Wellen der Unsicherheit
Im Januar dieses Jahres wurde berichtet, dass das LIGO-Observatorium möglicherweise das zweite Ereignis der Verschmelzung zweier Neutronensterne aufgezeichnet hat. Diese Informationen sehen in den Medien großartig aus, aber viele Wissenschaftler beginnen ernsthafte Zweifel an der Zuverlässigkeit der Entdeckungen der aufkommenden „Gravitationswellenastronomie“ zu haben.
Im April 2019 entdeckte der LIGO-Detektor in Livingston, Louisiana, eine Kombination von Objekten, die sich etwa 520 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. Diese Beobachtung, die mit nur einem Detektor in Hanford gemacht wurde, wurde vorübergehend deaktiviert, und Virgo registrierte das Phänomen nicht, hielt es aber dennoch für ein ausreichendes Signal des Phänomens.
Signalanalyse GW190425 wies auf die Kollision eines Doppelsternsystems mit einer Gesamtmasse von 3,3 - 3,7 Sonnenmassen hin (1). Dies ist deutlich größer als die Massen, die üblicherweise in Neutronendoppelsternsystemen in der Milchstraße beobachtet werden und zwischen 2,5 und 2,9 Sonnenmassen liegen. Es wurde vermutet, dass die Entdeckung eine Population von Doppelneutronensternen darstellen könnte, die zuvor noch nicht beobachtet wurde. Nicht jeder mag diese Vermehrung von Wesen über die Notwendigkeit hinaus.
1. Visualisierung der Kollision des Neutronensterns GW190425.
Tatsache ist, dass GW190425 von einem einzigen Detektor aufgezeichnet wurde, bedeutet, dass Wissenschaftler den Ort nicht genau bestimmen konnten, und es gibt keine Beobachtungsspur im elektromagnetischen Bereich, wie im Fall von GW170817, der ersten von LIGO beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne (was ebenfalls zweifelhaft ist , aber dazu weiter unten mehr). Es ist möglich, dass dies nicht zwei Neutronensterne waren. Vielleicht eines der Objekte Schwarzes Loch. Vielleicht beides. Aber dann wären sie kleinere Schwarze Löcher als alle bekannten Schwarzen Löcher, und Modelle für die Entstehung von binären Schwarzen Löchern müssten neu aufgebaut werden.
Es gibt zu viele dieser Modelle und Theorien, an die man sich anpassen muss. Oder vielleicht beginnt sich die "Gravitationswellenastronomie" an die wissenschaftliche Strenge der alten Gebiete der Weltraumbeobachtung anzupassen?
Zu viele Fehlalarme
Alexander Unziker (2), ein deutscher theoretischer Physiker und angesehener populärwissenschaftlicher Autor, schrieb im Februar auf Medium, dass die Gravitationswellendetektoren LIGO und VIRGO (3) trotz großer Erwartungen in einem Jahr nichts Interessantes gezeigt haben, außer zufälligen Fehlalarmen. Laut dem Wissenschaftler weckt dies ernsthafte Zweifel an der verwendeten Methode.
Mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik 2017 an Rainer Weiss, Barry K. Barish und Kip S. Thorne schien die Frage, ob Gravitationswellen nachgewiesen werden können, ein für alle Mal geklärt. Die Entscheidung des Nobelkomitees betrifft extrem starke Signalerkennung GW150914 auf einer Pressekonferenz im Februar 2016 vorgestellt, und das bereits erwähnte Signal GW170817, das der Verschmelzung zweier Neutronensterne zugeschrieben wurde, da zwei andere Teleskope ein konvergierendes Signal aufzeichneten.
