Gravitationswellen-Hintergrund entdeckt

[seeker]

Das ist interessant:

Gravitationswellen-Hintergrund entdeckt
Das gesamte All ist vom "Summen" extrem langwelliger Raumzeitschwingungen erfüllt
https://www.scinexx.de/news/kosmos/grav ... -entdeckt/

Man hat es durch einen Trick also tatsächlich geschafft Hinweise auf die Existenz dieser hochinteressanten langwelligen Gravitationswellen zu finden!
(Direkte Nachweise wären extrem aufwändig, auch zeitaufwändig, bekommt man nicht hin.)
Wow!
Die moderne Astronomie wird zwar immer indirekter, aber immerhin...

[Frank]

An diesem Punkt kommen die langwelligen Gravitationswellen ins Spiel: Wenn sie die Raumzeit zwischen uns und den Pulsaren dehnen und stauchen,

Ich frage jetzt einfach mal, auch wenn ich das Risiko jetzt eingehe, dass Gelächter ausbricht....

Wenn die Raumzeit gedehnt/gestaucht wird, vergeht sie dann nicht auch für diese Zeit schneller oder langsamer? Wenn man auf dieser Welle "reiten" könnte, würde dann die Zeit für diesen Moment stillstehen?

[seeker]

Also eine Gravitationswelle ist ja vom Prinzip her ein zeitlich veränderliches Gravitationsfeld, das sich in Form einer Transversalwelle mit c ausbreitet.

D.h., dass alle in der ART bekannten Effekte wie gravitative Zeitdilatation und Längenkontraktion im Prinzip schon auftreten.
Dann gibt es den Fluss der Eigenzeit des Beobachters selber, der immer konstant ist, also absolut. Sichtbar wären Änderungen hier also immer nur für einen enfernten Beobachter B, der den 'reitenden' Beobachter A auf der Welle beobachten würde.
Um die Zeit von A für einen entfernten Beobachter B scheinbar völlig anzuhalten, müsste also dasselbe geschehen wie am Ereignishorizont eines schwarzen Loches. Also müsste die Gravitationswelle dafür an ihrem Peak ein genauso starkes Gravitationsfeld haben wie dort...

Und darauf 'reiten', das wäre dann wohl im weitesten Sinne so ähnlich wie beim Alcubierre-Antrieb...
Oder man könnte sich ja vielleicht kurz hinter einen Wellenberg setzen, womit man nach vorne beschleunigt würde... bis der Wellenberg dann entfleucht ist (da mit c unterwegs, man selber aber nicht) und dann käme halt die nächste Welle von hinten und würde einen wieder abbremsen, womit nichts gewonnen wäre... aber es ginge wohl auch aus dem Grunde nicht, dass es sich um Transversalwellen handelt, wo die spürbare Kraftrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht. Wie man sieht: Ich bin unsicher, ob man da wenigstens theoretisch etwas mit anfangen könnte, für einen Vortrieb... vielleicht auch doch, da müsste man sich länger mit beschäftigen.

Es auf alle Fälle so, dass diese Wellen sehr schwach sind, d.h. von den Szenarien oben sind wir bei natürlichen Gravitationswellen im übertragenen Sinne sowieso nicht meilenweit, sondern viele Lichtjahre weit entfernt... Du wirst davon nichts merken. Deshalb ist es ja auch so, dass es ein großer messtechnischer Erfolg war (wofür auch ein beträchtlicher Aufwand notwendig war) diese Effekte im sonstigen Rauschen überhaupt nachweisen zu können, eben weil sie in der Realität so schwach sind.

[belgariath]

Aber um nochmals auf Franks Frage zurück zu kommen bzw. sie ein bisschen anders zu stellen:
Wodurch sind nun die beobachteten Unterschiede in der Puls-Periode eines Pulsars verursacht?
a: Dadurch dass eine vorüberziehende Gravitationswelle den Raum zwischen Pulsar und Erde staucht/dehnt.
b: Dadurch dass eine vorüberziehende Gravitationswelle die Eigenzeit des Pulsars (in Bezug zu uns) dehnt/staucht.
c: Durch beide Effekte a und b.

