Erforschung des Urknalls mit Gravitationswellen

Die allerersten Gravitationswellen, die jemals direkt gemessen wurden, stammten ausgerechnet von zwei verschmelzenden, massiven Schwarzen Löchern. Für dieses lang ersehnte Messergebnis vom 14. September 2015 erhielten drei leitende Physiker des LIGO-Interferometers in den USA den Physiknobelpreis 2017.

Eigentlich dachten die Forscher, dass massive Schwarze Löcher mit mehr als 30 Sonnenmassen, wie bei diesem Ereignis beobachtet, absolute Ausnahmen wären, außerdem nahm man an, dass die Verschmelzung solcher Objekte sehr selten sei. Und nun war das verbesserte LIGO-Interferometer gerade mal im Testlauf, noch vor dem eigentlich Start der Messkampagne, da ging den Physikern ein derart seltenes Signal ins Netz. Zufall? Oder steckt etwas ganz anderes dahinter?

 

Das Signal der ersten direkten Messung von Gravitationswellen am 14. September 2015: Links das Messergebnis des LIGO-Interferometers in Hanford, Washington, rechts das Signal, das in Livingston, Louisiana, gemessen wurde. Credit: B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) CC BY-SA 3.0

Das Signal der ersten direkten Messung von Gravitationswellen am 14. September 2015: Links das Messergebnis des LIGO-Interferometers in Hanford, Washington, rechts das Signal aus Livingston, Louisiana. Credit: B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), License: CC BY-SA 3.0

 

Bislang vermuteten die Astronomen, dass sogenannte „stellare Schwarze Löcher“ die häufigsten im Universum seien. So werden Schwarze Löcher genannt, die das Resultat einer Supernova-Sternexplosion mit anschließendem Kollaps sind. Man nimmt an, dass diese Objekte in der Regel weniger als zwanzig Sonnenmasse aufweisen, weshalb die zwei Objekte von GW150914 ungewöhnlich groß ausfallen. Darüber hinaus waren sie auch ungewöhnlich nahe beieinander, sonst hätten sie nicht verschmelzen können. Und es kommt noch besser: Innerhalb von weniger als zwei Jahren seit der Messung des ersten Signals wurden bereits fünf solche Ereignisse aufgezeichnet, und die Hälfte der beteiligten Schwarzen Löcher hatte eine Masse oberhalb von zwanzig Sonnenmassen.

Beudetet die gemesse Häufigkeit, die Nähe zu einander und die unerwarteten Größen, dass die Physiker ihre Vorstellungen über Schwarze Löcher an die neuen Erkenntnisse anpassen müssen? Eine interessante Theorie aus dem Jahr 2015, publiziert Monate vor der ersten Messung von Gravitationswellen, beschreibt eine solche angepasste Variante des Standardmodells der Kosmologie. Der spanische Professor Juan Garcia-Bellido und der Aachener Postdoktorand Sebastien Clesse schreiben, dass das Universum möglicherweise mit unzähligen Schwarzen Löchern ganz unterschiedlicher Größe erfüllt ist. Sie argumentieren, dass diese aus Dichteschwankungen während der sogenannten Inflationsphase des Urknalls entstanden sein könnten und damit so alt seien wie das Universum selbst.

Nobelpreisträger Brian Schmidt erklärt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auf der Lindauer Noblepreisträgertagung 2014. In dieser Theorie sagte Einstein Gravitationswellen voraus, ging jedoch davon aus, dass diese niemals gemessen werden könnten. Genau hundert Jahre nach Veröffentlichung seiner Theorie gelang nun ihre Messung an den LIGO-Instrumenten. Lindau Nobel Laureate Meeting/Rolf Schultes

Nobelpreisträger Brian Schmidt erklärt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auf der Lindauer Noblepreisträgertagung 2014. In dieser Theorie sagte Einstein Gravitationswellen voraus, ging jedoch davon aus, dass diese niemals gemessen werden könnten. Genau hundert Jahre nach Veröffentlichung seiner Theorie gelang nun ihre Messung an den LIGO-Instrumenten. Photo/Credit: Rolf Schultes/Lindau Nobel Laureate Meetings

Laut Standardmodell ereignete sich direkt nach dem Urknall eine gewaltige Ausdehnung des Universums. Wie Physiknobelpreisträger Brian Schmidt auf der Lindauer Nobelpreisträgertagung 2016 erklärt: „Quantenfluktuationen wurden auf den Maßstab des Universums aufgebläht. Das klingt zunächst verrückt, aber es erklärt ganz gut die Dinge, die wir über das Universum wissen und herausfinden.“ Diese Phase des extremen Ausdehnens wird kosmische Inflation genannt.

Bereits 1971 formulierte der berühmte britische Physiker Stephen Hawking die Theorie der Primordialen Schwarzen Löcher: Objekte, die seit dem Urknall existieren. Laut des Modells von Garcia-Bellido und Clesse entstanden solche Schwarzen Löcher in Gruppen, sogenannten Clustern. Das würde es ihnen natürlich erleichtern, sich zu umkreisen und schließlich zu verschmelzen. In ihrem aktuellen Artikel in Spektrum der Wissenschaft argumentieren die Autoren erneut, dass diese häufigen Schwarzen Löcher einen Teil der geheimnisvollen Dunklen Materie sein könnten.

