Hinweise auf fehlende Komponenten des Universums durch Wellen in der Raumzeit

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Wissenschaftler der University of Chicago legt dar, wie LIGO-Gravitationswellen verschlüsselt werden könnten, um Informationen zu erhalten.

Irgendetwas stimmt nicht mit unserer Theorie des Universums.

Fast alles passt, aber es gibt ein Haar in der kosmischen Suppe, ein Sandkorn im unendlichen Sandwich. Einige Wissenschaftler glauben, dass der Übeltäter die Schwerkraft sein könnte – und dass subtile Wellen im Gewebe der Raumzeit uns helfen könnten, das fehlende Stück zu finden.
Eine neue Arbeit, an der ein Wissenschaftler der University of Chicago mitgewirkt hat, legt dar, wie das funktionieren könnte. Die Methode, die am 21. Dezember in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht wurde, beruht auf der Suche nach solchen Wellen, die auf ihrem Weg zur Erde durch supermassive schwarze Löcher oder große Galaxien verbogen wurden.
Das Problem ist, dass irgendetwas das Universum nicht nur expandieren lässt, sondern sich mit der Zeit immer schneller ausdehnt – und niemand weiß, was es ist. (Die Suche nach der genauen Geschwindigkeit ist eine laufende Debatte in der Kosmologie).
Wissenschaftler haben alle möglichen Theorien vorgeschlagen, was das fehlende Teil sein könnte. “Viele davon beruhen darauf, dass sich die Art und Weise, wie die Gravitation auf großen Skalen funktioniert, verändert”, sagt der Co-Autor des Papiers, Jose María Ezquiaga, ein NASA-Einstein-Postdoktorand am Kavli Institute for Cosmological Physics an der UChicago. “Gravitationswellen sind also der perfekte Bote, um diese möglichen Modifikationen der Schwerkraft zu sehen, falls sie existieren.”
“Gravitationswellen sind also der perfekte Bote, um diese möglichen Modifikationen der Schwerkraft zu sehen, wenn sie existieren.”
– Astrophysiker Jose María Ezquiaga
Gravitationswellen sind Wellen im Gewebe der Raumzeit selbst; seit 2015 kann die Menschheit diese Wellen mit den LIGO-Observatorien auffangen.

Wann immer zwei massereiche Objekte irgendwo im Universum kollidieren, erzeugen sie eine Welle, die sich durch den Raum bewegt und die Signatur dessen trägt, was sie verursacht hat – vielleicht zwei Schwarze Löcher oder zwei kollidierende Neutronensterne.

In der Arbeit argumentieren Ezquiaga und Co-Autor Miguel Zumalácarregui, dass, wenn solche Wellen auf ihrem Weg zur Erde auf ein supermassives Schwarzes Loch oder einen Galaxienhaufen treffen, sich die Signatur der Welle ändern würde.

Wenn es einen Unterschied in der Schwerkraft im Vergleich zu Einsteins Theorie gäbe, würde der Beweis in diese Signatur eingebettet sein.
Eine Theorie für das fehlende Stück des Universums ist zum Beispiel die Existenz eines zusätzlichen Teilchens. Ein solches Teilchen würde, neben anderen Effekten, eine Art Hintergrund oder “Medium” um große Objekte erzeugen.

Würde eine wandernde Gravitationswelle auf ein supermassives Schwarzes Loch treffen, würde sie Wellen erzeugen, die sich mit der Gravitationswelle selbst vermischen würden.

Je nachdem, worauf sie trifft, könnte die Gravitationswellensignatur ein “Echo” tragen oder verwürfelt auftauchen.
“Dies ist ein neuer Weg, um Szenarien zu untersuchen, die vorher nicht getestet werden konnten”, sagte Ezquiaga.

Ihr Papier legt die Bedingungen fest, wie man solche Effekte in zukünftigen Daten finden kann.

Der nächste LIGO-Lauf soll 2022 beginnen, mit einem Upgrade, um die Detektoren noch empfindlicher zu machen, als sie es bereits sind.
“In unserem letzten Beobachtungslauf mit LIGO haben wir alle sechs Tage eine neue Gravitationswellenmessung gesehen, was erstaunlich ist.

Aber wir glauben, dass sie im gesamten Universum nur einmal alle fünf Minuten auftreten”, sagte Ezquiaga. “Mit dem nächsten Upgrade könnten wir so viele davon sehen – Hunderte von Ereignissen pro Jahr.”
Die erhöhte Anzahl, sagte er, macht es wahrscheinlicher, dass eine oder mehrere Wellen durch ein massives Objekt gereist sind, und dass Wissenschaftler in der Lage sein werden, sie nach Hinweisen auf die fehlenden Komponenten zu analysieren.
Referenz: “Gravitationswellen-Lensing jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie: Birefringence, echoes, and shadows” von Jose María Ezquiaga und Miguel Zumalacárregui, 21. Dezember 2020, Physical Review D.DOI: 10.1103/PhysRevD.102.124048
Zumalácarregui, der andere Autor des Artikels, ist Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Deutschland sowie am Berkeley Center for Cosmological Physics am Lawrence Berkeley National Laboratory und an der University of California, Berkeley.
Finanzielle Unterstützung: NASA, Kavli-Stiftung.

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