Seitdem sind sie in das offizielle wissenschaftliche Schema der Physik eingetreten. Die Entdeckungen riefen begeisterte Reaktionen hervor, und eine neue Ära in der Astronomie wurde erwartet. Gravitationswellen sollten ein "neues Fenster" zum Universum sein, das das Arsenal bisher bekannter Teleskope ergänzen und zu völlig neuen Arten der Beobachtung führen würde. Viele haben diese Entdeckung mit Galileos Teleskop von 1609 verglichen. Noch begeisterter war die gesteigerte Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren. Die Hoffnungen auf Dutzende spannender Entdeckungen und Entdeckungen während des O3-Beobachtungszyklus, der im April 2019 begann, waren groß. Bisher, so Unziker, haben wir jedoch nichts.
Genau genommen wurde keines der in den letzten Monaten aufgezeichneten Gravitationswellensignale unabhängig verifiziert. Stattdessen gab es eine unerklärlich hohe Anzahl an Fehlalarmen und Signalen, die dann heruntergestuft wurden. Fünfzehn Ereignisse haben den Validierungstest mit anderen Teleskopen nicht bestanden. Außerdem wurden 19 Signale aus dem Test entfernt.
Einige von ihnen wurden ursprünglich als sehr bedeutend angesehen – zum Beispiel wurde GW191117j auf ein Ereignis mit einer Wahrscheinlichkeit von 28 zu 190822 Milliarden Jahren geschätzt, für GW5c auf 200108 zu 1 Milliarden Jahren und für GW100v auf XNUMX zu XNUMX. Jahre. Wenn man bedenkt, dass der betrachtete Beobachtungszeitraum nicht einmal ein ganzes Jahr war, gibt es viele solcher Fehlalarme. Möglicherweise stimmt etwas mit der Signalisierungsmethode selbst nicht, kommentiert Unziker.
Die Kriterien für die Einstufung von Signalen als „Fehler“ seien seiner Meinung nach nicht transparent. Es ist nicht nur seine Meinung. Die renommierte theoretische Physikerin Sabina Hossenfelder, die zuvor auf Mängel in den Datenanalysemethoden von LIGO-Detektoren hingewiesen hat, kommentierte in ihrem Blog: „Das bereitet mir Kopfschmerzen, Leute. Wenn Sie nicht wissen, warum Ihr Detektor etwas aufnimmt, was Sie nicht erwarten, wie können Sie ihm dann vertrauen, wenn er sieht, was Sie erwarten?
Die Fehlerinterpretation legt nahe, dass es kein systematisches Verfahren gibt, um tatsächliche Signale von anderen zu trennen, außer um offensichtliche Widersprüche mit anderen Beobachtungen zu vermeiden. Leider haben 53 Fälle von „Kandidatenentdeckungen“ eines gemeinsam – niemand außer dem Reporter hat dies bemerkt.
Die Medien neigen dazu, LIGO/VIRGO-Entdeckungen vorschnell zu feiern. Wenn nachträgliche Analysen und Bestätigungen scheitern, wie es seit Monaten der Fall ist, gibt es in den Medien keine Begeisterung oder Korrektur mehr. In dieser weniger effektiven Phase zeigen die Medien überhaupt kein Interesse.
Nur ein Nachweis ist sicher
Verfolge man die Entwicklung der Lage seit der vielbeachteten Eröffnungsankündigung im Jahr 2016, so Unziker, dürften die aktuellen Zweifel nicht überraschen. Die erste unabhängige Auswertung der Daten erfolgte durch ein Team des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen unter der Leitung von Andrew D. Jackson. Ihre Analyse der Daten ergab seltsame Korrelationen in den verbleibenden Signalen, deren Ursprung trotz der Behauptungen des Teams immer noch unklar ist alle Anomalien enthalten. Signale entstehen, wenn Rohdaten (nach umfangreicher Vorverarbeitung und Filterung) mit sogenannten Templates, also theoretisch erwarteten Signalen aus numerischen Simulationen von Gravitationswellen, verglichen werden.