Laut Standardmodell besteht das Universum aus ungefähr 69 Prozent Dunkler Energie, 26 Prozent Dunkler Materie – und alles was wir kennen, von Sternen über Galaxien bis hin zur Erde und den Menschen, macht weniger als 5 Prozent der Gesamtsumme aus. Ohne die (theoretische) Dunkle Materie könnten die Galaxien, die wir beobachten, nicht existieren, da sie sich derartig schnell drehen, dass sie eigentlich die meisten ihrer Sterne ins All schleudern müssten. Doch gewaltige Gravitationskräfte halten die Sterne zurück. Dass man die Dunkle Materie nicht beobachten kann, gilt zwar seit Jahrzehnten als Dogma, aber Forscher mögen nun mal keine Theorien, die sie nicht überprüfen können. 

Faszinierend an der Theorie von Garcia-Bellido und Clesse ist die Tatsache, dass man sie überprüfen kann, und zwar sowohl mit den heutigen als auch mit künftigen Messinstrumenten. Wenn nun diese künftigen Daten zeigen, dass Schwarze Löcher groß, zahlreich und nahe beieinander sind, so wird das ihre Theorie der Primordialen Schwarzen Löcher stärken. Die beiden Autoren schlussfolgern: Schon „nach den ersten Beobachtungen treten Paare von Schwarzen Löchern häufiger auf als erwartet, und sie besitzen höchst divers verteilte Massen.“

Doch das wäre immer noch kein Beweis, dass diese erstaunlichen Objekte aus der Zeit des Urknalls stammen. Ein entscheidender Hinweis wäre der Fund eines kleinen Schwarzen Lochs mit weniger als 1,45 Sonnenmassen: Dieses könnte nämlich nicht das Resultat einer Sternexplosion sein, sondern müsste auf anderem Weg entstanden sein (Chandrasekhar-Grenze), möglicherweise sogar während der Inflationsphase. Doch leider geht man davon aus, dass viele der besonders kleinen Schwarzen Löcher aufgrund der sogenannten Hawking-Strahlung schon lange verdampft sind.

 

Künstlerische Darstellung zwei sich umkreisender Schwarzer Löcher. Bereits bei dieser Umkreisung strahlt das System Gravitationswellen ab, die bereits in den 1970er Jahren indirekt gemessen werden konnten. Die stärksten Wellen entstehen jedoch bei der Verschmelzung der beiden. Credit: gmutlu/iStock.com

Künstlerische Darstellung zwei sich umkreisender Schwarzer Löcher. Bereits bei dieser Umkreisung strahlt das System Gravitationswellen ab, die bereits in den 1970er Jahren indirekt gemessen werden konnten. Die stärksten Wellen entstehen jedoch bei der Verschmelzung der beiden. Credit: gmutlu/iStock.com

 

In kommenden Jahren werden viele neue Instrumente nach Gravitationswellen und Schwarzen Löchern suchen. Zwei prominente Beispiele: Das Radioteleskop SKA, Square Kilometre Array, wird den Himmel nach der charakteristischen Strahlung von neutralem Wasserstoff absuchen. Man nimmt an, dass dieses ursprüngliche Element in der Nähe Primordialer Schwarzer Löcher sehr häufig vorkommt, und dass dessen Atome durch die intensive Röntgenstrahlung der Schwarzen Löcher, die beim „Verzehr“ von Materie entsteht, ionisiert werden und dadurch strahlen. Ein Jahrzehnt später sollen die Weltraumteleskope der LISA-Mission die diffuse Hintergrundstrahlung von Gravitationswellen aufspüren.

Doch unabhängig davon, ob die beobachteten Schwarzen Löcher nun primordial sind oder nicht, helfen sie uns beim fundamentalen Verständnis des Kosmos. „Wenn weitere Messungen mit LIGO zeigen sollten, dass Schwarze Löcher von diesem Format sehr häufig im Universum vorkommen, dann könnten sie die Dunkle Materie erklären“, meint auch Karsten Danzmann, Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und Mitglied der LIGO Scientific Collaboration. Also selbst wenn die Theorie von Garcia-Bellido und Clesse nicht bis ins letzte Detail bestätigt wird, könnte das Geheimnis der Dunklen Materie bald gelüftet werden.

Künftige Messungen werden viele dieser Fragen klären. Doch die Gravitationswellen-Astronomie ist auch in der Lage, Geheimnisse aus anderen astronomischen Disziplinen zu lüften. Beispielsweise zeichnete LIGO am 17. August 2017 das Signal von zwei verschmelzenden Neutronensternen auf. Sofort wurde die Fachwelt informiert, in Rekordzeit richteten über 70 Teleskope ihren Blick auf dieselbe Himmelsregion: eine der größten astronomischen Beobachtungskampagnen aller Zeiten. Dadurch konnte nicht nur der genaue Ort der Verschmelzung bestimmt werden, sondern ganz nebenbei wurde deutlich, dass Gammastrahlen-Ausbrüche von solchen Ereignissen stammen können. Das hatten Forscher schon lange vermutet, aber nun können sie ihre Theorien endlich empirisch überprüfen.

In Zukunft wird es also nicht nur mehr Daten über verschmelzende Schwarze Löcher geben. Weitere große Beobachtungskampagnen werden zudem viele astronomische Rätsel lösen können – wohl in einem Ausmaß, das wir heute nur schwer vorhersagen können.