Hier (Bild zu Pulsar Timing Arrays) steht z.B.

[...] A gravitational wave (GW) changes the distance earth (E) - pulsar. While the distance changes also the time between pulses change. [...]

Die Krux steckt im zweiten Satz: Während sich die Entfernung ändert, ändert sich auch die Puls-Periode. Also müsste Antwort c richtig sein, oder?

[seeker]

Schwierig... also so wirklich verstanden habe ich das leider noch nicht.

Ich würde spontan sagen, es ist a).
Aber einmal blöd gefragt: Sind hier a) und b) überhaupt unterschiedliche bzw. unterscheidbare Effekte? Inwiefern?

Ich habe ein wenig geschaut und noch das hier gefunden:

WILL PULSAR TIMING ARRAYS OBSERVE THE HELLINGS AND DOWNS CORRELATION CURVE?
https://pure.mpg.de/rest/items/item_351 ... 58/content

Kompliziert... auf S.68, Figure 3 wird von Dopplershift gesprochen.
Außerdem scheint es wichtig zu sein, dass man Paare von Pulsaren betrachten muss und dort dann die Verschiebung zwischen diesen beiden misst (also Differenzmessung, keine Absolutmessung) und dass es sich bei den so detektierten Gravitationswellen um Hintergrundwellen handelt.

Das scheint wichtig, denn:

The Hellings and Downs curve is a calculation of this expected correlation as a function of the angle, using some model simplifications: that the gravitational waves are plane waves (virtually true if the gravitational wave sources are distant), and that there are sources in all directions and with all polarizations. If a correlation to the curve is found in the data, characteristics of the GW background are confirmed (e.g., whether it is isotropic), its quantification is obtained, and with such quantification at various frequencies, a gravitational wave spectrum of the background may be discerned. Furthermore, use of PTAs to search for GWs is proved valid and a means is provided to isolate any specific GW signal, e.g., from those of some specific binary SMBH.

http://astro.vaporia.com/start/hdcurve.html

Die Hellings- und Downs-Kurve ist eine Berechnung dieser erwarteten Korrelation als Funktion des Winkels, unter Verwendung einiger Modellvereinfachungen: dass die Gravitationswellen ebene Wellen sind (praktisch wahr, wenn die Gravitationswellenquellen weit entfernt sind) und dass es Quellen in allen Richtungen und mit allen Polarisationen gibt. Wenn in den Daten eine Korrelation zur Kurve gefunden wird, werden die Eigenschaften des GW-Hintergrunds bestätigt (z. B. ob er isotrop ist), seine Quantifizierung wird erhalten, und mit einer solchen Quantifizierung bei verschiedenen Frequenzen kann ein Gravitationswellenspektrum des Hintergrunds erkannt werden. Darüber hinaus hat sich die Verwendung von PTAs für die Suche nach GWs als gültig erwiesen, und es wird ein Mittel zur Verfügung gestellt, um ein bestimmtes GW-Signal zu isolieren, z. B. von den Signalen einer bestimmten binären SMBH.

ebd., mit Hervorhebung
Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

Wenn das nämlich ein Hintergrund ist, wie der kosmische Mikrowellenhintergrund, dann wäre es ja nicht so, dass diese Hintergrundgravitationswellen irgendwie erst die Pulsare erreichen und dann zur Erde weiterfliegen... sie wären stattdessen schon da und würden das gesamte Weltall ausfüllen, so wie der CMB ja auch. Und dann müsste man sich die Sache vielleicht eher wie stehende Wellen vorstellen? Oder?

Das hier ist vielleicht noch gut:

Understanding the gravitational-wave Hellings and Downs curve for
pulsar timing arrays in terms of sound and electromagnetic waves
https://arxiv.org/pdf/1412.1142.pdf

...falls du Lust hast dich da reinzufuchsen.

