Sowohl die Messdaten als auch Simulation numerischer Relativitätstheorie werden der gleichen Prozedur der Filtration unterzogen, bevor man sie vergleicht. Dadurch wird aber die filtrierte Simulationskurve und nicht originale Simulationskurve unverbindlich bestätigt. Man bräuchte für einen vollkommenen Beweis eine Rücktransformation, die erlaubte, originale Simulationskurve aus filtrierter Simulationskurve wiederherzustellen. Sonst ist der relativistische Ursprung vom Ereignis GW150914 nicht eindeutig belegt.
GW150914, schwache Stelle der Datenverarbeitung
Walter Orlov, September 2016
Abstract. The data processing, which was used for GW150914, has a weak spot. The relativistic simulation curve of the two merging black holes has not been confirmed directly. This curve was first filtered, as well as measurement data. But the filtered curve can also have several other curves as source. Therefore, the relativistic version of the origin for the event GW150914 as the gravitational wave has actually not been confirmed.
Zu erstem Mal sollten die Gravitationswellen am 14.09.2015 von Laser Interfe- rometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) direkt registriert werden1.
Das Ereignis bekam den Namen GW150914. Es handelt sich um ein ca. 0.2s- kurzes Signal. Eine passende Simulation numerischer Relativitätstheorie ergab, dass dessen Ursache eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in der Entfernung von 1.3 Milliarde Lichtjahren sein soll.
Laut2kann es sich nur um ein „echtes astrophysikalisches Ereignis“ handeln. Man spricht von einer Signifikanz von 5.1 ߪ. Umgerechnet zu konkretem Fall der Detektoren-Aufzeichnungen heißt das, dass per Zufall so ein Ereignis nur einmal in 200 Tausend Jahren registriert werden kann.
Selbstverständlich bekommt man den Eindruck und so wird es auch gewollt, dass dieses Ereignis erst nach 200 Tausend Jahren auftreten kann. Das vermittel- te Gefühl ist aber täuschend. Als zufällig kann ein Ereignis im allgemein schon gleich, schon in nächster Sekunde passieren, gleichgültig wie unwahrscheinlich es ist.
Die Signifikanz über 5ߪ gibt den Forschern quasi eine Versicherung, dass sie auf dem richtigen Weg sind. Doch das angewendete Datenverarbeitungsverfahren selbst hat eine Macke.
Die Webseite von LIGO Open Science Center (LOSC)3bietet gute Möglichkeit, die Messdaten des Ereignisses GW150914 nach allen Regeln an eigenem Computer zu analysieren.
Vor allem müssen die Rohdaten zuerst filtriert werden. In ursprünglicher Form weisen sie niederfrequente Schwingungen auf, die beinah 1000 Mal stärker sind, als das Nutzsignal. Außerdem sind sie mit einem hochfrequenten Rippel belas- tet. Abbildung 1 zeigt am Beispiel von Aufzeichnungen des LIGO-Detektors in Hanford, wie schlimm die Lage anfangs ist und was schließlich verwendete Da- tenverarbeitung bringt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1. Rohmessdaten oben und gefilterte Messdaten unten.
Allerdings, versucht man jetzt das bearbeitete Signal direkt mit der Simulation numerischer Relativitätstheorie zu vergleichen, sieht man gleich eine deutliche Diskrepanz. Abbildung 2 zeigt den Vergleich.
Besonders der linke Bereich fällt auf: Während die Simulationskurve schon starke Schwingungen aufweist, ist das Nutzsignal im Rauschen noch nicht zu erkennen. So kann man keine wirkliche Übereinstimmung feststellen.
Wo ist der Fehler? - Durch Filtration wurden nicht nur die Störungen unterdrückt, sondern auch das Signal selbst geändert.
Man braucht also, die Daten numerischer Simulation, genauso wie die Rohdaten, auch zu filtrieren, damit der Vergleich berechtigt wird. Abbildung 3 zeigt in diesem Fall eine offensichtliche Übereinstimmung. Das berechnete SignalRauschen-Verhältnis beträgt laut[1]SNR = 24.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2. Vergleich zwischen gefiltertem Signal und originaler Vorlage.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3. Gefiltertes Signal und gefilterte Vorlage übereinander.
Deshalb war die Freude der Forscher sehr groß, als sie diese Übereinstimmung sahen. Der Fund wurde zu einer Sensation.
Allerdings ist der letzte Schritt auch gleichzeitig eine schwache Stelle der Datenverarbeitung.
Eigentlich fehlt es an einer Rücktransformation, die erlaubte, aus gefilterter Vorlage originale Vorlage wiederherzustellen. Sonst ist relativistischer Ursprungs des Signals nicht eindeutig belegt.