 

Künstlerische Darstellung zweier verschmelzender und dabei explodierender Neutronensterne. Forscher erwarteten von einem solchen seltenen Ereignis sowohl Gravitationswellen als auch einen kurzen Gammastrahlen-Ausbruch: Beides wurde am 17.08.2017 von LIGO-Virgo gemessen. Anschließend beobachteten über 70 Profiteleskope die 130 Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 4993. Astronomen gehen davon aus, dass schwere Elemente wie Gold oder Platin überwiegend aus solchen sogenannten Kilonova-Explosionen stammen. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser CC BY-SA 4.0

Künstlerische Darstellung zweier verschmelzender und dabei explodierender Neutronensterne. Forscher erwarteten von einem solchen seltenen Ereignis sowohl Gravitationswellen als auch einen Gammastrahlen-Ausbruch: Beides wurde am 17.08.2017 von LIGO-Virgo gemessen. Anschließend beobachteten über 70 Profiteleskope die 130 Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 4993. Astronomen gehen davon aus, dass schwere Elemente wie Gold oder Platin überwiegend aus solchen sogenannten Kilonova-Explosionen stammen. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser CC BY-SA 4.0

Amazing Gravitational Wave Astronomy

The very first gravitational waves measured directly came from two merging massive black holes – of all things!? Massive black holes were thought to be few and far between – and now when can ‘see’ them merge, in ‘real time’, just as the LIGO observatory becomes sensitive enough? The characteristic signal from 14 September 2015 was detected during a test run, even before Advanced LIGO started its formal observations four days later. Understandably, the researchers had to check and double-check to make sure that the signal wasn’t a secret test signal. The 2017 Nobel Prize in Physics honours this earth-shaking detection, which is the result of decades of intense research.

In a nutshell: The observatory had just been switched on moments ago, with only about one-third of its planned sensitivity – and finds an event that is expected to be extremely rare. And it is getting even better: A detailed analysis of the signal revealed that these two merging black holes each had masses higher than thirty times the sun’s mass, putting them squarely in the category of massive black holes, not to be confused with supermassive black holes.

 

The very first detection of gravitational waves on September 14, 2015. Signals received by the LIGO instruments at Hanford, Washington (left) and Livingston, Louisiana (right) and comparisons of these signals to the signals expected due to a black hole merger event. Credit: B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) CC BY-SA 3.0

The very first detection of gravitational waves on 14 September 2015: Signals received by the LIGO instruments at Hanford, Washington (left) and Livingston, Louisiana (right) and comparisons of these signals to the signals expected due to a black hole merger event. Credit: B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) CC BY-SA 3.0

 

The black holes that are believed to be most common in the universe are so-called stellar black holes. They are end-products of massive stars that exploded in supernovae after their lifespan and then collapsed to become stellar black holes. The resulting object is thought to have a mass of lower than twenty times the sun’s mass. Thus, the merging black holes from GW150914 were unusually large.

To complicate things more: They were also unusually close together, otherwise they couldn’t have merged. And in less than two years since this measurement, which shook the scientific community, already five black hole mergers have been recorded, and half of these black holes had been larger than twenty solar masses.

True, these findings are exciting, but they also pose some urgent questions: Do scientists need to change the theory of black holes to accommodate their large sizes, their large numbers as well as their proximity to each other? An interesting theory from early 2015, before the first black hole merger signal had been detected, drafts a compelling scenario, formulated by Madrid professor Juan Garcia-Bellido and postdoc Sebastien Clesse from RWTH Aachen University: maybe the universe is crowded with black holes of various sizes, remnants of large density fluctuations during the so-called inflation phase of the Big Bang.

 

Nobel laureate Brian Schmidt explaining Einstein's theory of general relativity #LiNo14. In this famous theory, Einstein predicted gravitational waves - but never expected that they could be measured. Photo: Lindau Nobel Laureate Meeting/Rolf Schultes

Nobel laureate Brian Schmidt explaining Einstein’s theory of general relativity at #LiNo14. In this famous theory, Einstein predicted gravitational waves – but never expected that they could be measured. One hundred years after this prediction, their signal was recorded by the two LIGO Observatories. Photo: Lindau Nobel Laureate Meeting/Rolf Schultes

As Nobel Laureate Brian Schmidt explains in his 2016 lecture at the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting: According to the standard model of cosmology, the universe is thought to have expanded exponentially right after the Big Bang and “things at the quantum scales were magnified to the universal scales, quantum fluctuations were expanded to the scale of the universe.” He continues: “The magnification of the universe from the subatomic to the macro scales seems kind of crazy, but it keeps on predicting the things that we see in the universe.” This short period of rapid expansion is called inflation.

And already in 1971, the famous British physicist Stephen Hawking introduced the idea of ‘primordial black holes’. In the model of Garcia-Bellido and Clesse, these extremely old black holes would have formed in clusters – making it much more likely for surviving specimens to meet and merge. The authors even propose in their recent article for Spektrum der Wissenschaft, the German version of Scientific American, that these ubiquitous black holes might account for part of the mysterious Dark Matter.

The standard model assumes that the universe consists of roughly 69% Dark Energy, 26% Dark Matter, and less than 5% atoms – that ultimately provide for stars, galaxies, the earth, humans and everything we know. Without this hypothetical dark matter, the galaxies we can observe would be ripped apart: they’re simply too fast not to lose most of their stars. That this Dark Matter cannot be observed has been a dogma for several decades, but of course scientists are extremely unhappy with anything they can neither observe nor understand. (There have been many attempts to ‘see’ Dark Matter that I cannot describe here.)

What is so fascinating about the primordial black hole theory of Garcia-Bellido and Clesse is that it will be tested with current and future instruments. Finding many black hole mergers in the next few years will be a strong indicator that black holes are not few and far between but many and close together. Garcia-Bellido and Clesse conclude: “Already, the first observations show that black holes are binary more often than expected, and their masses are highly diverse.”

But there is still no proof that these black holes are primordial. The ‘smoking gun’ would be if a black hole in a merger was smaller than 1.45 solar masses: Below this so-called Chandrasekhar limit, no black holes can form after a stellar explosion – it would have to form in another process, making it more likely to be primordial. Unfortunately, many of the very small black holes are thought to have evaporated due to the so-called Hawking radiation.

