Walter Orlov
Chirp, GW151226

Endlich wurden die Gravitationswellen direkt gemessen... 

"Also, es ist schon ein glücklicher Zufall, dass am ersten Tag, wo wir überhaupt etwas hätten detektieren können, gleich so ein dicker Bumms vorbeikam." (Link)

Aber eigentlich hätte man von LIGO was anders erwartet als nur ein "Zirp". Zwar hätte man über deutlich viel längere Aufzeichnungen der Gravitationswellen gefreut. Allerdings gibt es dafür eine Erklärung parat:

"Die beiden Schwarzen Löcher haben sich wohl bereits Millionen, wenn nicht gar Milliarden von Jahren umkreist. Die meiste Zeit haben sie langsam rotiert. Erst als sie sich so nahe gekommen waren, dass sie sich etwa 15 Mal pro Sekunde umkreisten, haben sie für Ligo messbare Gravitationswellen mit einer Frequenz von 30 Hertz abgestrahlt." (Link)

Anderseits geht man davon aus, dass es nicht nur ein Paar Schwarzer Löcher gibt, die in einer Entfernung von 1.34 Milliarden Lichtjahren einander umkreisen. Eigentlich muss es von Gravitationswellen, die die LIGO-Detektoren passieren, einfach wimmeln. Deshalb soll es zwangsläufig zu Überlagerungen kommen, deren Amplituden die ursprünglichen Amplituden um das Mehrfache übersteigen kann. Beispiel für zwei Wellen:

Bildquelle

Darüber hinaus sollten die LIGO-Detektoren in regelmäßigen Abständen solche Wellenberge aufgezeichnet haben. Davon wird aber nichts berichtet.   

Die Empfindlichkeit der LIGO-Detektoren wird demnächst vergrößert:

"Aber jetzt liegen die Detektoren erst mal still und werden verbessert. Wir sind ja noch nicht bei der Designempfindlichkeit bei Advanced LIGO, sondern noch etwa einen Faktor drei davon entfernt. Also da kommt noch mehr." (Link)

Ab Herbst 2016 muss es also in LIGO-Aufzeichnungen kontinuierliche Gravitationswellen auftauchen. Wenn wir aber in bestem Fall wieder nur kurze "Zilchs" zum Hören kriegen, wie wollen die Forscher das wohl erklären? 

Eigentlich habe ich von Anfang an keine große Übereinstimmung zwischen Simulationskurve

Relativistische Simulation

Quelle

und Messdaten

GW150914 Daten

Quelle

sehen konnte. Aber schließlich bin ich über folgendes Bild gestolpert, das die Grundzüge des Datenverarbeitungsverfahrens zeigt:

 

Ereignis GW150914

Quelle

Und zwar filtriert werden nicht nur Messdaten, sondern auch die Daten relativistischer Simulation. Und tatsächlich passt filtrierte theoretische Kurve "NR template, band and notchfiltered" schon besser zu filtrierten Messkurven "H1 signal, band and notch filtered" als originale theoretische Kurve "NR template".

Durch die Filtration verformt sich das originale Signal in den Messtaden. Deshalb schein es sinnvoll zu sein, auch berechnetes Signal derselben Prozedur zu unterziehen, damit notwendige Übereinstimmung festgestellt werden kann. 

Diese Vorgehensweise macht mich aber ein wenig stutzig. Man kann zwar aus ursprünglicher Funktion eine zu den Messdaten passende filtrierte Funktion kriegen, aber rückwärts geht es nicht: Aus filtrierter Funktion kann man ursprüngliche Funktion nicht wiederherstellen. Ähnlich wie beim Integrieren ist ursprüngliche Funktion für filtrierte Funktion nicht eindeutig definiert. Hier ist die Sache aber noch schlimmer.

"LIGO Open Science Center (LOSC)" bietet ausführliche Information, wie die Messdaten bearbeitet wurden: https://losc.ligo.org/s/events/GW150914/GW150914_tutorial.html.

Wenn man der Instruktion folgt, kann man die bekannten Bilder quasi selbst produzieren. Das haben sie toll gemacht. Besonders gut ist es, dass die Simulationsdaten in einer Textdatei gespeichert sind: https://losc.ligo.org/s/events/GW150914/GW150914_4_NR_waveform.txt

Daraus ergibt sich die Möglichkeit, diese zu manipulieren. Zuerst haben ich aber das nicht gemacht, sondern ursprüngliche Simulationskurve mit filtrierter Simulationskurve einfach verglichen. Absichtlich habe ich eine größere Zeitspanne als im Bild oben genommen, um zu zeigen, was ich meine.