Wenn wir uns die Abbildung 3 wieder anschauen, stellen wir fest, dass sich die Vorlage in linker Hälfte durch die Datenverarbeitung praktisch zu einer Gerade degradiert hat. Und aus einer Gerade einen Sinusoid wieder zu bekommen, ist offensichtlich das Ding der Unmöglichkeit. Darüber hinaus ist hier die Rücktransformation einfach unmöglich.
Ferner kann die Vorlage eine abweichende Form haben, nichtdestotrotz wird dieselbe Datenverarbeitung immer fast gleiche gefilterte Kurve als Ergebnis liefern. Dies wird mit den Abbildungen 4 und 5 verdeutlicht.
Abbildung 4. Abgeschnittene relativistische Vorlage
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zum Beispiel, kann der Anfang relativistischer Vorlage ohne weitere Konse- quenzen auf die Null gesetzt werden, weil dieser für die Datenverarbeitung irre- levant ist.
Andersrum, ändert der Aufschwung vor dem Ereignis das Resultat der Filtration nur geringfügig, sodass zurückgebliebene zusätzliche Welligkeit den Rauschpegel wiederum nicht überschreitet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5. Aufschwung vor dem Ereignis.
Abbildung 6 zeigt alle drei Kurven, die Simulation numerischer Relativitätstheorie einschließend, vor und nach der Filtration zusammen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Bereich des eigentlichen Ereignisses, wo das maximale Signal-Rauschen- Verhältnis von 24 erreicht wird, fallen alle drei Kurven zusammen. Deshalb sind die zwei Test-Kurven für die Beschreibung des Ereignisses GW150914 genauso gut geeignet wie relativistische Kurve selbst.
Die Anzahl so geänderter Vorlagen kann offensichtlich unendlich viel sein. In dieser Hinsicht bleibt wirkliches Aussehen des ursprünglichen Signals im Grunde genommen unbekannt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6. Drei Vorlagen vor (oben) und nach (unten) der Filtration.
Die Problematik wird weiterhin bestehen, solange die Daten der Computersimulation vor dem Vergleich mit den Messdaten zusätzlich bearbeitet werden, wodurch eindeutige Entsprechung zwischen originalen Simulationsdaten und bearbeiteten Simulationsdaten verloren geht.
Praktische Lösung sieht so aus: Die Störungen sollen so weit unterdrückt werden, dass sich die Fitration der Daten erübrigt. Die Messdaten könnten dann mit der Simulation numerischer Relativitätstheorie direkt verglichen werden. Auf diese Weise würde schon ein unverkennbarer Beweis erbracht.
Literatur:
[...]
1Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Phys. Rev. Lett. 116, 061102 - Published 11 February 2016
2 BEOBACHTUNG DER GRAVITATIONSWELLEN VON DER VER-
SCHMELZUNG ZWEIER SCHWARZER LÖCHER. LIGO Scientific Collabo- ration. http://www.ligo.org/science/Publication-GW150914/science-summary- german.pdf
GW150914, schwache Stelle der Datenverarbeitung
Walter Orlov, September 2016
Abstract. The data processing, which was used for GW150914, has a weak spot. The relativistic simulation curve of the two merging black holes has not been confirmed directly. This curve was first filtered, as well as measurement data. But the filtered curve can also have several other curves as source. Therefore, the relativistic version of the origin for the event GW150914 as the gravitational wave has actually not been confirmed.
Zu erstem Mal sollten die Gravitationswellen am 14.09.2015 von Laser Interfe- rometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) direkt registriert werden1.
Das Ereignis bekam den Namen GW150914. Es handelt sich um ein ca. 0.2s- kurzes Signal. Eine passende Simulation numerischer Relativitätstheorie ergab, dass dessen Ursache eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in der Entfernung von 1.3 Milliarde Lichtjahren sein soll.
Laut2kann es sich nur um ein „echtes astrophysikalisches Ereignis“ handeln. Man spricht von einer Signifikanz von 5.1 ߪ. Umgerechnet zu konkretem Fall der Detektoren-Aufzeichnungen heißt das, dass per Zufall so ein Ereignis nur einmal in 200 Tausend Jahren registriert werden kann.
Selbstverständlich bekommt man den Eindruck und so wird es auch gewollt, dass dieses Ereignis erst nach 200 Tausend Jahren auftreten kann. Das vermittel- te Gefühl ist aber täuschend. Als zufällig kann ein Ereignis im allgemein schon gleich, schon in nächster Sekunde passieren, gleichgültig wie unwahrscheinlich es ist.
Die Signifikanz über 5ߪ gibt den Forschern quasi eine Versicherung, dass sie auf dem richtigen Weg sind. Doch das angewendete Datenverarbeitungsverfahren selbst hat eine Macke.
Die Webseite von LIGO Open Science Center (LOSC)3bietet gute Möglichkeit, die Messdaten des Ereignisses GW150914 nach allen Regeln an eigenem Computer zu analysieren.