 

Artist's impression of two merging and exploding neutron stars. Such a very rare event is expected to produce both gravitational waves and a short gamma-ray burst, both of which were observed on 17 August 2017 by LIGO–Virgo and Fermi/INTEGRAL. Subsequent observations with numerous telescopes confirmed that this object, seen in the galaxy NGC 4993 about 130 million light-years away, is indeed a kilonova. Such objects are the main source of very heavy chemical elements, such as gold and platinum. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser CC BY-SA 4.0

Artist’s impression of two merging and exploding neutron stars. Such a rare event is expected to produce both gravitational waves and a short gamma-ray burst, both of which were observed on 17 August 2017 by LIGO–Virgo. Subsequent observations with numerous telescopes confirmed that this object, seen in the galaxy NGC 4993 about 130 million light-years away, is indeed a so-called kilonova. Such objects are the main source of very heavy chemical elements like gold and platinum. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser CC BY-SA 4.0

 

Also, the Square Kilometre Array SKA, the largest-ever radio telescope being built in South Africa and Australia, will look for characteristic helium radiation from the very early universe that is expected to be found around primordial black holes. And the European LISA space mission will start searching for the characteristic gravitational wave background noise of merging black holes. And more missions are being planned to come to grips with the Dark Matter and Dark Energy problems, among others.

No matter whether the observed black holes are primordial or not: “If LIGO finds that large black holes are far more common than expected, they could help explain the elusive Dark Matter,” says Karsten Danzmann, Director of the German Albert Einstein Institute, which is part of the LIGO Scientific Collaboration. So even if the theory of Garcia-Bellido and Clesse is not confirmed in every detail, the Dark Matter mystery could be about to be solved.

Yes, gravitational wave astronomy is like opening a new window into the universe, enabling researchers to finally witness binary black hole mergers. But these instruments also open new windows in other fields of astronomy: For instance, on 17 August 2017, LIGO found gravitational waves from a rare neutron star merger. The researchers immediately alerted the astronomical community, resulting in one of the largest observation campaigns ever with 70 participating telescopes. With the help of these other instruments, the exact location of the merger could be determined – but, incidentally, another long-time astronomical mystery was solved: The recorded gamma rays reveal that at least some gamma-ray bursts are caused by merging neutron stars. This was expected theoretically, but now researchers can finally test their theories.

In the next few years, more gravitational wave events will be observed, and they will reveal astounding details about massive object. Moreover, other fields of astronomy will profit on a scale that we cannot foresee today.

#LiNo16: A Retrospective

The 2016 Lindau Nobel Laureate Meeting was a  week full of knowledge, experiences, fun moments, and inspiring people.

 

1

Photo: Irene Alda

It was great to receive tips from David Gross (discovery of asymptotic freedom, 2004) on being creative: be interested in more things outside physics; and dealing with frustration: work always with more than one problem at a time. Although not surprising, did you know who his favorite Nobel Laureate is? It’s Albert Einstein. I loved that Kurt Würthrich (developed NMR, 2002) used to practice high jump (there is a picture on Nature 520, 2015) and that Bill Phillip’s (laser cooling, 1997) secret to happy life is a positive attitude and finding balance in the different phases of your life. His description of a good day: “a good day is when I learn something new”.  One of the most shocking things I learned at the meeting was that we burn 50-75 of ATP daily, pretty rad, right? On a day-to-day level, we learned that a great way to organize workload is Eisenhower’s urgent and important principle.

 

“Scientists are the grown ups that remain as curious about the world as when they were children” – Carl E. Wieman (first BEC, 2001).

 

3

Klaus von Klitzing during his lecture. Photo: Irene Alda

It was unique to see the more “human” side of such bright and inspiring scientists. Stefan W. Hell (developed super-resolved fluorescence microscopy, 2014) was motivated to break the diffraction limit and wanted to do something that would be useful for future generations; and Klaus von Klitzing’s (discovery of integer quantum Hall effect, 1985)  three things you need to get a Nobel prize are: to cross lake Constance, eat chocolate, and buy yourself a Nobel prize medal (which you could go touch if you asked him). And did you know that George F. Smoot (discovery of black body form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation, 2006) appeared on the TV series the Big Bang Theory?

We discussed how the metrics (h-index, etc) in Science are needed and dangerous. Oh, and not to get frustrated if you are initiating a field: it is hard to publish in high-impact journals.

 

“If we knew what we were doing it wouldn’t be called research” – Brian P. Schmidt (evidence of accelerated expansion of the Universe, 2011).

 

One of the big tasks for science is to improve teaching and education in physics. I’ve been fortunate to see different teaching methods and in Spain we need to address many issues. Some books recommendations by Carl E. Wieman are “How learning works” and “How people learn”. In the last the discussion of the meeting there were 4 conclusions about improving education in science: to motivate and pay teachers well (primary and secondary levels), to promote science via the media (government back up),  to inspire leaders to start the change, and to develop a good mentoring system so the student can study at home and go back to the professor with questions.

 

“Every scientist should have a secret garden” – Martin Karplus (development of multi-scale models for complex chemical systems, 2013).

 

#LiNo16 last day took place on Mainau Island. Irene took the chance to visit the island's butterfly exhibit. Apparently, butterflies like science, too. Photo: Irene Alda

#LiNo16 last day took place on Mainau Island. Irene took the chance to visit the island’s butterfly exhibit. Apparently, butterflies like science, too. Photo: Irene Alda

The social aspect was amazing. I got to meet so many different and unique minds. It’s outstanding and beautiful to be surrounded by such diversity. The peak moment for the week for me was on the trip back from Mainau island when we all danced “The Macarena” (I think that dancing is one of the best ways to let go).