Bei der Analyse von Daten ist ein solches Verfahren jedoch nur dann angemessen, wenn die Existenz des Signals selbst festgestellt und seine Form genau bekannt ist. Andernfalls ist die Musteranalyse ein irreführendes Werkzeug. Jackson machte dies während der Präsentation sehr effektiv und verglich das Verfahren mit der automatischen Bilderkennung von Autokennzeichen. Ja, es gibt kein Problem mit dem genauen Lesen auf einem verschwommenen Bild, aber nur, wenn alle Autos, die in der Nähe vorbeifahren, Nummernschilder in genau der richtigen Größe und im richtigen Stil haben. Würde der Algorithmus jedoch auf Bilder „in der Natur“ angewendet, würde er das Nummernschild von jedem hellen Objekt mit schwarzen Flecken erkennen. Unziker glaubt, dass dies mit Gravitationswellen passieren kann.
3. Netzwerk von Gravitationswellendetektoren in der Welt
Es gab weitere Zweifel an der Signalerfassungsmethodik. Als Reaktion auf die Kritik entwickelte die Kopenhagener Gruppe ein Verfahren, das rein statistische Merkmale verwendet, um Signale ohne die Verwendung von Mustern zu erkennen. Bei der Anwendung ist der erste Vorfall vom September 2015 noch deutlich in den Ergebnissen zu erkennen, aber ... bisher nur dieser. Eine so starke Gravitationswelle kann kurz nach dem Start des ersten Detektors als "Glück" bezeichnet werden, aber nach fünf Jahren beginnt das Fehlen weiterer bestätigter Entdeckungen Anlass zur Sorge. Wenn es in den nächsten zehn Jahren kein statistisch signifikantes Signal gibt, wird es eines geben erste Sichtung von GW150915 immer noch als real angesehen?
Einige werden sagen, dass es später war Erkennung von GW170817, das heißt, das thermonukleare Signal eines binären Neutronensterns, das mit instrumentellen Beobachtungen im Gammastrahlenbereich und optischen Teleskopen übereinstimmt. Leider gibt es viele Ungereimtheiten: Der Nachweis von LIGO wurde erst mehrere Stunden, nachdem andere Teleskope das Signal registriert hatten, entdeckt.
Das erst drei Tage zuvor gestartete VIRGO-Labor gab kein erkennbares Signal von sich. Zudem kam es am gleichen Tag zu einem Netzwerkausfall bei LIGO/VIRGO und ESA. Es gab Zweifel an der Kompatibilität des Signals mit einer Neutronensternverschmelzung, einem sehr schwachen optischen Signal usw. Andererseits behaupten viele Wissenschaftler, die Gravitationswellen untersuchen, dass die von LIGO erhaltenen Richtungsinformationen viel genauer waren als die Informationen von die anderen beiden Teleskope, und sie sagen, dass der Fund kein Zufall gewesen sein kann.
Für Unziker ist es ein ziemlich beunruhigender Zufall, dass die Daten sowohl für GW150914 als auch für GW170817, die ersten Ereignisse dieser Art, die auf großen Pressekonferenzen erwähnt wurden, unter „anormalen“ Umständen gewonnen wurden und unter damals viel besseren technischen Bedingungen nicht reproduziert werden konnten Messungen langer Serien.
Dies führt zu Nachrichten wie einer angeblichen Supernova-Explosion (die sich als Illusion herausstellte), Einzigartige Kollision von Neutronensternenes zwingt Wissenschaftler dazu, „Jahre herkömmlicher Weisheit zu überdenken“ oder sogar ein Schwarzes Loch mit 70 Sonnenstrahlen, das das LIGO-Team als vorschnelle Bestätigung seiner Theorien bezeichnete.
Unziker warnt vor einer Situation, in der die Gravitationswellenastronomie in den berüchtigten Ruf geraten wird, „unsichtbare“ (ansonsten) astronomische Objekte zu liefern. Um dies zu verhindern, bietet es eine größere Transparenz der Methoden, die Veröffentlichung der verwendeten Vorlagen, Analysestandards und die Festlegung eines Ablaufdatums für nicht unabhängig validierte Ereignisse.