Vor allem müssen die Rohdaten zuerst filtriert werden. In ursprünglicher Form weisen sie niederfrequente Schwingungen auf, die beinah 1000 Mal stärker sind, als das Nutzsignal. Außerdem sind sie mit einem hochfrequenten Rippel belas- tet. Abbildung 1 zeigt am Beispiel von Aufzeichnungen des LIGO-Detektors in Hanford, wie schlimm die Lage anfangs ist und was schließlich verwendete Da- tenverarbeitung bringt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1. Rohmessdaten oben und gefilterte Messdaten unten.
Allerdings, versucht man jetzt das bearbeitete Signal direkt mit der Simulation numerischer Relativitätstheorie zu vergleichen, sieht man gleich eine deutliche Diskrepanz. Abbildung 2 zeigt den Vergleich.
Besonders der linke Bereich fällt auf: Während die Simulationskurve schon starke Schwingungen aufweist, ist das Nutzsignal im Rauschen noch nicht zu erkennen. So kann man keine wirkliche Übereinstimmung feststellen.
Wo ist der Fehler? - Durch Filtration wurden nicht nur die Störungen unterdrückt, sondern auch das Signal selbst geändert.
Man braucht also, die Daten numerischer Simulation, genauso wie die Rohdaten, auch zu filtrieren, damit der Vergleich berechtigt wird. Abbildung 3 zeigt in diesem Fall eine offensichtliche Übereinstimmung. Das berechnete SignalRauschen-Verhältnis beträgt laut[1]SNR = 24.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2. Vergleich zwischen gefiltertem Signal und originaler Vorlage.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3. Gefiltertes Signal und gefilterte Vorlage übereinander.
Deshalb war die Freude der Forscher sehr groß, als sie diese Übereinstimmung sahen. Der Fund wurde zu einer Sensation.
Allerdings ist der letzte Schritt auch gleichzeitig eine schwache Stelle der Datenverarbeitung.
Eigentlich fehlt es an einer Rücktransformation, die erlaubte, aus gefilterter Vorlage originale Vorlage wiederherzustellen. Sonst ist relativistischer Ursprungs des Signals nicht eindeutig belegt.
Wenn wir uns die Abbildung 3 wieder anschauen, stellen wir fest, dass sich die Vorlage in linker Hälfte durch die Datenverarbeitung praktisch zu einer Gerade degradiert hat. Und aus einer Gerade einen Sinusoid wieder zu bekommen, ist offensichtlich das Ding der Unmöglichkeit. Darüber hinaus ist hier die Rücktransformation einfach unmöglich.
Ferner kann die Vorlage eine abweichende Form haben, nichtdestotrotz wird dieselbe Datenverarbeitung immer fast gleiche gefilterte Kurve als Ergebnis liefern. Dies wird mit den Abbildungen 4 und 5 verdeutlicht.
Abbildung 4. Abgeschnittene relativistische Vorlage
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zum Beispiel, kann der Anfang relativistischer Vorlage ohne weitere Konse- quenzen auf die Null gesetzt werden, weil dieser für die Datenverarbeitung irre- levant ist.
Andersrum, ändert der Aufschwung vor dem Ereignis das Resultat der Filtration nur geringfügig, sodass zurückgebliebene zusätzliche Welligkeit den Rauschpegel wiederum nicht überschreitet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5. Aufschwung vor dem Ereignis.
Abbildung 6 zeigt alle drei Kurven, die Simulation numerischer Relativitätstheorie einschließend, vor und nach der Filtration zusammen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Bereich des eigentlichen Ereignisses, wo das maximale Signal-Rauschen- Verhältnis von 24 erreicht wird, fallen alle drei Kurven zusammen. Deshalb sind die zwei Test-Kurven für die Beschreibung des Ereignisses GW150914 genauso gut geeignet wie relativistische Kurve selbst.
Die Anzahl so geänderter Vorlagen kann offensichtlich unendlich viel sein. In dieser Hinsicht bleibt wirkliches Aussehen des ursprünglichen Signals im Grunde genommen unbekannt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6. Drei Vorlagen vor (oben) und nach (unten) der Filtration.
Die Problematik wird weiterhin bestehen, solange die Daten der Computersimulation vor dem Vergleich mit den Messdaten zusätzlich bearbeitet werden, wodurch eindeutige Entsprechung zwischen originalen Simulationsdaten und bearbeiteten Simulationsdaten verloren geht.
Praktische Lösung sieht so aus: Die Störungen sollen so weit unterdrückt werden, dass sich die Fitration der Daten erübrigt. Die Messdaten könnten dann mit der Simulation numerischer Relativitätstheorie direkt verglichen werden. Auf diese Weise würde schon ein unverkennbarer Beweis erbracht.