Attending to this meeting has been a continuous exposure to be “wowed”.

#LiNo16 Daily Recap – Friday, 1 July 2016

On Friday, 1 July the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting concluded with the traditional boat trip to Mainau Island, home of the Bernadotte family.

Video of the day

All lectures available now!

Head over to the mediatheque and relive all of the wonderful lectures held by Nobel Laureates.

Picture of the day

Nobel Laureate Bill Phillips with young scientists during the picnic on Mainau Island. Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meeting

Nobel Laureate Bill Phillips with young scientists during the picnic on Mainau Island. Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meeting

 

Blog post of the day

To search for dark matter with the help of antimatter sounds like something from a science fiction movie. But that’s what the Alpha Magnetic Spectrometer AMS was designed to do – the unique instrument is the brainchild of Nobel Laureate Samuel Ting.

Read article: How Positrons Can Help Explain the Universe

Tweets of the day

War da was mit Gravitationswellen?

Solch eine Aufregung im Vorfeld einer Pressekonferenz ist selten: jede Menge Getrommel und gleichzeitig Geheimniskrämerei – etwas ganz Großes sollte am 17. März 2014 im Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics verkündet werden. Als es um zwölf Uhr mittags endlich losgeht, berichten die aufgeregten Forscher um John Kovac, dass sie Spuren von Gravitationswellen in der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt hätten, also dem „Cosmic Microwave Background“, kurz CMB. Diese sollen aus der Zeit der kosmischen Inflation stammen, also aus dem allerersten Moment nach dem Urknall. Gleichzeitig erschien eine wissenschaftliche Publikation, die allerdings nicht das sonst übliche Peer-Review-Verfahren durchlaufen hatte; diese Prüfung auf Herz und Nieren wurde erst in den folgenden Monaten nachgeholt.
Zwei Teleskope der Amundsen-Scott Südpolstation: rechts das BICEP2-Teleskop, daneben das

Zwei Teleskope der Amundsen-Scott-Südpolstation: rechts das BICEP2-Teleskop, daneben das “South Pole Telescope”. BICEP ist die Abkürzung von “Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization”. Foto: Amble, CCL 3.0

Weshalb die ganze Aufregung? Hinweise auf die kosmische Inflation mithilfe von Gravitationswellen zu finden, bedeutet „zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen“. Das Konstrukt der Inflation ist bislang eine reine Theorie. Es stammt aus den 1980er Jahren und sollte Unstimmigkeiten in der Urknalltheorie ausbügeln. Es postuliert ein unvorstellbar schnelles Ausdehnen des Kosmos im winzigsten Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall. Viele Forscher glauben nun, dass eine solche gewaltige Ausdehnung Gravitationswellen ausgelöst haben müsste. Diese Wellen wiederum sind ein zentraler Bestandteil von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 – diese bildet nach wie vor die Grundlage des heutigen Standardmodells der Kosmologie. Einsteins berühmte Theorie besagt, dass Raum und Zeit nicht absolut sind, sondern relativ: Zeit vergeht messbar schneller in der Bergen oder langsamer bei sehr hohen Geschwindigkeiten, und der Weltraum wird durch die Gravitationskraft großer Massen gekrümmt. Bewiesen wurde das in der Sonnenfinsternis 1919, als die Sterne in Sonnennähe scheinbar ihre Position verändert hatten – in Wirklichkeit war nur ihr Licht von der Sonnenmasse gekrümmt worden. Kurz: Mit der herkömmlichen Newtonschen Physik kann man Brücken bauen, aber keine Satelliten. Einstein sagte voraus, dass energiereiche Ereignisse wie kollidierende Schwarze Löcher Wellen in der Raumzeit auslösen würden, welche diese enormen Energiemengen wegtransportieren.
Physiknobelpreisträger Brian Schmidt mit einem Bild seines berühmtesten Vorgängers während seines Vortrags 2014 zum Thema Kosmologie. Seinen aktuellsten Vortrag aus dem Jahr 2015 finden Sie hier. Foto: Rolf Schultes/LNLM

Physiknobelpreisträger Brian Schmidt mit einem Bild seines berühmtesten Vorgängers während seines Kosmologie-Vortrags 2014 in Lindau. Seinen aktuellsten Vortrag von 2015 finden Sie hier. Foto: Rolf Schultes/LNLM

Diese flüchtigen Wellen sind zwar noch nie direkt beobachtet worden, aber es gibt indirekte Hinweise auf sie: Russel Hulse und Joseph Taylor erhielten 1993 den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung eines Systems aus zwei Pulsaren, das Energie in genau jener Menge zu verlieren scheint, die Einsteins Theorie vorhersagt. Seit dieser Entdeckung 1974 hat sich ein neues wissenschaftliches Feld etabliert, das diese Wellen jagt. Die Forscher sind hochgradig vernetzt, denn ein Ereignis an einem Instrument müsste sich durch die anderen Instrumente bestätigen lassen. Die wichtigsten Instrumente auf der Jagd nach Gravitationswellen sind Laser-Interferometer. Manche dieser Laserstrahlen sind mehrere Kilometer lang: Man hofft, dass das Laserlicht von den lichtschnellen Gravitationswellen minimal, aber messbar verändert wird. Solche Anlagen stehen in den USA, aber auch bei Hannover, in Italien und in Japan. In Zukunft werden sogar spezielle Weltraumteleskope nach Gravitationswellen suchen: Diesen November soll die „LISA pathfinder mission“ der ESA starten, um die Technologie für die spätere eLISA Mission („Evolved Laser Interferometer Space Antenna“) zu testen, auch hier geht es um Laser-Interferometrie. Der Start von eLISA ist für die 2030er Jahre angedacht. Doch es gibt auch weitere erdgebundene Beobachtungen: Die Südpol-Teleskope BICEP1 und BICEP2 starrten drei Jahre lang auf dasselbe Stückchen des Südhimmels, um typische Polarisierungen in der Hintergrundstrahlung zu entdecken. Das Resultat ist die spektakuläre Pressekonferenz im März 2014.
Nördlicher Arm des LIGO-Interferometers in Hanford, Washington. LIGO steht für “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory”. Das dortige Instrument hat zwei