Originale und filtrierte Simulationskurve

Durch Datenbearbeitung (Filtration) wird die Hälfte originaler Kurve im Diagramm praktisch zu einer Gerade. Frage: Wie bekommt man aus der Gerade wider einen Sinusoid? Wozu braucht man das? Bewiesen wurde, dass mit der Signifikanz von 5.1-Sigma die rechte Kurve mit den Messdaten übereinstimmt. Dann bleibt eigentlich noch übrig zu beweisen, dass sie definitiv nur von linker relativistischer Kurve stammen kann. Durch eine Rückwärtstransformation wäre es eindeutig bewiesen. Doch so eine Transformation gibt es nicht, beim Filtrieren geht die Information unwiderruflich verloren.    

Jetzt habe ich die Simulationsdatei für zwei Tests präpariert und, sieh da, kommen fast gleiche filtrierte Kurven heraus:

Datei 1: http://www.walter-orlov.wg.am/GW150914_Or1_waveform.txt

Test 1

Datei 2: http://www.walter-orlov.wg.am/GW150914_Or2_waveform.txt

Test 2

Und alles zusammen passt wunderbar zueinander und zu filtrierten Messdaten:

Zusammen

Hoffentlich wird jetzt die Problematik offensichtlich. Und sie wird weiter so bestehen, so lange die Simulationsdaten vor der Anwendung bearbeitet werden. Deshalb wurde aus meiner Sicht der relativistische Ursprung der von LIGO registrierten Ereignissen gar nicht bewiesen. (Siehe auch hier.)

Anderseits sieht der Augenblick der angeblichen Verschmelzung von Schwarzen Löchern einem Schwingungsphänomen sehr ähnlich. Bei der Entrümpelung eines alten Bücherschranks habe ich das Buch "Einführung in die Schwingungslehre" von H. Barkhausen zum Glück nicht weggeworfen.

Einführung in die Schwingungslehre

Dort beschreibt der Autor ausführlich eine sogenannte Kipperscheinung, die bei der Resonanz auftreten kann.

Barkhausen, Seite 33

Barkhausen, Seite 34

Eine Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von der Schwingungsamplitude kann also dazu führen, dass nicht nur sich die Resonanzfrequenz ändert, sondert auch die Schwingungsamplitude selbst plötzlich einbricht. Und genau so ein Verhalten beobachten wir bei Messkurven der Gravitationswellendetektoren. Ich würde sogar behaupten, dass es sich gerade um ein Paradebeispiel für die Kipperscheinung handelt. Vergleichen.

Gravitationswellenmessung vs. Bild 25

Im Grunde genommen ist in diesem Fall mit Signifikanz 5.1-Sigma durch ein aufwendiges Datenverarbeitungsverfahren nur das Signal selbst belegt. Wie kann man aber beweisen, welche Ursache es hat? LIGO wurde allein für die Registrierung von Gravitationswellen gebaut. Also sollen logischerweise die Gravitationswellen die Ursache sein… falls ja andere Quellen ausgeschlossen sind. 

Einen Hinweis liefern die Eigenschwingungen der Anlagen. Schauen wir uns das Endergebnis an:

Eigenschwingungen von LIGO-Detektoren 

Bild-Quelle

Links und rechts bei H1 und L1 strains sehen wir die Schwingungen der Anlagen vor und nach Ereignis. Überraschenderweise weisen sie ungefähr gleiche Periode von 5ms (200Hz) wie beim Abfall des Aufschwungs auf. Sind dies nicht die Eigenschwingungen der Detektoren? Ich denke doch. Man kann sich den Vorgang so vorstellen: Wenn es ruhig ist, schwingt die Anlage mit Eigenfrequenz, aber mit kleiner Amplitude (denn die Frequenz bestimmt extra gedämpft wird) vor sich hin. Danach kommt aber eine kurze Störung, als Folge gerät die Anlage aus dem Gleichgewicht, was schließlich in Kipperscheinung endet.

Man muss sich nicht wundern, dass die beiden Detektoren ähnlich verlaufende Anomalien aufweisen, denn man hat viel Wert darauf gelegt, zwei möglichst identische LIGO-Anlagen zu bauen. Dementsprechend verhalten sie sich eben identisch... Ich denke, die LIGO-Betreiber sollen erst ihre Apparatur nach potentiellen Ursachen für Kipperscheinungen genaust überprüfen, bevor die Physiker mit den Sensationen ausrücken.

