Nobelpreis in Physik 2017 Gravitationswellen Max Camenzind / Okt Max Camenzind

Transkript

1 Nobelpreis in Physik 2017 Gravitationswellen Max Camenzind / Okt Max Camenzind

2 Was sind Wellen? Was ist Gravitation? Unsere Themen Was sind Gravitationswellen (GWellen)? Wer sind die Nobelpreisgewinner in Physik 2017? Wie misst LIGO/VIRGO/Geo600 GWellen? Die 4 GWellen-Ereignisse Das GWellen-Ereignis GW Zukunft der GWellen-Detektoren bis 2030

3 Was ist eine Welle in der Physik? Eine Welle ist eine sich räumlich ausbreitende Veränderung oder Schwingung einer orts- und zeitabhängigen physikalischen Größe. Unterschieden werden mechanische Wellen, die stets an ein Medium gebunden sind (Schallwellen), und Vakuumwellen, die sich auch im Vakuum ausbreiten können (beispielsweise elektromagnetische Wellen, Feldwellen oder Gravitationswellen).

4 Beispiel: Wasserwellen

5 Die Föhnwelle - stehende Welle

6 Die Stadionwelle mechanische Welle Selbst die Stadionwelle, genannt La Ola, bei der die Zuschauer zeitlich versetzt von den Sitzen springen und die Arme hochreißen, ist nicht dem Menschen vorbehalten. Auch die Präriehunde in den weiten Grasländern Nordamerikas beherrschen diese Kunst der koordinierten Bewegung.

7 Beispiel: Elektromagnetische Welle Schwingender Dipol

8 Elektrisches Feld E Wellenlänge und Amplitude

9 Elektromagnetische Welle Vakuumwelle: l f = c

10 Das Huygen sche Prinzip Eine Wasserwelle trifft auf unsere Wand mit den zwei Öffnungen. Entsprechend dem Huygen schen Prinzip ist nun jeder Punkt der Ausgangspunkt einer Kugelwelle und die verschiedenen Wellen interferieren miteinander und erzeugen am Schirm ein charakteristisches Muster.

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12 Einstein: Gravitation g ist keine Kraft! Gravitation ist Gezeitenkraft Messung durch Abstandsbestimmung ds in 4D Daraus erklärt sich auch, warum der Mond für die Ebbe und Flut verantwortlich ist. Die Gezeitenkraft des Mondes kann zwar die Erde nicht zerreißen, wohl aber die 'Wassermassen deformieren'. Die Erde dreht sich unter der deformierten Wasserfläche durch: so entstehen Ebbe und Flut.

13 Gezeitenkräfte Quadrupolkräfte

14 Gravitation ist Krümmung der RaumZeit (Einstein 1915) Die Welt ist 4-dimensional (a,b = 0,1,2,3) Grafik: Camenzind 2016

15 3+1 Zerlegung der Krümmung 4D t 3D x (3) R i E = R i R i kmn im tmt kmt 3-Krümmung Gezeiten-Kräfte Scherung, Twist ( i,k,m,n = 1,2,3 ) Grafik: Camenzind 2016

16 Gezeitenkräfte = 4D Krümmung Asteroid R t qtq Vakuum R t rtr Neutronen-Stern Grafik: Camenzind 2016

17 Was sind Gravitationswellen? Gravitationswellen sind Gezeitenwellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum ausbreiten Riemann-Tensor ist zeit- & ortsabhängig, kann nicht weggeeicht werden. Gravitationswellen existieren in der Newtonschen Theorie der Gravitation nicht! Ihr Nachweis ist deshalb eine weitere Bestätigung der Richtigkeit der Einstein`schen Theorie der Gravitation von 1915.

18 Gravitationswellen in der ART (Einstein 1916,1918) g ij ij h h ij : transversal, spurlos und propagiert mit v=c ij

19 Ohne Gravitation bewegen sich die Teilchen auf Geraden

20 Eine Gravitationswelle verändert periodisch die Abstände

21 Linear Polarisierte GWelle

22 GWellen Kraftwirkung auf Ring

23 GWellen Kraftwirkung auf Ring

24 Gravitationswelle = Gezeitenwelle 2 Polarisationen: Stauchung & Scherung Relative Längenänderung L/L = h dx = h + x ; dy = -h + y Stauchungswelle mit c y x dx = h x y ; dy = h x x Scherungswelle mit c

25 Zirkular Polarisierte GWelle

26 Die Nobelpreisträger 2017 Rainer Weiss (MIT) Kip Thorne (Caltech) Barry Barish (Caltech)

27 Der Nobelpreis in Physik 2017 Die drei Astro-Physiker unter ihnen der deutschstämmige Rainer Weiss hatten 2015 erstmals die Gravitationswellen beobachtet und konnten damit einen zentralen Baustein von Albert Einsteins Relativitätstheorie bestätigen. Die Jury würdigte mit der Auszeichnung die entscheidenden Beiträge der drei Wissenschaftler am Ligo-Observatorium und ihre Aufsehen erregende Entdeckung.

