte man diesen Bogen am Himmel erhalten.
Man hat sogar zusätzliche Informationen, somit kann man vorhersagen, wo die Gravitationswelle in diesem Band war,
welches einen ziemlich großen Ausschnitt des Himmels darstellt.
Kein Teleskop hat ein solches Blickfeld, kein optisches Teleskop zumindest.
Aber man sieht, wo man dachte, dass das Ereignis stattgefunden hat.
Nun, zur gleichen Zeit meldete der Fermi-Satellit ein Gammastrahlensignal, einen Gammablitz.
Das ist ein wenig überraschend, denn es wurde nicht erwartet, dass zwei schwarze Löcher einen Gammablitz erzeugen.
Aber es ist theoretisch denkbar, obwohl es ein bisschen knifflig ist.
Und hier ist, wo man glaubte, dass der Gammablitz herkam.
Und man kann sie vergleichen. Es gibt eine Überschneidung an der Stelle, wo das stärkste Signal war.
Und im Februar gab es einige Diskussionen darüber, ob der Gammablitz mit dem Ereignis in Verbindung steht.
Man hört heute nichts mehr darüber, den Grund erfahren Sie hier und bei späteren Vorträgen.
Wie ist also die momentane Lage?
Hanford und Livingston arbeiten.
VIRGO war wegen eines Upgrades abgeschaltet.
VIRGO war recht ähnlich und ist in der Nähe von Pisa.
In Deutschland steht GEO600 und ist angeschaltet.
VIRGO sollte im Frühjahr wieder laufen.
Der Bau eines LIGO in Indien ist gerade genehmigt worden.
Und in Japan gibt es KAGRA.
Leider waren, als das Ereignis geschah, nur zwei von ihnen angeschaltet.
Man hat also nur ein schmales Band am Himmel, das überwacht wird.
Das ursprüngliche LIGO ist dieser kleine rote Bereich im Zentrum.
Die aktuelle Version von LIGO, von der wir die Ergebnisse haben, ist dieser goldene Bereich.
Und wenn sie die volle Empfindlichkeit erreichen, für die sie ausgelegt sind, wird es sich bis hierhin ausweiten.
Der erste Ausbau war ein Faktor von 27 verglichen mit dem ursprünglichen LIGO.
Der volle Ausbau wird einen Faktor von 1000 bringen.
In unseren frühen Berechnungen war das der Bereich,
in dem mindestens einige Ereignisse mit zwei Neutronensternen auftreten sollten.
Vielleicht bis zu 100 Ereignisse pro Jahr mit zwei Neutronensternen.
Wir werden herausfinden, ob wir damit recht haben oder nicht.
Ich habe hier diese Karikatur, und ich fand sie einfach richtig gut.
Da ist der Kerl mit dem Hammer.
Und die Wissenschaftler sind alle aufgeregt.
Die LIGO-Wissenschaftler sind alle aufgeregt wegen dem, was sie sehen.
Und es kam so, dass vor nur zehn oder elf Tagen ein weiteres Paar schwarzer Löcher bekanntgegeben wurde.
„Vor 1,4 Mrd. Jahren vollführten zwei schwarze Löcher einen kosmischen Tanz.“
Das ist 1,4 Mrd. Lichtjahre entfernt, das ist das zweite Ereignis.
„Sie drehten sich umeinander und kamen sich dabei näher und näher, bis sie letztendlich zusammenstießen.
Dieser Tanz erzeugte kleine Wellen im Gefüge von Raum und Zeit, die auch als Gravitationswellen bekannt sind.“
Es gab eine Menge Wellen da draußen, die alle zu klein waren, um sie zu sehen.
Und dann ist da ein starkes Zirpen, als die Amplitude und die Frequenz anstiegen.
„Im Dezember 2015 erreichten diese Gravitationswellen die Erde und wurden von einem Gerät erfasst,
das als Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium oder kurz LIGO bekannt ist.
Wissenschaftler am LIGO gaben die Entdeckung zweier schwarzer Löcher am 15. Juni bekannt.“
Sie sehen, die Frequenz ist anders, es ist eine höhere Frequenz.
„Dies ist erst das zweite Mal, dass Wissenschaftler Gravitationswellen direkt gemessen haben.“
So lernt man die Vogelrufe.
„Momentan erforschen alle anderen Teleskope und Weltraumobservatorien den Kosmos, indem sie Licht oder andere Partikel auffangen.