Nördlicher Arm des LIGO-Interferometers in Hanford, Washington. LIGO steht für “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory”. Das dortige Instrument hat zwei “Arme”, die beide mehrere Kilmeter lang und in einem 90-Grad-Winkel angeordnet sind. Fotograf unbekannt, public domain

Milliarden Euro und Dollar wurden schon in die Suche nach Gravitationswellen oder nach Spuren der kosmische Inflation investiert, von zahllosen Wissenschaftskarrieren ganz zu schweigen. Das erklärt auch die Aufregung bei der Pressekonferenz 2014: Wenn jahrzehntelang mit hohen Kosten gesucht wird, ist die Begeisterung um so größer, wenn man tatsächlich etwas findet. Doch die Monate nach diesem „Superknaller“ brachten Ernüchterung. Schließlich verglich das BICEP2-Team seine Daten mit denjenigen des Planck-Satelliten. Im April 2015 kamen beide Teams gemeinsam zu dem Schluss, dass die „Sensation“ ein Jahr zuvor wohl nichts als kosmischer Staub gewesen sei. Auch Nobelpreisträger Robert Wilson erklärte auf dem 65. Lindauer Nobelpreisträgertreffen diesen Sommer, das BICEP2-Team habe wohl hauptsächlich Staub gesehen. Er war bei der legendären Pressekonferenz anwesend, aber nicht auf der Tribüne; Wilson hatte die kosmische Hintergrundstrahlung in den 1970er Jahren entdeckt.
Nobelpreisträger Robert W. Wilson während seines Vortrags über die Hintergrundstrahlung auf dem 65. Lindauer Nobelpreisträgertreffens. Foto: Adrian Schröder/LNLM

Nobelpreisträger Robert W. Wilson während seines Vortrags über die kosmische Hintergrundstrahlung auf dem 65. Lindauer Nobelpreisträgertreffen. Foto: Adrian Schröder/LNLM

Was bedeutet nun diese neueste Wendung für das Standardmodell der Kosmologie? Es zeigt sich eher unbeeindruckt. Nach wie vor suchen viele Forschergruppen nach Gravitationswellen sowie nach Hinweisen, dass die Inflation wirklich stattgefunden hat. Beide Forschungsrichtungen haben oder planen neue, bessere Instrumente – BICEP3 ist bereits am Start. Und sowohl das BICEP-Team als auch die Kritiker ihrer Interpretation sagen, dass die Forschung mehr und bessere Daten braucht, um Spuren der Inflation im CMB zu finden – falls es sie gibt. Das Standardmodell steht in dem Ruf, viele Beobachtungen und Entdeckungen erklären zu können, wodurch es immer wieder Bestätigung erfährt. Allerdings gibt es auch ein gewisses Unbehagen angesichts der Tatsache, dass „wir bei 95 Prozent der Materie und Energie annehmen müssen, dass sie aus etwas bestehen, das wir überhaupt nicht kennen“, so Nobelpreisträger Brian Schmidt. Er bezieht sich auf die geschätzten Anteile von 25 Prozent Dunkler Materie und 70 Dunkler Energie im Universum. Die uns vertraute Materie, also der Stoff, aus dem Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen, macht nach dieser Theorie nur knapp 5 Prozent der Gesamtmaterie aus. Schmidt hat außerdem einen guten Rat für seine Kollegen parat: „Begegnet dem Universum niemals mit vorschnellen Urteilen. Es macht, was es will, und wir als Wissenschaftler müssen herausfinden, was das ist. Dabei sollten wir nicht der Fehlannahme aufsitzen, dass es sich in irgendeiner Weise um unsere Annahmen scheren würde.“
Drei Himmelskarten der Hintergrundstrahlung von drei verschiedenen Satelliten; jedes Himmelsstück hat eine Fläche von zehn Quadratgrad. Links NASAs

Drei Himmelskarten der Hintergrundstrahlung von drei verschiedenen Satelliten, jedes Himmelsstück hat eine Fläche von zehn Quadratgrad. Links NASAs “Cosmic Background Explorer” COBE, gestartet 1989. WMAP war das nächste NASA-Weltraumteleskop: “Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”. Der europäische Planck-Satellit, gestartet 2009, hat die bislang höchste Auflösung. Image: NASA/JPL-Caltech/ESA, public domain

What Happened With Cosmic Inflation?

The procedure was almost unprecedented, the excitement as well: on March 17 last year, astronomers around John Kovac from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics announced at a press conference that they had found the imprint of gravitational waves on the cosmic microwave background CMB, caused by the earliest moment after the Big Bang, the so-called cosmic inflation, in astronomical data from the South Pole. A scientific paper with these finding was presented at the same time, also with much ado, although it hadn’t undergone the scrutiny of a peer review process yet; this was done in the months after the March presentation.

