Gravitationswellen Die LIGO-Quelle GW Max Camenzind Senioren Uni SS2016

Transkript

1 Gravitationswellen Die LIGO-Quelle GW Max Camenzind Senioren Uni SS2016

2 Nachweis Gravitationswellen Epochemachend: NSF 1. Einstein Theorie bestätigt 2. Binäre Schwarze Löcher existieren

3 NSF Press Conference Bild: NSF

4 2 Pioniere der GWellenforschung Rainer Weiss & Kip Thorne Bild: NSF

5 Physicist Kip Thorne helped to found LIGO, together with Ronald Drever from the California Institute of Technology in Pasadena and Rainer Weiss of the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.

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7 Ein Paper mit 1000 Autoren

8 Das Corpus Delicti 2 Schwarze Löcher verschmelzen

9 Unsere Themen Warum Gravitationswellen (GWellen)? Gravitation ist keine Kraft, Gravitation ist Geometrie! GWellen Geometrie-Wellen Was sind Gravitationswellen (GWellen)? Eigenschaften, Entstehung, Stärke Welche Quellen gibt es für GWellen? Neutronensterne & Schwarze Löcher mergen Wie detektiert man GWellen? Resonanzantennen; Laserinterferometer: AdvancedLIGO, -VIRGO, GEO600, KAGRA, LIGO-India Die LIGO-Quelle GW Ein Gamma-Burster?

10 Einsteins Vision der Gravitation 1915

11 Einsteins Vision der Gravitation 1915

12 Krümmung = Rotation längs Loop V E 2 E 1 TV Riemann: 6 Rotationsmatrizen TV a = R a bcd Vb c d [E E2 1 ] ab, cd = 01, 02, 03, 12, 13, 23 Camenzind 2016

13 3+1 Zerlegung der Krümmung i,k,m,n = 1,2,3 GWellen = Gezeitenwellen 4D t 3D x (3) R i E = R i R i kmn im 0m0 km0 3-Krümmung Gezeiten-Kräfte Scherung, Twist Camenzind 2016

14 Gravitationswellen in der ART (Einstein 1916,1918) g ij = d ij + h ij h ij h ij : transverse, traceless and propagates at v=c 14

15 Wellengleichung für h aus R ik = 0 Wenn L = 4 km Auslenkung DL

16 h h h h h g ik ik h ik ART Gravitationswellen 1916 Tensor- oder Matrixwelle, R ik = 0 ) / ( i ) / ( i e e c z t c z t A h A h GWelle in z-richtung mit c Amplitude A + & A x dxdy h z y h x h t c s x 2 d )d (1 )d (1 d d Minkowski t x y z t x y z

17 GWellen Kraftwirkung auf Ring

18 Riemann-Tensor von GWellen Metrik einer Gravitationswelle Unabhängige Komponenten des Riemann-Tensors

19 Gravitationswelle = Gezeitenwelle Gezeiten-Komponente des Riemann-Tensors Relative Längenänderung dl/l = h dx = h + x ; dy = -h + y Stauchungswelle mit c dx = h x y ; dy = h x x Scherungswelle mit c

20 Gravitationswellen im Labor Rotierender Quadrupol Nicht messbar Rotierende Hantel Quadrupolmassenmoment Q Gravitationswellen im Labor Watt

21 GWellen Doppelsternsystem

22 Gravitationswellen Doppelsternsystem im Abstand R = 100 Mpc h 1 R G² 4 c 2m1m r 2 1 cos ² icos2 t R / c h 1 R G² 4 c 4m1m r 2 cosi sin 2 t h ~ R / c R: Distanz zum Schwerpunkt, in Einheiten R S, m ~ 1,4 2Gm 1 /Rc² = R S /R ~ : Abstand R in 100 Mpc r : Bahnradius von kompakten Binärsystem 2Gm 2 /rc² = R S /a ~ 10-2 : Kompaktheit = 2p/P, P : Bahnperiode ~ ms f ~ 10 Hz 3 khz i : Inklination der Bahnebene

23 Gravitationswellen Gezeitenwellen, die sich mit c ausbreiten

24 Indirekter Nachweis GWellen Nobelpreis 1993 an Taylor & Hulse Doppelpulsar a ~ Sonnenradius GWellenabstrahlung Bahnverkürzung um 7 mm / Tag

25 Wie detektiert man HF Gravitationswellen? GEO600 bei Hannover & Minigrail Teure & Billige Varianten

26 Joseph Weber ( ) Pionier der GWellen-Forschung

27 Joseph Weber, a physicist at the University of Maryland in College Park, believed that gravitational waves were real. In 1969, he announced that he had found them with a detector of his own invention: an aluminium cylinder, about 2 metres long and 1 metre in diameter, that rang when it was struck by such a wave. His result was never replicated, and was eventually rejected by nearly everyone except Weber himself. Nonetheless, his work drew many other researchers into the gravitational wave field.

