Gravitationswellen-Nachweis per LIGO

Von der Genetik bis zur Quantenphysik, von der Atomkraft bis zur Künstlichen Intelligenz. Das weite Feld der modernen Naturwissenschaften und ihrer faszinierenden Entdeckungen und Anwendungen.
Traitor
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Do 11. Feb 2016, 16:30 - Beitrag #1

Gravitationswellen-Nachweis per LIGO


Ipsissimus
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Do 11. Feb 2016, 16:44 - Beitrag #2

http://www.zeit.de/wissen/2016-02/alber ... astronomie

Und? Ist das der Beweis? Fluktuationen in der Größe eines Atomdurchmessers bei einet Laufweite von über eine Milliarde Lichtjahre?

Traitor
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Sa 13. Feb 2016, 15:15 - Beitrag #3

Hier erstmal das offizielle "Science Summary" (deutsche Version: PDF, 415kB). Gedacht als "korrekter als Presseberichte, verständlicher als Fachartikel".

Ab heute Abend dann gerne "frag mich alles", bis dahin muss ich mich noch von der offiziellen Reddit-Version erholen. ;)

Ach ja, und nochmal der Link zur Pressekonferenz-Aufzeichnung, schon im Wmig gespammt, und Rai Weiss' ausführlicheres Seminar von gestern.

Ipsissimus
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So 14. Feb 2016, 23:11 - Beitrag #4

Für eine typische detektierbare Gravitationswelle erwarten wir, dass der „Strain“ nur etwa einem Zehntausendstel der Größe eines Protons entspricht! Aber die LIGO-Interferometer sind so empfindlich, dass sie selbst solch winzige Änderungen messen können

tja ... das kann ich glauben oder auch nicht^^ ganz davon abgesehen, dass mir ungefähr eine Myriade andere Ursachen einfallen, die einen derartigen ... hust, Strain ... verursachen könnten, ohne dass dafür zwei Schwarze Löcher verschmelzen müssen

Lykurg
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Mo 15. Feb 2016, 11:51 - Beitrag #5

Sehr cool, daß du was damit zu tun hast, und sei es nur das Anstubsen der Geräte zum richtigen Zeitpunkt. ;)

Ich habe die ersten Informationen darüber nicht über Eure Veröffentlichung, sondern über eine noch etwas populärer gemachte Kinderrundfunksendung erhalten, in die ich zufällig reinschaltete. Da hieß es, Einstein habe Gravitationswellen zwar postuliert, aber angenommen, man werde sie nie nachweisen können - stimmt das, oder war das eine Erfindung für die lieben Kleinen?

aleanjre
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Mo 15. Feb 2016, 16:59 - Beitrag #6

Cool finde ich das auch. :pro: Wobei ich immer noch nicht damit fertig bin, mir die Pressekonferenz anzuschauen. (Auch wenn die erste halbe Stunde des Links übersprungen werden kann). Die Simulation von der Verschmelzung der schwarzen Löcher war richtig schön! Um die Details der Arbeit, die ihr da geleistet habt, wirklich würdigen zu können, fehlt mir leider schlichtweg alles an geeigneter Voraussetzung. Quantenphysikerin werde ich leider erst im nächsten Leben ... :crazy: Ob es tatsächlich ein Fenster in neue wissenschaftliche Ebenen geöffnet hat? Das wird die Zukunft zeigen.
Und Ipsi, selbst wenn es doch nur das Husten des Weltendrachens statt einer echten, bildschönen Gravitationswelle gewesen ist, es ist und bleibt cool. *hugh*

Ipsissimus
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Mi 17. Feb 2016, 12:03 - Beitrag #7

Traitors Beteiligung finde ich ja auch cool; die Sache selbst fände ich cool bzw. werde ich cool finden, sobald ich überzeugt bin^^ angesichts der beteiligten Größenordnungen zwischen Ursache, Wirkung und Aufwand erscheinen mir selbst 5 sigma gelinde gesagt als wenig aussagekräftig. Ich meine, dort verschmelzen zwei schwarze Löcher, hier ändern sich die Längen von zwei Stangen um ein 10000stel eines Protonendurchmessers und wir sagen, das eine hat das andere bewirkt, obwohl zwischen über eine Milliarde Lichtjahren und hier noch die ein oder andere Ursache lauern könnte, ganz abgesehen davon, was hier an möglichen Ursachen lauert und auch ganz abgesehen von der phantastischen Messgenauigkeit^^ Und alle diese Abschirmungen in Ehren, aber bei der genannten Effektgröße wegen 5s davon auszugehen, dass tektonische Wellen als Ursache ausgeschlossen werden können, scheint mir abenteuerlich. Das liegt nach meinem Dafürhalten sogar noch im Bereich der normalen Kernbewegung, bräuchte also noch nicht mal eine äußere Ursache. Da wird aus dem Rauschen ein Signal herausgefiltert, von dem wir vorher schon wussten, wie es auszusehen hat^^ ob wir das wohl genauso herausfiltern könnten, wenn wir das nicht gewusst hätten? Vielleicht sind da auch einfach ein paar Rauschspitezen zu einem Signal zusammengefügt worden?