Dort auch (S.1):

Searches for stochastic gravitational-wave backgrounds using pulsar timing arrays effectively compare the measured correlations with the expected values from the Hellings and Downs curve to determine whether or not a signal from an isotropic, unpolarized background is present (or ab-
sent) in the data.

[belgariath]

Lust schon, aber nicht genügend um mir so viel Zeit zu nehmen wie nötig, man müsste ja wahrscheinlich bei den Grundlagen der ART anfangen.

Ich denke aber schon dass der von den PTAs gemessene Gravitationswellenhintergrund so wie der CMB auch wirklich ein Hintergrund ist. Diese Gravitationswellen füllen das ganze Weltall aus. Jede einzelne Welle zieht über alle Pulsare samt der Erde hinweg.
Den Zusammenhang zu stehenden Wellen sehe ich jetzt eher nicht. Eine stehende Welle entsteht doch wenn eine einlaufende Welle mit ihrer eigenen Reflexion interferiert.

[deltaxp]

Ich frage jetzt einfach mal, auch wenn ich das Risiko jetzt eingehe, dass Gelächter ausbricht....

Wenn die Raumzeit gedehnt/gestaucht wird, vergeht sie dann nicht auch für diese Zeit schneller oder langsamer

ja, genau das nutz man bei den pulsar-timing arrays aus.

Wenn man auf dieser Welle "reiten" könnte, würde dann die Zeit für diesen Moment stillstehen?

im prinzip ja, aber anders als du denkst. wenn du mit lichtgeschindigkeit unterwegs bist (und das geht nur für masselose teilchen wie photonen). vergeht keine zeit. photonen die aus unserer sicht milliarden jahre unterwegs sind, "sehen" das gesamte universum ohne zeit auf einmal.

https://www.youtube.com/watch?v=bAedYtUredI&t=9s

[belgariath]

Das sehe ich bisschen anders, aber korrigiert mich bitte wenn ich daneben liege. Zunächst mal: Was bedeutet denn auf einer Gravitationswelle reiten? Das müsst ihr genauer sagen.

Zweitens: Was ist mit "würde dann die Zeit für diesen Moment stillstehen?" gemeint? Welche Zeit ist gemeint? Jede Beobachterin und jedes Elementarteilchen hat seine eigene Zeit, die Eigenzeit eben. Und die Eigenzeit jeder Beobachterin vergeht gleich schnell, nämlich mit 1 s / 1 s. Die Zeit von anderen Bezugssystemen kann für eine Beobachterin schneller oder langsamer zu verstreichen scheinen.

Beispiel: Wie deltaxp sagt: Wenn sich eine Beobachterin mit (nahezu) Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, sieht sie (nahezu) instantan die gesamte Geschichte des Universums bis an sein Ende vorüberziehen. Dies ist ein Effekt der Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie.

Anderes Beispiel: Alice fällt ins Schwarze Loch und ein Beobachter Rob in großer Entfernung schaut zu. Rob sieht dass die Armbanduhr von Alice dann immer langsamer tickt und schließlich stillsteht. Rob wartet ewig, aber Alice und ihre Uhr scheinen einfach stillzustehen. Aus Alice' Sicht tickt ihre Armbanduhr wie eh und je, aber die Eindrücke von außerhalb dem Schwarzen Loch vergehen immer schneller und schließlich unendlich schnell sodass Alice das Ende des Universums mitbeobachten kann. Dies ist ein Effekt der gravitativen Zeitdilatation im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie.
Aus Robs Sicht scheint die Zeit von Alice stillzustehen, da sich Alice dem Ereignishorizont nähert, wo eine Koordinaten-Singularität auftritt.

Bei Gravitationswellen tritt aber keine Singularität auf, im Gegenteil: Die Krümmung der Raumzeit ist sehr schwach. Deshalb ist auch der Effekt durch die gravitative Zeitdilatation sehr schwach würde ich sagen.
Wenn eine Gravitationswelle über eine "Surferin" hinwegzieht, würde sie also von außen betrachtet Zeitdehnungen/-stauchungen erfahren, aber nur sehr schwache.