28 Zylinderantennen im Ruhestand ALLEGRO Baton Rouge, LSU (USA) AURIGA Legnaro, INFN (Italien) EXPLORER Geneva, CERN, INFN (Schweiz) NAUTILUS Frascati, INFN (Italien) NIOBE Perth, UWA (Australien)

29 Rauschkurve Zylinderantennen Nachteil Schmalbandige Detektoren

30 Michelson-Interferometer Vorschlag 1970: Ray Weiss, MIT

31 Modernes GWellen-Interferometer 10 Watt 200 Watt 10 kwatt in Umlauf 1 MWatt in Umlauf!

32 Fabry-Perot Resonatoren Erdgebundene Interferometer können in der Regel nicht größer als wenige Kilometer gebaut werden. Um eine effektive Armlänge von ca Kilometern (Wellenlänge der GWelle) zu erreichen, werden Fabry-Perot Resonatoren verwendet, die auch in Lasern Verwendung finden und aus zwei dünnen parallel angeordneten vergüteten Spiegeln bestehen. Photonen die in die Resonatoren geraten, werden vielfach im Resonator hin und her reflektiert, was die Armlänge um einen Faktor F verlängert (F wird Finesse des Resonators genannt) F = advligo.

33 Dual Recycling Trotz des verstärkenden Effekts der Fabry-Perot Resonatoren sind konventionelle Laser zu schwach für Interferometer mit Kilometern Armlänge. Um die Intensität der Laserstrahlen weiter zu verstärken, wird gegenüber einem der Arme ein Spiegel angebracht (sog. Recycling Mirror ). Dies führt dazu, dass die Laserstrahlen im Interferometer eingefangen werden und sich wie bei den Fabry-Perot Resonatoren gegenseitig verstärken. Insgesamt wird so eine ca. 100-fach höhere Strahlungsintensität erreicht, weshalb auch schon 10 W Laser verwendet werden könnten, heute bis 200 W.

34 4 km linker Fabry-Perot Interferometer-Arm Moden Cleaning Power Recycling Strahlteiler Signal Recycling 4 km rechter Fabry-Perot Interferometer-Arm 200 Watt Laser Aufbau LIGO GWellen- Interferometer Signal Detektion Grafik: Camenzind

35 45 Jahre LIGO-Entwicklung : Entwicklung der Methode des Laser- Interferometers (Ray Weiss, Ron Drever); 1989: LIGO-Proposal an NSF (Kip Thorne) Bau eines internationalen GWellen-Interferometers und spätere Upgrades; : Bau und Installation des GWellen- Interferometers; : Commissioning-Phase; , : Suche nach GWellen; : Upgrade Enhanced LIGO; : Upgrade auf AdvancedLIGO. 2015/2016: Erste Science Runs mit AdvLIGO

36 Problem : Störquellen Aufgabe: Rauschen so gut wie möglich unterdrücken

37 DL = h rms L ~ 4 x cm = 0,001 R p für Bandbreite von 100 Hz Data: LIGO

38 LIGO (USA) LIGO Observatories are operated by Caltech and MIT LIGO Livingston Observatory 1 Interferometer 4 km Arme 2 Interferometer 4 km, 2 km Arme LIGO Hanford Observatory

39 GWellen-Interferometer LIGO H2 nach Indien verlagert LIGO-India Bild: LIGO

40 GWellen-Interferometer Hanford Bild: LIGO

41 Anlage des Ligo-Detektors in Hanford, USA

42 The LIGO Livingston Observatory in Louisiana sits in the middle of a pine forest.

43 Bild: LIGO LIGO Detektor in Louisiana

44 AdvancedLIGO & -Virgo > kw 25 W 125 W 750 kw Grafik: AdvLIGO

45 advligo erreichte Verbesserungen Bessere seismische Isolation Schwerere Testmassen & Aufhängung Höhere Leistung im Laser 200 W

46 AdvancedLIGO & -Virgo Ausbau Laser Power: 10 W 125 1,064 µm (entwickelt am AEI Hannover) Quantenrauschen Aktive seismische Isolation (Quadrupol-Pendel). Test Massen werden größer Reduktion im thermischen Rauschen. Test Massen werden schwerer 11 kg 40 kg Reduktion im Rauschen durch Strahlungsdruck. Test Massen Aufhängung Reduktion im thermischen Rauschen der Aufhängung. Signal Recycling Signalverstärkung.