Aber die von LIGO entdeckten schwarzen Löcher werden voraussichtlich kein Licht abstrahlen.
LIGO bringt also, indem es nach Gravitationswellen sucht,
auf andere Art Licht in die ansonsten unsichtbaren Bereiche des Universums.“
Das ist die PR. Ok, also hier ist das Ereignis.
Und Sie werden feststellen, dass daran etwas anders ist.
Das Signalgeräusch ist nicht annähernd so gut.
Man sieht es nicht mit bloßem Auge.
Die Software sah es jedoch innerhalb von drei Minuten, denn es gab eine Korrelation zwischen den beiden.
Und Sie sehen das Signal und die Amplitude, wie sich das Zirpen beginnt aufzubauen und die Amplitude steigt.
Aber wenn Sie ganz genau hinschauen, werden Sie eine Veränderung sehen.
Das ist eine Präzession des Orbits.
Das bedeutet, eines der schwarzen Löcher hat einen beachtlichen Spin und man es gibt eine Spin-Bahn-Kopplung.
Oh mein Gott, Sie werden sich mit Atom-Zeugs beschäftigen müssen, wo man Spin-Bahn-Kopplung mit Gravitationswellen hat,
denn der Spin beeinflusst das Drehmoment des Orbits.
Und wenn Sie sich die schwarze Kurve genau anschauen, werden Sie sehen,
dass eines von ihnen einen Spin von mindestens 0,2 aufweist, während 1 der maximale Spin schwarzer Löcher ist.
Sie weisen also einen beachtlichen Spin auf.
Das wird alles interessant.
Es stellt sich also heraus, dass es drei mögliche Ereignisse gibt.
Nun, ein mögliches Ereignis und zwei bestätigte.
Das erste gleich nachdem die Gerätschaften von den Ingenieuren, die sie testeten, allein gelassen wurden,
ein weiteres ungefähr einen Monat später.
Und eines ungefähr zweieinhalb Monate später, am 14. September und am 26. Dezember.
Ein verspätetes Weihnachtsgeschenk.
Und Sie werden den Unterschied feststellen, denn sie sind von dem Zeitpunkt an,
als ihre Frequenz bei 30 Hz lag, bis zum heutigen Zeitpunkt abgebildet.
Nun, je kleiner die schwarzen Löcher, desto schneller ist ihre Umlauffrequenz,
da sie sich näher kommen können, bevor sie verschmelzen.
Sie haben die Großen zuerst gesehen und die Kleinen zuletzt und dieses Ding hier, obwohl sie nicht so klein sind.
Hier sind das primäre schwarze Loch und das sekundäre schwarze Loch – 36 Sonnenmassen, 23 Sonnenmassen, 14 Sonnenmassen.
Alle sind noch immer größer als der Durchschnitt.
Aber jetzt fangen wir an, eine Bestandsaufnahme der Massen der schwarzen Löcher zu machen, die die Leute sehen.
Aber wir neigen dazu die Großen zu sehen.
Das müssen Sie berücksichtigen.
Und Sie sehen das sekundäre schwarze Loch, nicht viel Unterschied.
Und Sie sehen die Gravitationswellenenergie.
Beim ersten Ereignis waren es drei Sonnenmassen.
Beim nächsten sind es 1,5 Sonnenmassen.
Beim letzten Ereignis war es nur eine Sonnenmasse an Energie, was in etwa dem entspricht,
was eine wirklich große Typ-II-Supernova in einem Monat ausstößt.
Das ist die Skala, auf der sich das abspielt.
Das ist also ziemlich beeindruckend, obwohl es schwierig aufzuspüren ist,
selbst mit diesem 600 Millionen Dollar teuren Instrument.
Gut, Sie wollen nochmal die Geräusche hören.
Hier ist das reine Geräusch.
Hören Sie genau hin. Ah, das Lautsprechersystem ist besser als an meinem Computer.
Hier ist die verschobene Frequenz, damit Sie es hören können.
Das wegen der Hörbarkeit frequenzverschobene Geräusch klingt wirklich wie ein Vogelruf. Zwitscher.
Wie wissen wir, was vor sich geht?
Wie wissen wir, was wir sehen oder in diesem Fall hören?
Hier ist die beste Anpassung und das ist eine LIGO-Angelegenheit.
Sie meinen eigentlich GW15, aber wer auch immer das geschrieben hat, hat es falsch geschrieben.