Two telescopes at the Amundsen-Scott South Pole Station: the BICEP2 telescope (right) and the Sputh Pole Telescope. Photo: Amble, CCL 3.0

Two telescopes at the Amundsen-Scott South Pole Station: the BICEP2 telescope (right) and the South Pole Telescope. BICEP stands for “Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization”. Photo: Amble, CCL 3.0

But why the excitement, why the secrecy before the press conference, why the sensationalism? Finding proof of inflation theory with the help of gravitational waves is like “killing two birds with one stone”: inflation is a theoretical concept created in the 1980s to smooth out creases in the Big Bang theory. It states that the Universe expanded incredibly fast in a tiny fraction of a second. Many scientists believe that during this brief moment, the monumental expansion of the cosmos would have generated gravitational waves. These waves in turn are a central component Einstein’s theory of general relativity from 1915, that is still the basis for today’s standard model of cosmology.

Einstein’s theory states that time and space are not absolute but relative: time runs faster in high altitudes but slower at fast velocities, as can be measured in the mountains or with satellite clocks; and space can be curved by the gravity of large masses, as was proven in the 1919 solar eclipse when star positions near the Sun seemed to have “shifted”, but in reality only the light rays had been curved by the Sun’s mass. Gravitational waves, that were also predicted by Einstein but never directly detected, are supposed to transport energy away from high-energy events like colliding black holes or pulsars. They are also called “gravitational radiation” or “ripples in spacetime”.

Nobel Laureate Brian Schmidt at his 2014 lecture about Cosmology. Photo: Rolf Schultes/LNLM

Nobel Laureate Brian Schmidt at his 2014 lecture on Cosmology. View his 2015 lecture here. Photo: Rolf Schultes/LNLM

Although never detected directly, there are indirect hints towards the existence of these elusive waves: Russell A. Hulse and Joseph H. Taylor received the 1993 Nobel Prize in Physics for their 1974 discovery of a binary pulsar system that seems to lose energy at a rate that would be compatible with Einstein’s predictions. Since then, a large scientific field, and a closely networked research community, have formed, all trying to find the Holy Grail of Einstein’s theory. Large laser inferometers are located around the globe, some laser beams are several kilometres long, to record the subtle ripples that are supposed to move at the speed of light, and are expected to show up in slight variations of these laser beams. The LIGO instruments in Louisiana and Washington are the most sensitive and part of an international collaboration, with interferometers also located in Germany, Italy, and Japan.

In the future we will even see space interferometers searching for Einstein’s waves: ESA’s LISA pathfinder mission is to be launched this November, to test the technology of a later eLISA mission, the “Evolved Laser Interferometer Space Antenna” that will also try to capture gravitational waves with the help of laser technology; the planned launch date for eLISA is in the 2030s. More recently, the BICEP1 and 2 telescopes at the South Pole have been looking at a patch of the southern sky for three entire years solely to find typical polarizations in the CMB – resulting in the findings presented at the March 2014 press conference.
Northern arm of the LIGO interferometer on Hanford Reservation, Washington. LIGO stands for

Northern arm of the LIGO interferometer on Hanford Reservation, Washington. LIGO stands for “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory”. The Hanford interferometer has two arms that are several kilometers long, positioned at an 90 degree angle. Photographer: unknown, public domain

Billions of dollars – and countless careers – are invested in finding either gravitational waves or data relating to cosmic inflation. This makes the enthusiasm for the 2014 findings understandable: at the press conference, they were called “grand slam”, “missing link” and “smoking gun for inflation” by Marc Kamionkowski of Johns Hopkins University, who is not a member of the BICEP Collaboration. But over the following months, more and more doubts were raised when the BICEP team and the Planck satellite team compared data, culminating in a joint paper in 2015 stating that a polarizations like the ones measured at the South Pole could also be created by dust from our own galaxy. This summer, Nobel Laureate Robert Wilson told his audience at the 65th Lindau Nobel Laureate Meeting that “the result now is that most of what the BICEP2 people saw is probably dust.” Wilson had received the 1978 Nobel Prize in Physics for his discovery of the CMB in 1964 in the first place.

Nobel Laureate Robert W. Wilson during his lecture at the 65. Lindau Nobel Laureate Meeting on the Cosmic Microwave Background. He was present at the March 2014 press conference, but not part of the panel. Photo: Adrian Schröder/LNLM

Nobel Laureate Robert W. Wilson during his lecture at the 65. Lindau Nobel Laureate Meeting on the Cosmic Microwave Background. He was present at the March 2014 press conference, but not part of the panel. Photo: Adrian Schröder/LNLM

What does this new turn of events mean for the standard model of cosmology? Most of all, the model is firmly in place: researchers keep searching for gravitational waves with interferometers that are increasingly sensitive, and “inflationists” are still searching the CMB for signs of cosmic inflation. Both groups either have or are planning new, more sensitive instruments. All researchers, from the BICEP Collaboration as well as the critics of their interpretations, agree that more data at higher resolutions is required to find the imprint of cosmic inflation on the CMB – if it’s there.

Although the standard model continues to be vindicated by many other experiments, some scientists describe it as “highly unsatisfactory”, like Nobel Laureate Brian P. Schmidt, because “we need to suppose that 95 percent of the Universe is made of types of matter and energy that are not yet identified.” Schmidt is referring to the supposed 25 percent dark matter and 70 percent dark energy, hence the model’s name “cold dark matter model”. The matter we can see – planets, people etc. – supposedly only comprises about 5 percent of all matter. Schmidt also has a piece of advice from his own research: “One should not pre-judge the Universe. The Universe does what it wants and our job is as scientists to figure it out, rather than to assume it should be the way we want it to be.”