Es kann noch eine Erklärung geben. Um die Laien mit der Wissenschaft in Berührung zu bringen, wurde folgende Ressource gegründet https://www.zooniverse.org/projects/zooniverse/gravity-spy. Man muss die Störrungen, die Glitches, die in den Aufzeichnungen von den LIGO-Detektoren vorkommen, katalogisieren. So sind z.B. 12 Chirps aus dem Katalog

 

Chirps, Glitches

 

und hier sind das Signal-Paar vom Ereignis GW150914

Chirp GW150914

Die Chirps aus dem Katalog sind jedoch einzeln, also, haben keinen Partner von anderem Detektor... Wie kann es sein, dass die Gravitationswelle einen Detektor passiert und den anderen verpasst?

Es sei denn, dass diese Chirps nur die Glitches, also, lediglich die Störrungen sind, die unabhängig von einander in jedem Detektor auftauchen. Und wenn sie fast gleichzeitig in beiden Detektoren erscheinen, soll es auf einmal heißen, dass sie einen kosmischen Ursprung haben? Die LIGO-Mitarbeiter sind wohl übermutig. Man muss dabei noch bedenken, dass die Glithes fast jede Sekunde auftauchen (link), es sind also ca. 2.6 Millionen im Monat des ununterbrochenen Betriebs. So kann es zu beliebigen Kombinationen kommen, wie es, z.B., die Kategorie Splotchs, d.h. Flecken, zeigt: 

 

Flecken

 

Und die Flecken liefern uns einen Hinweis auf wirklichen Ursprung der Gravitationswellensignale: Einzelne Glitches in Form der Flecken kommen zusammen und bilden eine Reihenfolge mit wachsender Frequenz. Das erkennt man an zweitem Ereignis GW151226 sogar ganz gut. Dabei sind auf folgender Abbildung blau gefärbt nicht selbständige Flecken, sondern die Ausschnitte aus den Flecken, die selbst in Wirklichkeit wohl fällig anderes Muster aufweisen als gesuchte Chirps.

 

GW151226 als Flecken

Quelle

Und irgendwann kann günstige Kombination von Flecken auch fast gleichzeitig in beiden Detektoren auftauchen!

Übrigens haben die Flecken mich an Wahrsagen mit dem Kaffeesatz erinnert. Dort gibt es auch Flecken, die auch gedeutet werden sollen.

Eigentlich habe ich die ganze Zeit gehofft, dass das Scheitern mit der Registrierung von den Gravitationswellen die Physiker zur Besinnung anregt... Doch sie haben sich offensichtlich anders überlegt. Sie griffen schließlich nach gleicher Methode, die schon gleich am Anfang für die Bestätigungen Allgemeiner Relativitätstheorie und zwar bei der Beobachtung der Lichtablenkung am Sonnenrand angewendet wurde.

Man nahm die wild verstreuten Messpunkte und machte die Aussage über quasi versteckte Gesetzmäßigkeit. Mithilfe der Wahrscheinlichkeitslehre berechnete man danach den Fehler, der eigentlich beliebig groß sein dürfte, denn am Ende zählte sowieso nur die Aussage: Beobachtungen liefern theoretische Werte. Somit war die Theorie bestätigt. Dass dabei auch radikal andere Gesetzmäßigkeiten zu verschmierten Verteilung sogar mit kleinerer Abweichung passten, wurde schlicht verschwiegen.

Die Geschichte wiederholt sich. Anstatt definitive Raumzeitschwingungen zu präsentieren, suchen die Forscher nach bestimmten Mustern im Rauschen. Man berechnet unterschiedliche Verschmelzungsvorgänge und schaut, welche von ihnen zu den Anomalien am besten passen. Und so auf einmal wird die Existenz sowohl von Schwarzen Löcher als auch von Gravitationswellen bestätigt. Phantasiere ich?

Betrachten wir noch einmal die zweite Gravitationswelle GW151226. Die Messdaten finden wir hier. Betrachten wir sogar nicht die Rohdaten, sondern bearbeitende "whitened data". Also, raten wir mal, wo das Signal versteckt ist:

GW151226 Messdaten

"Ausgefuchste Computeralgorithme von LIGO" haben aber ein folgendes Signal mit Signifikanz von 5 Sigma identifiziert (schwarze Kurve):

GW151226 Signal

Von echtem Nachweis kann es hier eher keine Rede sein. Aber so kann es wirklich weiter gehen. Hie und da, ab und zu, wird es wieder zu unerwarteter Unregelmäßigkeiten in den Aufzeichnungen der Detektoren kommen. Wieder werden sie als Folge der Verschmelzung von Schwarzen Löchern gedeutet. Überprüfen kann man das sowieso nicht. Man kann also für unerreichbare kosmische Entfernungen von Millionen bis hin zu über eine Milliarde Lichtjahren alles mögliches behaupten. Auf diese Weise werden die Ereignisse eher von irdischer Herkunft auf den Himmel projiziert, im Prinzip, genauso wie es die Astrologen früher mit der Erfindung vom Tierkreis gemacht haben...    

