Wie viel wissen wir über alles im Universum?
Nehmen wir ein seltsames Beispiel. Wenn es Außerirdische gäbe, die unsere Galaxie mit der Warp-Antriebstechnologie durchqueren würden, die wir oft in Science-Fiction-Serien vom Typ „Star Trek“ sehen (Sternenreise), wie war das Vorbeisignal ihres Schiffes? Überraschenderweise zeigen unsere Untersuchungen, dass wir über die Werkzeuge verfügen, diese Frage zu beantworten, unabhängig davon, ob das Schiff tatsächlich existiert.
Teleskope nutzen Licht, um den Weltraum zu erforschen, und können nun über die beobachtbaren Grenzen hinaus blicken. Jede neue Frequenz, die wir erforscht haben – von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen bis hin zu Infrarot und Radio – hat uns etwas Neues und Unerwartetes gelehrt.
Im Jahr 2015 wurde ein neuer Teleskoptyp, ein Detektor namens LIGO, aktiviert, der nicht nach Lichtwellen, sondern nach Gravitationswellen sucht, bei denen es sich um unsichtbare „Wellen“ in der Raumzeit handelt. Wieder einmal überraschte uns die Natur mit dem GW150914-Signal eines Paares Schwarzer Löcher. Jedes hatte etwa die 30-fache Masse unserer Sonne und kam in einer gewaltigen Kollision 1,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt zusammen.
Seitdem sind Gravitationswellen für Wissenschaftler zu einem wichtigen neuen Werkzeug zur Erforschung und Untersuchung des Universums geworden. Aber wir stehen noch am Anfang unserer Erkundung. Welche Signale könnten wir in den Daten sehen und wie würden sie unsere Sicht auf die Physik des Universums verändern?
Es gibt jedoch eine praktische Frage, die oft übersehen wird: Wenn es da draußen etwas gibt, wie erkennen wir es?
Von Science-Fiction zu ernsthafter Wissenschaft
Sie haben wahrscheinlich Warp-Antrieb gesehen (Kurvenantrieb) in Serien wie „Star Trek“. Warp-Antrieb ist eine hypothetische Form der Technologie, die den Raum vorn in einem Raumschiff komprimiert und ihn hinten ausdehnt. Obwohl nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein kann, können wir mit dem Warp-Antrieb diese Grenze überwinden und die Distanz verkürzen. Daher ist die Zeit, die benötigt wird, um von A nach B zu gelangen, kürzer als die Zeit, die Licht auf anderen Pfaden benötigt, die nicht durch den Warp-Antrieb komprimiert werden.
Der Sprung von der Science-Fiction zur echten Wissenschaft gelang dem theoretischen Physiker Miguel Alcubierre im Jahr 1994, als er dazu inspiriert wurde, den Warp-Antrieb mithilfe von Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu modellieren.
Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt einen Zusammenhang zwischen der Krümmung der Raumzeit (Schwerkraft) und der Verteilung von Materie oder Energie („Zeug“) im Raum voraus. Normalerweise beginnen wir damit, „etwas“ kennenzulernen. Wir wissen zum Beispiel, dass wir einen „Klumpen“ aus Material haben, der einen Planeten oder Stern darstellt. Anschließend setzen wir dieses Problem in Gleichungen um, um zu bestimmen, wie sich die Raumzeit krümmt. Und die Form der Kurve verrät uns die Schwerkraft, die wir um das Objekt herum messen werden.
Man könnte sagen, dass dies Isaac Newtons Beschreibung der klassischen Schwerkraft ist – er stellt eine Beziehung zwischen der Masse eines Objekts und der von ihm erzeugten Gravitationskraft her. Und du hast recht. Aber das Konzept der Raum-Zeit-Krümmung führt zu einem viel umfassenderen Phänomen als einfache Kräfte. Dies ermöglicht eine Art abstoßende Schwerkraft, die dazu führt, dass sich unser Universum ausdehnt, eine Zeitdilatation um massive Objekte und Gravitationswellen in der Raumzeit erzeugt und – zumindest theoretisch – den Warp-Antrieb ermöglicht.
Alcubierre ging sein Problem aus der entgegengesetzten Richtung als sonst an. Er wusste, welche Art von Raumzeitkrümmung er wollte. Dabei handelt es sich um die Art, bei der ein Objekt gekrümmte Bereiche der Raumzeit erkunden kann. Also arbeitete er rückwärts, um zu bestimmen, welche Materialkonfiguration für die Herstellung erforderlich war. Es handelt sich nicht um eine natürliche Lösung der Gleichung, sondern um etwas „Maßgeschneidertes“. Aber was er bekam, entsprach nicht dem, was er verlangte. Er entdeckte, dass er exotische Materie, etwas mit einer negativen Energiedichte, brauchte, um den Raum in die richtige Richtung zu biegen.
Lösungen für exotische Materie werden von Physikern im Allgemeinen mit Skepsis betrachtet, und das aus gutem Grund. Obwohl Materialien mathematisch als negativ beschrieben werden können, scheint fast alles, was wir kennen, positive Energie zu haben. Allerdings beobachten wir in der Quantenphysik, dass kleine und vorübergehende Verletzungen der positiven Energie auftreten können und daher „keine negative Energie“ kein absolutes und grundlegendes Gesetz sein kann.