The three panels show 10-square-degree patches of all-sky maps created by space-based missions capable of detecting the cosmic microwave background. The first spacecraft, launched in 1989, is NASA's Cosmic Background Explorer, or COBE. NASA's next-generation spacecraft was the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, or WMAP. The most advanced satellite yet of this type is Planck, a European Space Agency mission with significant NASA contributions. Planck, launched in 2009, images the sky with more than 2.5 times greater resolution than WMAP. Image: NASA/JPL-Caltech/ESA, public domain The three panels show 10-square-degree patches of sky maps created by space missions capable of detecting the cosmic microwave background. The first spacecraft, launched in 1989, is NASA’s Cosmic Background Explorer, or COBE. NASA’s next-generation spacecraft was the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, or WMAP. The most advanced satellite yet of this type is Planck, a European Space Agency mission. Planck, launched in 2009, images the sky with more than 2.5 times greater resolution than WMAP. Image: NASA/JPL-Caltech/ESA, public domain

Reflections of Mainau and Lindau: An eternal reminder of a scientist’s social responsibility

If there was a heaven on Earth for scientists, then it would be found in Bavaria in the beautiful town of Lindau. And if motivation on how to effect social change could be bottled up in one location, then it would be on Mainau, the beautiful flower island of the Bernadotte family. Picture: Insel Mainau/Peter Allgaier.

If there was a heaven on Earth for scientists, then it would be found in Bavaria in the beautiful town of Lindau. And if motivation on how to effect social change could be bottled up in one location, then it would be on Mainau, the beautiful flower island of the Bernadotte family. Picture: Insel Mainau/Peter Allgaier.

For us young scientists, this was always going to be the conference that would become the yardstick against which all previous and future meetings would be measured. But if our experiences at Lindau during the week were extraordinary, then the events of Mainau on Friday 3rd July 2015 were truly transcendental. In spite of (or perhaps because of) the challenging world in which we live, young scientists aspire to keep a healthy balance of idealism and pragmatism. We receive education and training. Along the way, we become involved in research that will potentially improve quality of life or man’s understanding of the world. We hope to make a positive difference to society or another person’s life story, help the next generation, and, in doing so, pay forward the kindness provided to us by our own mentors. In the professional world of a developing scientist, this is the great Circle of Life. For the young scientists, this week was not just about learning from Nobel Laureates and senior scientists how to perform good science and become successful, but also how one should live when one has become successful. We were taught, through the Laureates’ personal examples, to remain humble, always aiming to respect others and achieve a balanced perspective, while continuing one’s work and striving for the betterment of mankind. Throughout the week, the Nobel Laureates allowed us into their world: they gave us their time, and granted us privileged access to their life stories and thoughts. They also conveyed their hopes and concerns for the future. We heard about the important problems of feeding the ever-growing population of the world, supporting science and scientists in Africa, ending child exploitation and supporting their universal right to education. We learnt the importance of an education in science, the need for scientists to communicate effectively, and how this could help society, as a whole, on so many different levels.  
The Nobel Laureates on stage signing the Mainau Declaration 2015 (Harry Kroto). Photo: L. Wang

The Nobel Laureates on stage signing the Mainau Declaration 2015 (Harry Kroto). Photo: L. Wang

wang2 But Mainau brought all these ideas to a whole new level. There, the Nobel Laureates provided an eternal reminder of the importance of a scientist’s social responsibility. The vision of the Nobel Laureates signing the Mainau Declaration 2015 is something that I will remember forever – walking onto the stage as a group, holding arms, supporting each other, laughing, chatting, smiling as they each waited their turn to sign. These images remain a powerful illustration of the strength of unity, in purpose and conviction. I felt enormous pride and admiration as Brian Schmidt stood up as spokesperson for the Mainau Declaration 2015, and the solidarity and unity of all four Australian Nobel laureates as they joined an ever-growing number of Nobel Laureates gathered on stage, many of whom I was privileged to talk to during the course of the week. In terms of inspiring social responsibility, few things can motivate a young scientist more than watching one’s heroes united on stage, participating in a cause important to our future and that of our children. We left Mainau and Lindau, knowing that we had witnessed history in the making – a declaration that will hopefully help steer humanity in the right direction. And, having been transformed and inspired by this amazing week, we hope to pay forward the amazing opportunity given to us by the Council for the Lindau Nobel Laureate Meetings and the Nobel Laureates – to dedicate ourselves to science and society, now and forever more.

Daily Recap, Friday, 3 July 2015

The last day of the 65th Lindau Nobel Laureate Meeting was certainly a day that produced lasting memories for all who were involved. 36 Nobel Laureates banded together for an appeal to the political leaders of the world – the Mainau Declaration 2015. Here are some impressions:  
65th Lindau Nobel Laureate Meeting, Lindau, Germany  The Mainau Declaration Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

65th Lindau Nobel Laureate Meeting, Lindau, Germany
The Mainau Declaration
Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

 
Some of the signatories of the Mainau Declaration 2015 on Climate Change on stage just after the signing. Image: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings.

Some of the signatories of the Mainau Declaration 2015 on Climate Change on stage just after the signing. Image: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings.

 
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Nobel Laureate Stefan Hell signing the Mainau Declaration. Image: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings.

For more photos please visit our official FlickR photostream.   Blog post of the day: One day before the Mainau Declaration 2015 was signed Nobel Laureate Brian Schmidt took the time to talk about the goals of the appeal and how it came about. Click here to read the report   Besides the declaration a very interesting panel discussion on science education took place featuring Nobel Peace Prizewinner Kailash Satyarthi, among others. A full-length video of this discussion will be available at our mediatheque shortly.   Tweets of the day:   This post will conclude the 2015 Daily Recap. #LiNo15 was a great event that brought together some of the world’s most inspiring people. Thank you to all Nobel Laureates, young scientists, guests of honor, media representatives and everyone else who was involved.