Literatur:
[...]
1Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Phys. Rev. Lett. 116, 061102 - Published 11 February 2016
2 BEOBACHTUNG DER GRAVITATIONSWELLEN VON DER VER-
SCHMELZUNG ZWEIER SCHWARZER LÖCHER. LIGO Scientific Collabo- ration. http://www.ligo.org/science/Publication-GW150914/science-summary- german.pdf
3SIGNAL PROCESSING WITH GW150914 OPEN DATA. LIGO Open Science Center (LOSC). https://losc.ligo.org/s/events/GW150914/GW150914_tutorial.html
Häufig gestellte Fragen zu "GW150914, schwache Stelle der Datenverarbeitung"
Was ist das Hauptproblem, das in dem Artikel "GW150914, schwache Stelle der Datenverarbeitung" diskutiert wird?
Das Hauptproblem ist, dass die Datenverarbeitung, die für die Analyse des Gravitationswellenereignisses GW150914 verwendet wurde, eine Schwachstelle aufweist. Die relativistische Simulationskurve der verschmelzenden Schwarzen Löcher wurde nicht direkt bestätigt, da sowohl die Messdaten als auch die Simulationskurve gefiltert wurden. Diese Filtration macht es unmöglich, die originale Simulationskurve eindeutig wiederherzustellen und somit den relativistischen Ursprung des Signals zweifelsfrei zu belegen.
Warum ist die Filtration der Daten ein Problem?
Die Filtration ist problematisch, weil sie nicht nur Störungen unterdrückt, sondern auch das Signal selbst verändert. Dadurch kann die gefilterte Kurve verschiedene Ursprünge haben, was bedeutet, dass die Übereinstimmung zwischen der gefilterten Simulationskurve und den gefilterten Messdaten nicht zwingend beweist, dass das Signal von einer relativistischen Simulation der Verschmelzung Schwarzer Löcher stammt.
Was bedeutet die Aussage, dass es an einer Rücktransformation fehlt?
Es fehlt eine Methode, um von der gefilterten Simulationsvorlage auf die originale, ungefilterte Simulationsvorlage zurückzuschließen. Ohne diese Rücktransformation ist es nicht möglich, den relativistischen Ursprung des Signals eindeutig zu beweisen, da die gleiche gefilterte Kurve aus unterschiedlichen ursprünglichen Kurven entstehen kann.
Welche Konsequenzen hat diese schwache Stelle in der Datenverarbeitung?
Die Konsequenz ist, dass der Beweis für den relativistischen Ursprung des Signals GW150914 nicht so stark ist, wie ursprünglich angenommen. Es besteht die Möglichkeit, dass das gefilterte Signal zwar mit einer gefilterten relativistischen Simulation übereinstimmt, aber das ursprüngliche Signal auch von anderen Quellen stammen könnte, die nach der Filtration ein ähnliches Ergebnis liefern.
Was schlägt der Autor als Lösung für dieses Problem vor?
Der Autor schlägt vor, die Störungen so weit zu unterdrücken, dass die Filtration der Daten unnötig wird. Die Messdaten könnten dann direkt mit der Simulation numerischer Relativitätstheorie verglichen werden. Dadurch würde ein unverkennbarer Beweis erbracht, da keine Informationen durch die Filtration verloren gehen.
Was bedeutet die Signifikanz von 5.1 σ (Sigma) im Kontext von GW150914?
Eine Signifikanz von 5.1 σ bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Ereignis GW150914 rein zufällig auftritt, extrem gering ist, nämlich nur einmal in 200.000 Jahren. Diese hohe Signifikanz gibt Forschern ein hohes Maß an Vertrauen, dass sie tatsächlich ein astrophysikalisches Ereignis beobachtet haben.
Worauf bezieht sich der Autor, wenn er von "einer Macke" in dem angewendeten Datenverarbeitungsverfahren spricht?
Der Autor bezieht sich auf die Problematik der Datenfiltration. Obwohl sie notwendig ist, um Störungen zu unterdrücken, verändert sie gleichzeitig das Signal selbst. Diese Veränderung erschwert es, den ursprünglichen Ursprung des Signals eindeutig zu bestimmen, und stellt somit eine "Macke" im Verfahren dar.
Was ist das LIGO Open Science Center (LOSC) und was bietet es in Bezug auf GW150914?
Das LIGO Open Science Center (LOSC) ist eine Webseite, die Messdaten des Ereignisses GW150914 zur Verfügung stellt. Es ermöglicht Interessierten, die Daten nach allen Regeln der Kunst auf ihrem eigenen Computer zu analysieren und somit die Forschungsergebnisse nachzuvollziehen oder eigene Analysen durchzuführen.
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- Walter Orlov (Author), 2016, GW150914. Die schwache Stelle der Datenverarbeitung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/341340
