Licht auf krummen Wegen: Wie uns Gravitationslinsen helfen, das Universum zu erforschen und Planeten zu entdecken
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- Joachim Engel
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1 Licht auf krummen Wegen: Wie uns Gravitationslinsen helfen, das Universum zu erforschen und Planeten zu entdecken Prof. Joachim Wambsganß (Universität Heidelberg) 1
2 Licht auf krummen Wegen: Wie uns Gravitationslinsen helfen, das Universum zu erforschen und Planeten zu entdecken Prof. Joachim Wambsganß (Universität Heidelberg) Kurze Geschichte der Lichtablenkung... und was Einstein dazu beigetragen hat Wie eine Gravitationslinse funktioniert... und warum Einstein so skeptisch war Die Phänomene des Gravitationslinseneffekts... leuchtende Bögen, Einstein-Ringe, Mikrolinsen Aktuelle Forschungsgebiete der Lichtablenkung... Messung der Gröβe des Universums... Mikrolinseneffekt bei Quasaren... Suche nach Planeten um andere Sterne Zusammenfassung... und warum sich Einstein heute wundern und freuen würde 2
3 Worum geht es bei der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART)? Raum und Zeit sind eng miteinander verwoben Schwerkraft und Beschleunigung sind äquivalent: Äquivalenzprinzip Objekte/Massen beeinflussen ( verbiegen ) den Raum Der verbogene Raum gibt den Objekten/Massen vor, wie sie sich zu bewegen haben Schwerkraft zieht auch Lichtstrahlen an und zwingt sie auf krumme Wege 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie ETH Zürich 12./14. November 2015 Joachim Wambsganss: Licht auf krummen Wegen - Gravitationslinsen 3
4 Euklidische Geometrie: Parallelen bleiben immer parallel: Ja! In gekrümmten Räumen können sich Parallelen schneiden! Oder können sich parallele Strahlen auch treffen/schneiden? Von der Webseite: 4
5 Nach Einstein: Sonne zieht Lichtstrahlen an bzw. lenkt Lichtstrahlen ab! Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie! Kann überprüft werden während einer Sonnenfinsternis!! Von Webseite: 5
6 Kurze Geschichte der Lichtablenkung Einstein 1911: 6
7 7
8 Kurze Geschichte der Lichtablenkung Gibt es eine Möglichkeit, Einstein s Vorhersage zu messen/verifizieren? Wie? Während einer Sonnenfinsternis! Wer? Erwin Freundlich! Wann? 21. August 1914! Wo? Halbinsel Krim!... und los ging die Potsdamer Expedition! 8
9 9
10 10
11 11
12 12
13 13
14 14
15 Sterne am Nachthimmel
16 Sterne am Taghimmel
17 Sterne am Taghimmel
18 Sterne am Nachthimmel
19 Sterne am Nachthimmel Sterne am Taghimmel
20 Nach Einstein: Sonne zieht Lichtstrahlen an bzw. lenkt Lichtstrahlen ab! Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie! Von Webseite: Kann überprüft werden während einer Sonnenfinsternis!! Wird bei Sonnenfinsternis-Expedition im Mai 1919 durch Eddington bestätigt: Triumph für Einstein und die Allgemeine Relativitätstheorie!!! 20
21 Stern Erde 21
22 Die Lichtablenkung am Sonnenrand wird bei SonnenfinsternisExpedition im Mai 1919 durch Sir Arthur Eddington bestätigt: Triumph der Allgemeinen Relativitätstheorie!!! 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie ETH Zürich 12./14. November 2015 Joachim Wambsganss: Licht auf krummen Wegen - Gravitationslinsen 22
23 Triumph der Allgemeinen Relativitätstheorie!!! 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie ETH Zürich 12./14. November 2015 Joachim Wambsganss: Licht auf krummen Wegen - Gravitationslinsen 23
24 24
25 14. Dezember 1919 Eine neue Größe der Weltgeschichte:! Albert Einstein, dessen Forschungen eine völlige Umwälzung unserer Naturbetrachtung bedeuten, und den Erkenntnissen eines Kopernikus, Kepler und Newton gleichwertig sind. 25
26 Kurze Geschichte der Lichtablenkung Einstein 1936: 26
27 Kurze Geschichte der Lichtablenkung Einstein 1936: 27
28 Kurze Geschichte der Lichtablenkung Zwicky 1937: "Nebulae as gravitational lenses" 1) zusätzlicher Test für Relativitätstheorie 2) "Teleskop": schwächere Objekte sichtbar 3) Massen bestimmen: Bestätigung der Massen der "Nebel" ( dunkle Materie ) 28
29 Henry Norris Russell, Scientific American, Feb ) Einstein effect is perfect (but unavailable) test for GR: effects conspicuous to the immediate gaze 2) source is not point-like: finite angular size 3) image appears to be enlarged vertically, bright crescent, image has developed pointed horns 4) most spectacular phenomena of the heavens 29