Die Surferin könnte auch probieren sich mit der Gravitationswellen mit zu bewegen. Ich glaube deltaxp ging von diesem Szenario aus. Ja okay, dann erfährt die Surferin die speziell relativistische Zeitdilatation, wenn sie eine genügend hohe Geschwindigkeit erreicht. Das ist dann aber eben komplett unabhängig von der Gravitationswelle (also keine gravitative Zeitdilatation) und rührt eben nur von der hohen Geschwindigkeit her.

[Skeltek]

Aus Alice' Sicht tickt ihre Armbanduhr wie eh und je, aber die Eindrücke von außerhalb dem Schwarzen Loch vergehen immer schneller und schließlich unendlich schnell sodass Alice das Ende des Universums mitbeobachten kann.

Ich stimme allem zu was du gesagt hast, bis auf diese Kleinigkeit. Würde Alice am EH stillstehen, würde sie tatsächlich die Zukunft des ganzen Universums sehen.

Leider aber entfernt sie sich als Beobachter von Allem indem sie von allem Außerhalb des SLs 'weg stürzt'. Das Licht zukünftiger Ereignisse kann sie auf dem Weg zur Singularität hin leider nicht einholen. Sie bekommt in den z.B. 10 Sekunden, in dem sie die Rolle als Beobachter einnimmt, vielleicht nur die nächsten 2-3 Sekunden des Universums mit, weil eben nur ein Teil des Lichtes sie vor ihrem Ende erreicht (es müsste sie ja einholen).

Und auf dem EH stehen bleiben würde bedeuten unendlich lange von der Singularität weg zu beschleunigen, dabei keine Eigenzeit zu erleben und den Zustand beizubehalten, bis das Universum endet
Auf dem EH bleibt sie ja nur aus Sicht von Bob hängen und nähert sich diesem immer langsamer an, wobei nachfolgendes Licht sie aber aus Sicht von Bob niemals einholen wird.

[Timm]

Anderes Beispiel: Alice fällt ins Schwarze Loch und ein Beobachter Rob in großer Entfernung schaut zu. Rob sieht dass die Armbanduhr von Alice dann immer langsamer tickt und schließlich stillsteht. Rob wartet ewig, aber Alice und ihre Uhr scheinen einfach stillzustehen. Aus Alice' Sicht tickt ihre Armbanduhr wie eh und je, aber die Eindrücke von außerhalb dem Schwarzen Loch vergehen immer schneller und schließlich unendlich schnell sodass Alice das Ende des Universums mitbeobachten kann.

Was du hier aus Alice's Sicht beschreibst, würde zutreffen, wenn sie nahe am Horizont stationär wäre. Diesen Fall regelt die gravitative Zeitdilatation. Befindet sie sich jedoch im freien Fall muss man den relativistischen Dopplereffekt hinzunehmen, der für sich betrachtet eine Rotverschiebung bewirkt. Berücksichtigt man beides, erhält man für den Horizont z = 1, d.h. in diesem Moment vergeht für Alice die Zeit der Außenwelt halb so schnell.

[Skeltek]

Anderes Beispiel: Alice fällt ins Schwarze Loch und ein Beobachter Rob in großer Entfernung schaut zu. Rob sieht dass die Armbanduhr von Alice dann immer langsamer tickt und schließlich stillsteht. Rob wartet ewig, aber Alice und ihre Uhr scheinen einfach stillzustehen. Aus Alice' Sicht tickt ihre Armbanduhr wie eh und je, aber die Eindrücke von außerhalb dem Schwarzen Loch vergehen immer schneller und schließlich unendlich schnell sodass Alice das Ende des Universums mitbeobachten kann.

Was du hier aus Alice's Sicht beschreibst, würde zutreffen, wenn sie nahe am Horizont stationär wäre. Diesen Fall regelt die gravitative Zeitdilatation. Befindet sie sich jedoch im freien Fall muss man den relativistischen Dopplereffekt hinzunehmen, der für sich betrachtet eine Rotverschiebung bewirkt. Berücksichtigt man beides, erhält man für den Horizont z = 1, d.h. in diesem Moment vergeht für Alice die Zeit der Außenwelt halb so schnell.