28 Rainer Weiss, Kip Thorne & Barry Barish Schon Mitte der 1970er Jahre hatte Rainer Weiss die Idee zum Laser-Interferometer am M.I.T. entwickelt und mögliche Störquellen im Hintergrund analysiert, die eine Entdeckung von Gravitationswellen verhindern könnten. Kip Thorne betrachtete die Angelegenheit von der theoretischen Seite. Beide Forscher waren nicht nur überzeugt davon, dass sich diese Wellen messen lassen würden, sondern auch, dass sie uns wichtige Informationen über das Universum liefern können. So entstand schließlich der Gravitationswellen-Detektor LIGO in den USA, der aus zwei gewaltigen Laser-Interferometern besteht. Barry Barish war der Mann, der dabei die Fäden in der Hand hielt und schließlich dafür sorgte, dass die Anlage so empfindlich wurde, dass damit auch Gravitationswellen gemessen werden konnten. Das Projekt drohte in den 90er Jahren zu scheitern.

29 Rai Weiss demonstriert Doppelpendel als Spiegelaufhängung Photo: NSF

30 Gabriela Gonzalez, Rai Weiss & Kip Thorne bei der ersten NSF-Präsentation 2016 Photo: NSF

31 Barry Barish (*1936) & Kip Thorne Caltech

32 Rainer Weiss, Ron Drever & Kip Thorne erhielten 2016 bereits Gruber Prize + Breakthrough Prize + 2/3 Breakthrough Preis ging auch an die Autoren des Phys. Rev. Letter vom Januar Der Nobelpreis kann nicht an Institutionen vergeben werden!

33 Mess-Prinzip der LIGO-Detektoren Effektive Armlänge = 1120 km Grafik: LIGO

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

35 AdvLIGO & -VIRGO kw 25 W 125 W 750 kw Grafik: LIGO

36 Animation zu AdvLIGO

37 aligo Mirror 40 kg Quarzglas aufgehängt an Quarzglas-Fäden

38 45 Jahre LIGO-Entwicklung : Entwicklung der Methode des Laser- Interferometers (Rainer Weiss, Ron Drever); 1989: LIGO-Proposal an NSF (Kip Thorne) Bau eines internationalen GWellen-Interferometers und spätere Upgrades; : Bau und Installation eines GWellen- Interferometers in Livingston und Hanford; : Commissioning-Phase; , : Suche nach GWellen; : Upgrade Enhanced LIGO; : Upgrade auf AdvancedLIGO : Erste Science Runs mit AdvLIGO August 2017: 1. AdvLIGO + AdvVIRGO Run

39 GWellen-Interferometer Hanford

40 LIGO / Hanford / 4 km Vakuumröhre

41 Blick durch die Röhre Hanford

42 GWellen-Interferometer Louisiana

43 Spiegeltest LIGO

44 Basislinie = 3000 km Warum zwei?

45 Virgo GWellen Detektor Pisa

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47 Rauschkurven-Vergleich der Detektoren Grafik: LIGO

48 Limitierung der Beobachtung GW Grafik: LIGO

49 GWellen-Verbund ab 2022? Australien hat die Chance verpasst Grafik: LIGO/Camenzind

50 3 km Armlänge 3 km Armlänge KAGRA Collaboration

51 KAGRA Collaboration

52 KAGRA Collaboration

53 Quellen von GWellen Kompakte Binärsysteme

54 Binärsysteme Spiralwellen, die sich mit c ausbreiten Bsp.: f = 100 Hz l = /100 = 3000 km Vakuumwelle: l f = c

55 Gravitationswellen Doppelsternsystem im Abstand R h h 1 R 1 R G² 4 c G² 4 c 2m1m r 4m1m r cos ² i cos 2 t R / c cosi sin 2 t h < R / c R: Distanz zum Schwerpunkt, in Einheiten R S 2Gm 1 /Rc² = R S /R ~ : Abstand R in 100 Mpc r : Bahnradius von kompakten Binärsystem 2Gm 2 /rc² = R S /a ~ 0,1 : Kompaktheit = 2p/P, P : Bahnperiode ~ ms f ~ Hz i : Inklination der Bahnebene Quelle: Textbuch

56 Reichweite des AdvLIGO-Detektors Linear mit der Masse 2 Milliarden Lichtjahre Grafik: LIGO

57 10 Millionen Galaxien im Visier 400 Mpc

58 3 Phasen-Modell SL-SL Merging

59 Entwicklung SL Binärsysteme Bahnperioden Minuten 1 Sekunde GW Distanz arxiv:

60 Bedeutung für die ferne Zukunft LIGO: The first observation of gravitational waves from a black hole binary, GW150914, has important consequences for the future of gravitational-wave astronomy beyond ground-based detectors. Because of its high mass (~30+35 solar masses), GW would have been observable by a space-based gravitational-wave detector such as the planned elisa. With elisa, the system would have been detectable from several year up to few weeks before coalescence, as shown by the black line in the plot above. Merger rates inferred from the first aligo detections imply that up to few hundreds similar events would be observable both with elisa and aligo in the future, opening the way to multi-band gravitational-wave astronomy. This has a number of outstanding consequences for astrophysics, tests of gravity and multimessenger astronomy. In particular, elisa observations can inform aligo and electromagnetic telescopes about when and where in the sky black hole merger events are going to occur with several weeks' notice, allowing us to realise the full potential of coincident Gwave and em observations.