47 Spiegelaufhängung Seismische Isolation Grafik: AdvLIGO

48 Bild: AdvLIGO

49 AdvancedLIGO Spiegel-Test 40 kg Quarzspiegel Bild: AdvLIGO

50 Bild: AdvLIGO AdvancedLIGO Kontrollraum

51 AdvancedLIGO Rauschkurve 2015 Eine Eigenschwingung Delta-Funktion im Fourierraum aligo 2015 LIGO 2011 Resonanzschwingungen advligo 2020 advligo 2017 Grafik: AdvLIGO/Camenzind

52 GWellen Observatorium advligo Physical Review Letter

53 : 1. GWellen Detektion Physical Review Letter

54 AdvLIGO Simulierter BH- Chirp [Grafik: AdvLIGO]

55 AdvLIGO BH-BH Merger Chirp Chirp Frequenz f(t) = f 0 (1 t/t M ) -3/8 [Grafik: AdvLIGO]

56 AdvLIGO BH-BH Merger Chirp [Grafik: AdvLIGO]

57 Die 3 Phasen im Merging Prozess Physical Review Letter

58 Gravitationswellen Abschätzung Doppelsternsystem GW R = 400 Mpc m 1 = 36 M S, m 2 = 29 M S M = 62 M S, a = 0,65 R: Distanz zum Schwerpunkt, in Einheiten R S 2Gm 1 /Rc² = R S /R = 108/1,23x10 22 = 8,8x10-21 : Abstand R in 400 Mpc r : Bahnradius von kompakten Binärsystem 2Gm 2 /rc² = R S /a ~ 10-1 : Kompaktheit h ~ f : Frequenz der Welle: f = Hz f l = c l : Wellenlänge = 2000 km 500 x 4 f = 150 Hz! P : Bahnperiode: P = 2p(GM/c³) x (ac²/gm) 3/2 = 2 ms x 5,2 = 10,4 a = 3 GM/c² Frequenz der GWelle: f = 2 x 96,2 = 192 Hz Fundamentale Konstante aus Shapiro Time-Delay: GM S /c³ = 4, µs

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60 Die Lokalisierung der Quelle Physical Review Letter

61 GBM-Detektion zu GW Grafik: Fermi/NASA

62 Grafik: Fermi/NASA

63 Bild: VIRGO

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65 Strahlteiler Bild: VIRGO

66 40 kg Spiegel ETM aus Quarzglas 35 cm x 20 cm Bild: VIRGO

67 AdVIRGO Ultrahoch Vakuum 3 km Bild: VIRGO

68 Vergleich advligo - advvirgo Living Reviews

69 Geplante Beobachtungs-Runs Living Reviews

70 KAGRA Japan im Aufbau in Mine

71 KAGRA Japan im Aufbau in Kamioka

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75 Einstein Teleskop ET Design Studie

76 Zylinderantenne KAGRA Grafik: EGO 2011

77 Sensitivity h 1. LIGO Gravitationswellenastronomie Advanced LIGO 2. Generation Detektoren 3. Einstein Teleskop ET elisa, DECIGO + Adv Virgo + KAGRA + LIGO-India Grafik: Camenzind 2016

78 Zusammenfassung - Zeitplan Gravitationswellen existieren durch Messung von SL-Merging bestätigt. Bereits 1993 ein Nobelpreis vergeben. Detektoren der 1. Generation (GEO600, LIGO, VIRGO) Machbarkeitsstudien. Detektoren der 2. Generation > 2015 werden Existenz von GWellen nachweisen. Einstein Teleskop (3. Generation) wird den Durchbruch in der Gravitationswellen- Astronomie bringen - erst ab etwa 2030.

79 NS+NS Merger: 1,22+1,22 M S Es bildet sich ein balkenförmiger NStern, der mit etwa 0,7 ms rotiert und damit GWellen mit Frequenz f = 2f Orb = 3 khz abstrahlt. arxiv:

80 Inspiral Neutronenstern Merger 6 NS-Radien 3 NS-Radien µ: reduzierte Masse = m 1 m 2 /M ~ m/2 ~ 1 km grav. Einheit

81 NS+NS BH NS+NS SMNS 1,43+1,43 M S 1,22+1,22 M S Chirp arxiv:

82 1,42+1,29 M S arxiv:

83 GWellen Spektrum NS-Merger arxiv:

84 Spektrum GWellen NS Merger advvirgo advligo ET arxiv: