Vakuumtechnologie hilft, die Existenz schwarzer Löcher zu beweisen

Vakuumtechnologie hilft beim Nachweis der Existenz von Schwarzen Löchern

Quelle des Bildes : Event Horizon Telescope Collaboration

Am 10. April 2019 um 21:00 Uhr fand im Rahmen des Projekts EventHorizon Telescope (EHT) eine gleichzeitige Pressekonferenz an sechs Orten auf der ganzen Welt statt, darunter Brüssel, San Diego, Shanghai, Taipeh, Tokio und Washington.

Was ist ein Schwarzes Loch?

Das Schwarze Loch ist eine Art Himmelskörper in der modernen Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs ist so groß, dass die Fluchtgeschwindigkeit innerhalb des Ereignishorizonts größer ist als die Lichtgeschwindigkeit. Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, dessen Krümmung so groß ist, dass Licht nicht aus seinem Ereignishorizont austreten kann.

1916 erhält der deutsche Astronom Karl Schwarzschild Einstein die Gravitationsfeldgleichung, indem er ein Vakuum in der Lösung berechnet. Die Lösung zeigt, dass die Umgebung seltsame Phänomene hervorruft, die um das Teilchen herum existieren, wenn eine große Menge Material im Raum konzentriert wird eine Schnittstelle - der "Ereignishorizont" einmal in der Schnittstelle, kann sogar Licht entweichen. Das "unglaubliche Objekt" wurde vom amerikanischen Physiker John Archibald Wheeler als "Schwarzes Loch" bezeichnet.

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen entstehen, wenn sich massive Objekte wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher gegenseitig beschleunigen und umkreisen. Wenn sie kollidieren, bewegen sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Während sie umkreisen, komprimieren und dehnen die von ihnen ausgesandten Gravitationswellen den Raum und deformieren die Raum-Zeit. Die Verformung ist extrem klein und vibrierend. Im übertragenen Sinne ähnelt es den Wellen auf dem Wasser, die durch einen ins Wasser geworfenen Stein verursacht werden.

Im September 2015 hat das LIGO (Laser Interferometer Gravitation WaveObservatory) im US-Bundesstaat Louisiana und Washington erstmals Gravitationswellen direkt auf der Erde detektiert. Damit wurde Einsteins Theorie der Grenze des starken Gravitationsfelds an der Quelle bestätigt und ein Durchbruch in der Astrophysik erzielt. Die Vakuumtechnologie spielte bei den spektakulären Messungen von LIGO eine Schlüsselrolle. Das universelle Vakuumschema beinhaltet die Messung von LIGO und verwandten grundlegenden Experimenten.

E = MC2: Dies ist wahrscheinlich die bekannteste Formel in der Physik. Es ist Teil der von Albert Einstein 1905 formulierten Relativitätstheorie und beschreibt die Äquivalenz von Masse und Energie. Jahre später erweiterte der weltberühmte Physiker seine Beobachtungen auf die Schwerkraft und beschrieb die Existenz von Gravitationswellen mathematisch als Teil seiner 1915 veröffentlichten allgemeinen Relativitätstheorie. Seit 100 Jahren wird diese Theorie von Physikern akzeptiert. Mit Hilfe von Laserinterferometer-Gravitationswellen-Observatorien in Washington und Louisiana konnten Wissenschaftler erstmals die Strahlung nachweisen, die beim Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher entsteht. Anschließend wurde die Existenz eines Systems mit zwei Schwarzen Löchern bestätigt und gezeigt, dass seine Dynamik Einsteins Gleichungen folgt.

Bemerkenswerte Beweise für Einsteins Theorie

Im September 2015 entdeckte LIGO erstmals Gravitationswellen aus der Fusion zweier Schwarzer Löcher in einer 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie. Dies bestätigte nicht nur Einsteins Theorie, sondern bestätigte auch erstmals die Existenz gepaarter Schwarzer Löcher. Für die Forscher markiert die Entdeckung eine neue Ära in der Astronomie, vergleichbar mit der astronomischen Arbeit, die Galileo im 17. Jahrhundert begann.

Im September 2015 entdeckte LIGO erstmals Gravitationswellen aus der Fusion zweier Schwarzer Löcher in einer 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie. Dies bestätigte nicht nur Einsteins Theorie, sondern bestätigte auch erstmals die Existenz gepaarter Schwarzer Löcher. Für die Forscher markiert die Entdeckung eine neue Ära in der Astronomie, vergleichbar mit der astronomischen Arbeit, die Galileo im 17. Jahrhundert begann.