Aber vielleicht kann Traitor ja etwas dazu sagen. Dass die Aussagen auf der Pressekonferenz konsistent sind, das braucht nicht zu verwundern^^

Traitor
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Sa 27. Feb 2016, 23:44 - Beitrag #8

Entschuldigt bitte die deutliche Verspätung, der Nachrichtenwert ist inzwischen natürlich schon ähnlich klein wie das gemessene Signal... ;)

Zitat von Lykurg: sondern über eine noch etwas populärer gemachte Kinderrundfunksendung erhalten, in die ich zufällig reinschaltete. Da hieß es, Einstein habe Gravitationswellen zwar postuliert, aber angenommen, man werde sie nie nachweisen können - stimmt das, oder war das eine Erfindung für die lieben Kleinen?
Er hat sich mehrfach umentschieden, ob GW nun real existierend oder nur mathematische Artefakte seien (die entscheidenden Argumente lieferten andere wie Bondi, Feynman und Isaacson erst in den 50ern); und selbst wenn sie für ihn gerade real waren, ging er von praktischer Unnachweisbarkeit aus, da derart genaue Messtechnik damals halt noch unvorstellbar war.
Und hast du zu der Kindersendung vielleicht noch einen Aufzeichnungslink?

Zitat von aleanjre: Quantenphysikerin werde ich leider erst im nächsten Leben ...
Keine Sorge, bis vielleicht irgendwann mal tatsächlich Quantengravitation gemessen wird, bleibt vielleicht durchaus Zeit für ein nächstes Leben. ;) Quanten sind bei LIGO nur für das Störrauschen des Lasers relevant, nicht für die Gravitationswellen. Einsteins Gleichungen dafür sind "rein klassisch". Die Schwarzen Löchern als Quellen sind zwar mit die besten Kandidaten für (prinzipiell) zugängliche Quantengravitationseffekte; aber realistische Ansätze, etwas darüber aus Gravitationswellenbeobachtungen abzuleiten, gibt es fürs Erste nicht.
Zitat von aleanjre:Ob es tatsächlich ein Fenster in neue wissenschaftliche Ebenen geöffnet hat? Das wird die Zukunft zeigen.
Kurzer Blick in meinen Vertrag... *hüstel* "Wir analysieren weiterhin die Daten und melden uns wieder, falls es Neuigkeiten gibt". ;)