Hier ist die vorhergesagte Wellenform aus einem numerischen allgemeinen Relativitätsmodell,
wo man den Verlust hat, den Anstieg der Amplitude der Gravitationswellen und den Anstieg der Frequenz,
wenn die Umlaufbahn enger wird.
Das ist für das Ereignis im Dezember, das für das im September.
So sollte der binäre Neutronenstern aussehen.
Die Frequenz liegt 1 über der effektiven reduzierten Masse des Systems.
So erfahren Sie die Frequenz, denn die physikalische Größe des schwarzen Lochs ist proportional zur Masse und so erfahren Sie,
wie die begrenzende Orbitgröße aussehen kann usw.
Indem Sie nur die Frequenz in der letzten Minute messen,
können Sie die Masse schätzen, die reduzierte Masse des Systems und andersherum.
Sie können also sagen, dass das nicht die binären Neutronensterne sind.
Das sind wirklich schwarze Löcher, allein wegen der Frequenz, die Sie sehen.
Und das ist die Stelle, wo sie am Himmel auftauchen.
Ich habe Ihnen das eine schon gezeigt.
Das erste hier unten in grün.
Die beiden anderen, das potentielle Ereignis und das letzte Ereignis, das diesen Monat veröffentlicht wurde.
Ich erinnere Sie nochmal: Die ursprüngliche LIGO-Reichweite und die größere LIGO-Reichweite,
es geht um die 1000-fache Reichweite, auf die wir zusteuern.
Da sind wir noch nicht angekommen, wir sind jetzt beim 26-fachen.
Wir erwarten, dass die Ereignisrate um einen Faktor von 10 - 40 ansteigt,
je nachdem wie gut die Verbesserung von LIGOs Design umgesetzt wird.
Das bedeutet, wenn wir jetzt ein Ereignis pro Monat sehen, sollten wir zehn pro Monat sehen.
Das wird einen Wandel in der astronomischen Arbeit darstellen.
Das ist nicht der einzige Ort.
Da mehr Detektoren entstehen, wird die Lokalisierung besser,
aber es gibt noch andere Wellenlängenbereiche, die man sich ansehen kann.
Auf der unteren Achse liegt die Frequenz und auf der vertikalen Achse die Rauschspannung pro Wurzel Hertz.
Und Sie sehen die zu erwartenden Messempfindlichkeiten und Signalstärken für das im Weltraum stationierte Interferometer,
das wir LISA nennen, und für das Pulsar Timing Array.
Das ist etwas, was man tun kann.
Es gibt Pulsaren, die sehr gut als Uhren verwendet werden können.
Man kann sie sich ansehen, während die Gravitation vorbeizieht.
Ihre Frequenz sollte sich durch den Doppler-Effekt hin und her verschieben.
Man sollte in der Lage sein, das zu messen.
Das ist die ganze Sache, ich möchte Sie Ihnen auf einer anderen Skala zeigen.
Auf der oberen Skala ist der Big Bang.
Die Ereignisse die es auslösen.
Das sind Quantenfluktuationen im Big Bang.
Vor einem Jahr berichtete BICEP, dass sie das gesehen haben.
Es ist nicht ganz sicher, denn es könnte auch Staub gewesen sein.
Sie sehen die anderen Dinge die ablaufen könnten und auf welcher Skala.
Ich wollte noch zwei Dinge sagen, um abzuschließen.
Wir hatten nicht erwartet, dass da zehn bis dreißig schwarze Löcher mit Sonnenmassen sein würden.
Aber wenn man dreißig hat, dann hat man da ein großes Vorkommen.
Man kann mit LISA anfangen sie zu sehen, bevor sie verschmelzen.
Wenn LISA läuft, kann man also anfangen, diese schwarzen Löcher zehn Jahre, bevor sie ineinander stürzen, zu sehen.
Zwischen zehn Jahren und einem Tag vor der Kollision ist man auf der LISA-Bandbreite.
Aber sicherlich eine Woche, man kann mindestens eine Woche vorhersagen.
Man kann auf zehn Sekunden genau vorhersagen, wann die Vereinigung stattfinden wird.
Und man kann bis auf ein Grad genau vorhersagen, wo andere Beobachter ihren Blick hinrichten sollten.
Wir beobachten nicht nur ultrastarke Gravitationsfelder.
Wir führen auch eine Zählung schwarzer Löcher durch.
Wir machen eigentlich eine Menge verschiedene Dinge.
Das wird zu einem ganz neuen Feld in der Astronomie werden.
Damit schließe ich. Und nur 32 Sekunden zu spät.
(Applaus)