Von Warp-Motoren bis hin zu Wellen
Wenn wir Alcubierres Warp-Antriebsmodell der Raumzeit im Hinterkopf behalten, können wir mit der Beantwortung unserer ersten Frage beginnen: Wie würde das Signal von ihm aussehen?
Einer der Eckpfeiler moderner Gravitationswellenbeobachtungen und eine ihrer größten Errungenschaften ist die Fähigkeit, Wellenformen aus physikalischen Szenarien mithilfe eines Tools namens „numerische Relativitätstheorie“ genau vorherzusagen.
Dieses Tool ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens, weil die Daten, die wir von Detektoren erhalten, immer noch viel „Rauschen“ enthalten, was bedeutet, dass wir oft ungefähr wissen müssen, wie ein Signal aussieht, um es aus dem Datenstrom zu extrahieren. Und zweitens: Auch wenn das Signal so stark ist, dass es sich vom Rauschen abhebt, brauchen wir ein Modell, um es zu interpretieren. Das bedeutet, dass wir verschiedene Arten von Ereignissen modellieren müssen, damit wir Signale ihren Typen zuordnen können; Andernfalls könnten wir versucht sein, es als Lärm abzutun oder es fälschlicherweise als Verschmelzung von Schwarzen Löchern zu bezeichnen.
Eines der Probleme der Raumzeit mit Warpantrieb besteht darin, dass sie auf natürliche Weise keine Gravitationswellen aussendet, es sei denn, sie startet oder stoppt. Unsere Idee war es zu untersuchen, was passieren würde, wenn der Warp-Antrieb stoppt, insbesondere wenn etwas schief geht. Angenommen, das Eindämmungsfeld des Warpantriebs kollabiert (grundlegende Science-Fiction-Handlung); Es kann zu einer explosionsartigen Freisetzung exotischer Materie und Gravitationswellen kommen. Dies ist etwas, was wir mithilfe der numerischen Relativitätstheorie simulieren können und haben.
Wir entdeckten, dass der Zusammenbruch der Warp-Antriebsblase tatsächlich ein sehr gewalttätiges Ereignis war. Die großen Energiemengen, die zur Krümmung der Raumzeit erforderlich sind, werden als Gravitationswellen sowie positive und negative Energiewellen der Materie freigesetzt. Leider wird dies höchstwahrscheinlich das Ende der Reise der Besatzung sein, die durch die Gezeitenkräfte auseinandergerissen wird.
Warpgeschwindigkeit, Scotty!
Wir wissen, dass Gravitationswellensignale ausgesendet werden; Jede unregelmäßige Bewegung der Materie erzeugt diese Art von Welle. Allerdings können wir ihre Amplitude und Frequenz nicht vorhersagen und auch nicht, wie sie sich auf die Größe des deformierten Bereichs auswirken.
Wir waren überrascht, als wir herausfanden, dass die Signalamplitude für ein 1-km-Schiff für ähnliche Ereignisse in unserer Galaxie und sogar außerhalb unserer Galaxie von Bedeutung wäre. In einer Entfernung von 1 Megaparsec (3,26 Millionen Lichtjahre, etwas weiter als die Andromeda-Galaxie) entspricht das Signal der Empfindlichkeit unserer aktuellen Gravitationswellendetektoren. Allerdings ist die Wellenfrequenz etwa tausendmal größer als die Reichweite, die wir damit beobachten.
Wir müssen ehrlich sein und sagen, dass wir nicht behaupten können, dass unsere Signale ein sicheres Zeichen für Warpantrieb sind. Wir müssen in unserem Modell einige spezifische Entscheidungen treffen. Und unsere hypothetischen Außerirdischen hätten möglicherweise eine andere Wahl getroffen. Aber als Grundsatzbeweis zeigt es, dass Fälle, die über standardmäßige astrophysikalische Ereignisse hinausgehen, modelliert werden können und unterschiedliche Formen annehmen können, nach denen wir in zukünftigen Detektoren suchen können.
Unsere Arbeit erinnert uns auch daran, dass wir uns im Vergleich zur Untersuchung von Lichtwellen immer noch im galiläischen Stadium befinden und das Universum in einem engen Bereich sichtbarer Lichtfrequenzen beschreiben. Wir müssen noch das gesamte Frequenzspektrum der Gravitationswellen erforschen, das auf eine Reihe von Phänomenen in der Raumzeit reagiert.
Katy Clough erhält Fördermittel vom STFC
Dietrichs Team ist dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik angegliedert.
Sebastian Khan konsultiert keine Unternehmen oder Organisationen, die von der Veröffentlichung dieses Artikels profitieren würden, arbeitet nicht mit ihnen zusammen, besitzt keine Anteile daran und erhält keine Finanzierung von diesen und hat keine relevanten Beziehungen außerhalb seiner akademischen Rolle offengelegt.