Der Detektor arbeitet mit Michelson-Interferometern. In einem Interferometer wird ein Laserstrahl durch einen Strahlteiler getrennt und durch ein optisches Spiegelsystem so lange wie möglich auf zwei optischen Wegen geführt. Der Laserstrahl wird dann im Detektor kombiniert. Auf diese Weise kann die minimale Flugzeitdifferenz des von der Gravitationswelle erzeugten Laserstrahls gemessen werden. Selbst in einem Spiegel, der 4 km voneinander entfernt ist, bewirken Gravitationswellen, dass sich die Laserstrahlen in der Entfernung nur um ein Tausendstel (10-18 m) der Größe eines Kerns unterscheiden.

Schwarze Löcher erzeugen Gravitationswellen
Vakuumtechnologie bestätigt die Existenz von Gravitationswellen!

Vakuumtechnologie von Pfeiffer Vacuum , die im LIGO-Experiment eingesetzt wird, ist erforderlich, um die Existenz von Gravitationswellen auf der Erde zu bestätigen. Um die normale Funktion zu gewährleisten, dürfen die beiden Lichtwege des Lasers nicht gestört werden. Dadurch werden Laserstrahlen und optische Spiegel in einem Ultrahochvakuumsystem platziert. Um die Qualität und Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen, damit das Experiment reibungslos abgeschlossen werden kann, sind bis zu zehn Jahre Vorbereitungszeit erforderlich. Im Rahmen dieser Vorbereitung wurden an Physikinstituten auf der ganzen Welt Grundlagenforschungen durchgeführt, um Gravitationswellenexperimente vorzubereiten.

Das universelle Vakuum liefert ein Vakuum für viele dieser grundlegenden Experimente. Das Vakuum in der LIGO-Sonde wird ebenfalls vom PVD-Analysesystem überwacht. Universal-Vakuum-HiPace-Molekularpumpen und -Massenspektrometer werden zur Qualitätssicherung und Erkennung von Lecks für die Diagnose von Riesenstrahlröhren-Backvorgängen eingesetzt. Diese Geräte werden verwendet, um die notwendigen Vakuumbedingungen im Rohrleitungssystem aufrechtzuerhalten und die notwendigen Umgebungsbedingungen für erfolgreiche Experimente bereitzustellen .

Welche Rolle spielte die Vakuumtechnologie in der experimentellen Arbeit von LIGO insgesamt?

In einem 4 km langen Ausleger ist ein Vakuum mit einem Niveau von weniger als 10 & supmin; & sup9; Torr erforderlich, um das Phasenrauschen im Ausgang des Interferometers zu vermeiden, das durch die Vorwärtsstreuung von Restgasmolekülen verursacht wird. Das schwerwiegendste Phasenrauschen kommt von Makromolekülen, die stark polarisiert sind und sich langsam bewegen.

In der Testmassenkammer ist ein Vakuum von weniger als 10 & supmin; & sup8; Torr erforderlich, um die Impulsschwankung der Testmasse zu vermeiden, die durch die Kollision von Restgasatomen verursacht wird. Ebenso machen schwerere Atome mehr Lärm als leichtere.

Welche spezifischen Anforderungen muss das Vakuumsystem erfüllen?
Zusätzlich zu den oben genannten Druckanforderungen muss das Vakuumsystem mehrere Monate lang zuverlässig arbeiten. Auch die Vibration der Vakuumpumpe sollte die Testqualität nicht beeinträchtigen.

Die Existenz von Gravitationswellen und damit Einsteins Relativitätstheorie wurde bestätigt. Was bedeutet das für die experimentelle Arbeit von LIGO? Wie wird es funktionieren?
Große Ziele sind noch nicht erreicht. Nur ein kleiner Schritt nach vorne. LIGO wird das Gebiet der Gravitationswellenastronomie mit verbesserter Entwurfspräzision eröffnen. Dies ist ein neues Gebiet in der Astrophysik, in dem das dunkle Universum durch Beobachtung der Gravitationswellen erforscht wird, die durch die Beschleunigung der Materie im gesamten Universum emittiert werden. Wir wissen, dass es doppelte Schwarzlochsysteme und Neutronensterne gibt. Aber sie müssen noch gelernt werden. Die Massenspektren von Schwarzen Löchern geben Auskunft über ihre Struktur und ihre Bedeutung für die Astronomie. Neutronensterne geben uns eine Gleichung für den Zustand der Kernmaterie und können uns sagen, wie schwere Elemente sich im Universum bilden. Wenn wir eine Supernova beobachten könnten, würden die Gravitationswellen den inneren Prozess des Sternenkollapses aufdecken. Möglicherweise gibt es neue Quellen für Gravitationswellen, an die wir noch nicht gedacht haben.