Zitat von Ipsissimus:tja ... das kann ich glauben oder auch nicht^^ ganz davon abgesehen, dass mir ungefähr eine Myriade andere Ursachen einfallen, die einen derartigen ... hust, Strain ... verursachen könnten, ohne dass dafür zwei Schwarze Löcher verschmelzen müssen
Die Messgenauigkeit an sich ist keinen Skeptizismus wert. Es ist halt keine direkte Längenmessung "von zwei Stangen", die in dieser Größenordnung tatsächlich nicht nur technisch unmöglich, sondern auch fundamental nicht machbar wäre. Entscheidend bei der Laserinterferometrie ist, dass man einen Phasenunterschied zwischen zwei Armen misst, und davon dann wiederum die zeitliche Veränderungen. Begrenzend ist dann wirklich nur die Güte, zu der man die anderen Schwankungsquellen ausschließen kann. Wie du sagst, da sind Myriaden denkbar.
Ich meine, dort verschmelzen zwei schwarze Löcher, hier ändern sich die Längen von zwei Stangen um ein 10000stel eines Protonendurchmessers und wir sagen, das eine hat das andere bewirkt, obwohl zwischen über eine Milliarde Lichtjahren und hier noch die ein oder andere Ursache lauern könnte.
Im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung oder "kosmischer Strahlung" (geladene Teilchen) sind eben trotz einem Jahrhundert theoretischer Überlegungen keine anderen astrophysikalischen Ursachen bekannt, die dieses Signal hätten hervorrufen können. Alle anderen bekannten Gravitationswellenquellen sind entweder viel schwächer oder müssten deutlich unterscheidbare Signalformen haben.
ganz abgesehen davon, was hier an möglichen Ursachen lauert und auch ganz abgesehen von der phantastischen Messgenauigkeit^^ Und alle diese Abschirmungen in Ehren, aber bei der genannten Effektgröße wegen 5s davon auszugehen, dass tektonische Wellen als Ursache ausgeschlossen werden können, scheint mir abenteuerlich. Das liegt nach meinem Dafürhalten sogar noch im Bereich der normalen Kernbewegung, bräuchte also noch nicht mal eine äußere Ursache.
Die zwei Hauptargumente:
  1. Fast alle denkbaren irdischen Störquellen sind entweder lokal begrenzt, sodass sie nicht gleichzeitig (bzw. innerhalb der Lichtlaufzeit) beide Detektoren beeinflussen würden, oder so stark, dass sie auch anderweitig beobachtbar wären. Ein Hanford und Livingston stark genug beeinflussendes Erdbeben wäre z.B. auch von Seismometern aufgezeichnet worden. Andere "Umgebungsmonitore" an beiden Detektoren überwachen durchgehend alle anderen denkbaren derartigen Störeinflüsse, und der Zeitraum des Signals war in allen von ihnen unauffällig. Noch das verdächtigste, da fast zeitgleiche Ereignis war übrigens ein Blitzeinschlag weit weg in Zentralafrika. Aber es gibt Magnetometer vor Ort und anderswo, die auf derartiges empfindlicher reagieren als die Detektoren selbst, und nichts gemessen haben.
  2. Es ist nicht eine einzelne Spitze in den Messwerten, die für die astrophysikalische Interpretation und die statistische Signifikanz ausschlaggebend ist, sondern die Signalform über Zeit und Frequenz. Ja, die einzelnen Detektoren wackeln trotz aller Isolation andauernd; und für einen Augenblick ist es auch gar nicht mal so unwahrscheinlich, dass es beide gleichzeitig tun, selbst wenn die Umgebungsmonitore keine Quelle dafür identifizieren können. (Dafür würde halt schon Quantenrauschen reichen.) Aber die Sekundenbruchteile, die man das Signal in den Daten sieht, sind im Vergleich zu den Zeitskalen von Quantenrauschen halt schon so ewig lang, dass ein solches Zusammetreffen unfassbar absurd wäre (weit, weit jenseits jeder handlichen Sigma-Zahl), und auch für komplexere Störsignalarten ist es dann eben immer noch verdammt unwahrscheinlich, dass nicht nur zwei zufällige Blips, sondern zweimal genau dieser Signalverlauf herauskommt. Siehe unten.
Da wird aus dem Rauschen ein Signal herausgefiltert, von dem wir vorher schon wussten, wie es auszusehen hat^^ ob wir das wohl genauso herausfiltern könnten, wenn wir das nicht gewusst hätten?
Das ist einer der schönsten Aspekte an diesem Ereignis: nicht genauso, aber fast; und nicht könnten, sondern konnten! GW150914 wurde zuerst von einem "Burst"-Algorithmus entdeckt, d.h. einem, der nicht auf zuvor berechnete Signalformen zurückgreift, sondern den Messdatenstrom direkt nach auffälligen Spitzen durchsucht. Zum Vergleich: dieser kam nach Analyse des erweiterten Beobachtungszeitraums dann auch immerhin auf mindestens 4.6 Sigma.
Vielleicht sind da auch einfach ein paar Rauschspitezen zu einem Signal zusammengefügt worden?
Und das beantworten eben die berüchtigten "5 sigma". Das statistische Modell dafür ist auch nichtmal so naiv, wie es sonst in vielen Publikationen der Fall ist: nicht einfach eine Gaußsche Normalkurve und fertig. Sondern mehrere Wochen Daten beider Detektoren wurden in zig Permutationen miteinander verglichen, um so herauszufinden, wie unwahrscheinlich ein zufälliges Zusammentreffen zweier lokaler Störsignale dieser Stärke und Signalform war. Dass man die Daten mit zig verschiedenen Modellformen vergleicht, und sich dadurch natürlich die Chance erhöht, dass eine passt, ist in der Signifikanz übrigens auch schon eingerechnet.