Ich bin mir nicht sicher, ob das so einfach geht. Die Betrachtung ist höchst dynamisch und hängt eigentlich auch von der Geschwindigkeit ab, mit welcher Alice den EH überschreitet.
Am EH wird aus Sicht von Alice alles von ihr weg beschleunigt - wie stark in bestimmten Entfernungen hängt von der Größe des SLs ab. Wie weit Photonen außerhalb des EHs von ihr weg sein dürfen um sie (im freien Fall) vor der Singularität noch einzuholen ist schwer zu ermitteln.

Ich weiss nicht ob der Begriff 'Zeitdillatation' in dem Zusammenhang überhaupt Sinn macht, da Zeitdillataion eine Folge der Relativität der Gleichzeitigkeit ist und in diesem höchst dynamischen System lassen sich keine statischen Gleichzeitigkeitsebenen zwischen verschiedenen Orten sinnvoll definieren, zumal es innerhalb des EHs keine statischen Orte mehr gibt.
Oder sehe ich das falsch?

[belgariath]

Zu Skels erstem Post:
Krass ja, das war mir so noch nicht bewusst / klar. Macht aber schon Sinn. Aber sieht Alice denn dann zwischen Ereignishorizont und Singularität überhaupt noch irgendwas? D.h. wird sie überhaupt von irgendwelchen Photonen getroffen?

Zu Timms Post:
Verstehe ich dich richtig dass für den Fall einer frei fallenden Alice sich die gravitative Blauverschiebung (der von Alice detektierten Strahlung von außerhalb des SLs) und die speziell relativistische Rotverschiebung (der von Alice detektierten Strahlung von außerhalb des SLs) genau zu z=1 am Ereignishorizont kompensieren? Das wusste ich auch noch nicht.

Zu Skels zweitem Post:
Sorry da muss ich leider aussteigen.

[Timm]

Zu Timms Post:
Verstehe ich dich richtig dass für den Fall einer frei fallenden Alice sich die gravitative Blauverschiebung (der von Alice detektierten Strahlung von außerhalb des SLs) und die speziell relativistische Rotverschiebung (der von Alice detektierten Strahlung von außerhalb des SLs) genau zu z=1 am Ereignishorizont kompensieren? Das wusste ich auch noch nicht.

Ja, das ist richtig. Man kann die beiden Formeln kombinieren und erhält dieses Resultat. Ich hab's vor etlichen Jahren spaßeshalber mal gerechnet. Man findet es auch im Web, aber etwas mühsam.

Alice sieht die Außenwelt bis sie die Singularität erreicht. Auch im Inneren gelten die Postulate der SRT, wie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, d.h. relativ zu Alice bewegt sich das einfallende Licht mit c.

[Timm]

Ich weiss nicht ob der Begriff 'Zeitdillatation' in dem Zusammenhang überhaupt Sinn macht, da Zeitdillataion eine Folge der Relativität der Gleichzeitigkeit ist und in diesem höchst dynamischen System lassen sich keine statischen Gleichzeitigkeitsebenen zwischen verschiedenen Orten sinnvoll definieren, zumal es innerhalb des EHs keine statischen Orte mehr gibt.
Oder sehe ich das falsch?

Der Wikipedia Artikel zur gravitativen Zeitdilatation könnte hilfreich sein. Dazu ist der Vergleich von Uhren in unterschiedlichem Gravitationspotential grundlegend. Für den Beobachter weit außen vergeht die Zeit der einfallenden Alice proportional zu sqrt(1-r_S/r), mit r_S dem Schwarzschildradius und r dem momentanen Radius von Alice. Für ihn bleibt Alices Zeit stehen, sobald gilt r=r_S. Dann ist Schluss, denn Innen ist der Ausdruck imaginär.