61 GW Solar Masses 1.7 Billion Lyears Grafik: LIGO

62 Die erste Detektion / Koinzidenz zwischen Hanford & Livingston

63 GW Grafik: LIGO

64 Abschätzung Frequenz GWelle = Doppelte der Umlaufsfrequenz für M = 50 Sonnenmassen f GW = 2 f K = 2 W K /2p G

65 Spektrogramm 19th Century menschliche Stimme

66 3D Spektrogramm Musikstück

67 Spektrogramm eines SL-SL Mergers M = 20 Sonnenmassen Grafik: LIGO

68 Chirp-Signal von GW ist noch beträchtlich verrauscht M = 62 Sonnenmassen Grafik: LIGO

69 GWellen-Spektrogramm GW nur oberhalb von 30 Hz messbar

70 4. SL-Merger / / z=0,11 arxiv:

71 Stellare SL mergen in 1 Sekunde S 1 S 2

72 GWellen Detektor Virgo in Koinzidenz mit AdvLIGO: L1+H1+V

73 Rauschkurve der 3 Detektoren arxiv:

74 GW Event GW arxiv:

75 Parameter des Systems GW arxiv:

76 Bisher nur Spitze des Eisberges? Gibt es hier Massen-Lücke für SLöcher M S? AdvLIGO ist sensitiv für SL-Massen bis 100 M S

77 SL-Masse als Funktion ZAMS-Masse PISN = Pair Instability SN; PPISN = Pulsation PISN Metallizität Z Schwarze Löcher M < 55 Sonnenmassen Schwarze Löcher M > 120 Sonnenmassen z.b. in Kugelsternhaufen PISN NS PPISN Supernova-Rechnungen von Spera & Mapelli; arxiv:

78 Lokalisierung am Himmel AdvLIGO + VIRGO Grafik: LIGO

79 Trio of detectors tracks gravitational waves to their home Grafik: LIGO

80 Fortschritt mit 3 Detektoren Grafik: LIGO

81 Es gibt Gerüchte, dass AdvLIGO GWellen von Neutronenstern-Kollision detektiert hat, 134 Mio. Ljahre entfernt

82 Zukunft: BNS Grafik: LIGO

83 Funkstille für 1 Jahr Upgrade der Detektoren ab für ein Jahr

84 The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017 Zukunft: LIGO A+ Upgrade Beyond Advanced LIGO: The A+ Upgrade LIGO-G

85 A+: a Mid-Life Enhancement for Advanced LIGO The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017 l l Near term: A+, a mid-scale upgrade of Advanced LIGO» Improvements across all bands Projected time scale for A+ operation: LIGO-G

86 Conceptual The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017» q LSC Instrument Science White Paper , LIGO-T v4 (b) (a) Today LIGO-G

87 Strain [1/ Hz] The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017 LIGO Voyager: Fully Exploiting the Current LIGO Facilities Si optics, > 100 kg Si or AlGaAs coatings (Mildly) Cryogenic λ~2 µm, 300 W Voyager Noise Curve: P in = W Quantum Seismic BNS Range = 740 Mpc Newtonian Suspension Thermal Coating Brownian Coating Thermo-optic Substrate Brownian Excess Gas Total noise LIGO-G Frequency [Hz] BNS R < 800 Mpc BBH z < 5 (@10 M ) ~100M$

88 The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017 Rauschkurve aligo vs. A+ > 2023 LIGO-G

89 The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017 Rauschkurve A+ vs. Voyager LIGO-G

90 The Era Of GW Astronomy, IAP, Paris, June 26, 2017 Einstein Telescope & Cosmic Explorer: Neue GW-Observatorien > 2030 First Stars Formed Cost ~ G$/G BH Mass Gap BNS NSBH BBH POP3? LIGO-G T ;T ; P ; ET-0106C-10 93

91 Kontrollfragen Was ist eine Welle in der Physik? Was ist eine elektromagnetische Welle? Was ist eine Gravitationswelle (GWelle)? Wie wirkt sich eine Gravitationswelle auf Testmassen aus? Die GWelle habe eine Frequenz f = 100 Hz. Wie groß ist die Wellenlänge? Wie ist der LIGO-Detektor aufgebaut? Wie sieht die Rauschkurve von LIGO aus Warum verschmelzen Binärsysteme?

92 Kopftraining Schätzen Sie die Amplitude h + der GWellen von einem Binärsystem bestehend aus zwei Weißen Zwergen in der Milchstraße ab: Distanz 100 pc, Periode P = 10 Minuten, Massen M 1 = M 2 = 0,6 Sonnenmassen. Wie groß is f GW? Schätzen Sie die Amplitude h + der GWellen vom Pulsar-Binärsystem PSR ab: Distanz 6400 pc, Periode P = 7,75 hr. Wie groß ist f GW? Können diese Quellen mit aligo beobachtet werden? Wenn nicht, mit welchem Detektor?