Tatsächlich stand aber auch intern schnell fest, dass die Sigma-Zählerei eher was fürs Protokoll ist (die vielzitierten Sigmas sind nur untere Grenzen, deren weitere Erhöhung unnötig Rechenzeit gefressen hätte), und es hauptsächlich darum gehen musste, komplett übersehene Effekte, grobe Fehler oder Sabotage auszuschließen. Die internen Untersuchungen aller Messdaten, Umgebungsmonitore, Überwachungskameras, Software-Versionen, Dateisystem-Zugriffe usw. waren sehr, sehr viel ausführlicher als das, was selbst in den längeren Artikeln steht. Letztlich war Sabotage das, was noch am wahrscheinlichsten erschien, aber alle nicht durch bestehende Sicherheitsmaßnahmen ausgeschlossenen Tricks, die sich irgendwer ausdenken konnte, waren so unglaubwürdig komplex und unrealistisch, dass wir uns leider nichtmal dazu entschließen konnten, sie als Drehbuch an die Mission-Impossible-Macher zu verkaufen. ;)

Dass die Aussagen auf der Pressekonferenz konsistent sind, das braucht nicht zu verwundern^^
Gewisse Vorkommnisse in der Vergangenheit ließen es opportun erscheinen, die Pressekonferenz erst nach Annahme des Artikels in PRL anzusetzen. ;)

Und nicht zu vergessen: wir haben nicht nur 1 Ereignis gemessen, sondern ungefähr 1 komma 9... Und für 2/3 der bereits aufgenommenen Messdaten stehen vollständige Analyse und Veröffentlichung ja auch noch asu.

Zitat von Lykurg:Sehr cool, daß du was damit zu tun hast, und sei es nur das Anstubsen der Geräte zum richtigen Zeitpunkt. ;)
Als ob man mich mit meinen Theoretikerpfoten auch nur in die Nähe eines (fertigen) Präzisionsinstruments lassen würde. :D

Feuerkopf
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So 28. Feb 2016, 09:47 - Beitrag #9

Sehr schön finde ich, dass in Artikeln gern die Entfernungen zum Ereignisort unterschiedlich dargestellt werden: Mal sind es über eine Mrd. LICHTjahre, mal "nur" Jahre. Ja, was denn nun?!

Oh, ich merke, bei mir gehen gerade ZEIT und ENTFERNUNG durcheinander. Das ganze liegt über 1 Mrd. Jahre zurück, aber ist in einer absurd riesigen Entfernung passiert. Richtig? Wäre sicher spannend, zu erfahren, wie es dort heute aussieht...

Traitor
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So 28. Feb 2016, 11:33 - Beitrag #10

Genau, richtig. Ein Lichtjahr ist einfach die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt. Und Gravitationswellen sollten genau dieselbe Geschwindigkeit haben. Geschah etwas also vor einer Milliarde Jahre in einer Entfernung von einer Milliarden Jahren, sehen/hören wir es jetzt.

Auf ganz großen Entfernungen ist es etwas haariger, da "Entfernung" in einem expandierenden Universum von der Messmethode abhängt: aus Winkelabständen gemessene Entfernungen wachsen anders als solche aus dem Vergleich gemessener und erwarteter Helligkeiten. Aber GW150914 war für kosmologische Verhältnisse immer noch nah genug, dass das nur ein paar Prozent ausmacht. (Der Vollständigkeit halber: Gravitationswellen-Entfernung entspricht Helligkeitsentfernung ("luminosity distance"), wie beispielsweise auch für Supernovae verwendet.)

Noch zwei andere Entfernungsangaben kursieren übrigens:
  1. Ein paar hundert "Megaparsec" statt einer Milliarde Lichtjahre. Das ist die wissenschaftsintern beliebtere Einheit, der Umrechnungsfaktor ist ungefähr 3. Und ja, Parsec ist ein Enfernungsmaß, auch wenn Han Solo das nach über 30 Jahren immer noch nicht gelernt hat. (Ein wunderschöner und garantiert absichtlicher Troll-Moment des neuen Films. ;) Der mich in der "Han hat keine Ahnung, wovon er redet, denn Chewy ist schließlich der Mann/Bettvorleger fürs Denken an Bord"-Erklärung bestätigte.)
  2. Eine Billion Lichtjahre - wer das verbreitet, hat bei amerikanischen Quellen abgeschrieben und vergessen, transatlantische Sprachinflation zu reparieren.

Lykurg
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So 28. Feb 2016, 22:04 - Beitrag #11

Danke für die Antworten, und erfreulich, daß diese von mir als flapsig angenommene Aussage dann doch korrekt oder zumindest plausibel war! Leider läßt sich die Sendung nicht mehr genau rekonstruieren, ich hätte zuerst auf Kakadu getippt, aber zumindest in deren Mediathek für den Tag stehen andere Beiträge; wenn nicht, war es wohl das Kinderprogramm eines Berliner Lokalsenders (und ich konnte jetzt spontan nicht herausfinden, welcher da infragekäme; ich kann zwar gucken, ob, sollte ich demnächst zufällig wieder dasselbe Hotelzimmer bekommen, dort das Radio noch auf denselben Sender eingestellt ist, fürchte aber, daß die Chancen nicht besonders gut stehen).


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