Wie lange wollen die Physiker diese Pseudoforschung noch betreiben, ist schwer zu schätzten. Wie gesagt, ich habe erwartet, dass sie schon jetzt aufhören, nun hat es sich gerade so herausgestellt, dass sie es lieber stur weiter machen. Dann kann man nur mit dem Kopf schütteln.

 

Nachtrag zu sogenanntem Doppelten Nachweis

Laut Meldungen sollte LIGO-Team einen Doppelten Nachweis erbracht haben:

1. Direkte Messung von Gravitationswellen.

2. Bestätigung der Existenz von Schwarzen Löchern.

Aus meiner Sicht gehört doppelt aber eher in Nenner als in Zähler, also, bei doppeltem Nachweis handelt es sich in Wirklichkeit sozusagen um einen halben Nachweis. Ein normaler, d.h. echter und einfacher Nachweis (bzw. Beweis) ist durch keine Glieder bedingt, die erst selbst experimentell nachgewiesen (bzw. bewiesen) werden sollen.

Im Fall LIGO kann man bei gemessener Kurve von Gravitationswellen reden, wenn sie durch Verschmelzung zweier Schwarzen Löcher erzeugt wurden. Gibt es sie aber tatsächlich? Konkurrenz machen nicht weniger hypothetische "Gravasterne". Auch wenn sie vorerst ausgeschieden haben (Link), können wohl auch andere "Gravamonster" ausgedacht werden, die die Schwarzen Löcher in Schatten stellen.

Im Grunde genommen ist die Existenz von Schwarzen Löchern lediglich reine theoretische Annahme. Und nur mit dieser Annahme können die Messsignale erst in Richtung des direkten Nachweises von Gravitationswellen interpretiert werden.

 

"Dritter Nachweis"

GW170104Ehrlich gesagt, galube ich bis jetzt nicht, dass die Wissenschaftler es wirklich ernst meinen. Schauen wir uns hier nur die Spektrogramme an:

Spektrogramm von GW170104

Quelle

Diese Spektrogramme sind nicht mal ähnlich: Unten (Livingston) haben wir zwar ein typisches Zirp, das auf eine Gravitationswelle schlechthin hindeuten könnte, aber oben (Hanford) ist ein Fleck. Normalerweise werde sie auch so katalogisiert, also gelangen logischerweise in verschiedene Mappen. Und sie würden wohl nie zusammen kommen, was auch ganz richtig gewesen wäre, wenn sich nicht ein hurtiger Wissenschaftler an die Sache herangemacht hätte:

"Dass das Signal überhaupt entdeckt wurde, ist einer sorgfältigen Analyse durch Alexander Nitz vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover zu verdanken: Er nahm an diesem Tag Kandidaten unter die Lupe, die ein von ihm entwickeltes Programm aus dem unübersichtlichen Datendschungel des LIGO-Systems herausfilterte. Die automatische Benachrichtigung, die LIGO normalerweise bei Signalkandidaten erzeugt, hatte dagegen nicht funktioniert. Fünf weitere solcher Kandidaten stehen nun noch in der Warteschlange." Spektrum

So eine Blamage habe ich echt nicht erwartet. So eifrig darf man gar nicht sein. Egal wie man die Relativitätstheorie anbetet, nüchtern und vernünftig muss man doch immer bleiben.  

 

Dänische Physiker

haben die Korrelationen im Rauschen zwischen den beiden LIGO-Detektoren während ersten Ereignisses GW150914 entdeckt. Aus meiner Sicht wäre es auch zu erwarten gewesen. Man hat eine beste Simulationskurve für beide Detektoren ausgewählt. Wahrscheinlich ist sie aber nicht die beste für jeden einzelnen Detektor. Das wäre gerade der Fall gewesen, wenn kein kosmisches Ereignis für registrierte Chirps zugrunde lag, sondern handelte es sich eher um einen seltenen Zufall, dass sich zwei ähnliche Glitcher in das Zeitfenster von 10ms gerieten. Als Folge kann ausgefiltertes Rauschen ähnliche Signaturen in beiden Detektoren enthalten, die von für jeden einzelnen Detektor nicht ganz passenden Simulationsdaten herrühren.

 

 

 

 

 

 

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