30 Kurze Geschichte der Lichtablenkung Einstein 1936: 30
31 31
32 32
33 Geometrie und Mathematik des Gravitationslinseneffekts 33
34 Geometrie und Mathematik des Gravitationslinseneffekts 34
35 Geometrie und Mathematik des Gravitationslinseneffekts Verstärkung der beiden Bilder einer Punktlinse (Einstein 1936): 35
36 Wirkungen des Gravitationslinseneffekts Positionsänderung Verzerrung erste Bestätigung der Lichtablenkungs-Theorie im»normalfall«nicht beobachtbar ausgedehnte Quellen: Galaxien Verstärkung/Schwächung Sterne: heller/weniger hell Galaxien: größer/kleiner Mehrfachabbildung dramatischste Auswirkung 36
37 Wirkungen des Gravitationslinseneffekts: Punktlinse und ausgedehnte Quelle 37
38 Wirkungen des Gravitationslinseneffekts: Punktlinse und ausgedehnte Quelle 38
39 Wirkungen des Gravitationslinseneffekts: Punkt-Linse plus äußere Störung 39
40 Der Mikrolinseneffekt bei Quasaren 40
41 Der Mikrolinseneffekt bei Quasaren 41
42 Wirkungen Wirkungen des Gravitationslinseneffekts: des! Experiment Experiment für Punkt-Linse für (from Phil Yock) 42
43 Wirkungen Wirkungen des Gravitationslinseneffekts: des! Experiment Experiment für zwei für Punkt-Linsen Doppel-Linse (from Phil Yock) 43
44 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Doppelbilder, Leuchtende Bögen, Einstein-Ringe Mehrfachquasare: Einsteinring: Doppelquasar Q Vierfachquasar Q B Horseshoe Gigantische Leuchtende Bögen: Galaxienhaufen CL Galaxienhaufen Abell
45 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Doppelquasar Q Zwei Bilder des selben Quasars 6.1 Bogensekunden Abstand Rotverschiebung der beiden Quasare: z = 1.41 Rotverschiebung der Galaxie: z =
46 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Doppel quasar HE (Courbin et al.) zq = 2.32 separation θ = 3.2 arcsec Vierfachquasar PG (Impey et al.) zq= 1.72 θ = 2.4 arcsec 46
47 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Vierfachquasar Q zq = 1.695, zg = Bildabstand θ = 1.7 arcsec 47
48 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Einstein-Ring B : 48
49 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Einstein-Ring B : 49
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52 Phänomene des Gravitationslinseneffekts: Giant Luminous Arcs / Leuchtende Bögen 52
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54 54
55 55
56 Astrophysikalische Anwendungen des Gravitationslinseneffekts: Drei aktuelle Anwendungen Wie groß/alt ist das Universum: Der Laufzeitunterschied hilft Sterne als kleine Linsen: Der Mikrolinseneffekt bei Quasaren Extrasolare Planeten: Mit dem Gravitationslinseneffekt auf der Suche nach erdähnlichen Planeten! 56
57 57
58 Astrophysikalische Anwendungen des Gravitationslinseneffekts: Wie groß/alt ist das Universum: Der Laufzeitunterschied hilft Daraus Alter/Größe des Universums:! t = 1/H 0 14 Mrd. Lichtjahre 58
59 Der Mikrolinseneffekt bei Quasaren 59
60 Der Mikrolinseneffekt bei Quasaren 60
61 Astrophysikalische Anwendungen des Gravitationslinseneffekts: Der Mikrolinseneffekt bei Quasaren 61
62 Die Suche nach Planeten um andere Sterne 62
63 63
64 Astrophysikalische Anwendungen des Gravitationslinseneffekts: Die Suche nach Planeten um andere Sterne 64
65 Astrophysikalische Anwendungen des Gravitationslinseneffekts: Die Suche nach Planeten um andere Sterne 65
66 Die Suche nach Planeten um andere Sterne mit der Mikrolinsenmethode Die 24-Stunden-Nachtschicht: Die Teleskope 66
67 Die Suche nach Planeten um andere Sterne mit der Mikrolinsenmethode Vol January 2006 doi: /nature04441 Discovery of a cool planet of 5.5 Earth masses through gravitational microlensing LETTERS J.-P. Beaulieu 1,4, D. P. Bennett 1,3,5, P. Fouqué 1,6, A. Williams 1,7, M. Dominik 1,8, U. G. Jørgensen 1,9, D. Kubas 1,10, A. Cassan 1,4, C. Coutures 1,11, J. Greenhill 1,12, K. Hill 1,12, J. Menzies 1,13, P. D. Sackett 1,14, M. Albrow 1,15, S. Brillant 1,10, J. A. R. Caldwell 1,16, J. J. Calitz 1,17, K. H. Cook 1,18, E. Corrales 1,4, M. Desort 1,4, S. Dieters 1,12, D. Dominis 1,19, J. Donatowicz 1,20, M. Hoffman 1,19, S. Kane 1,21, J.-B. Marquette 1,4, R. Martin 1,7, P. Meintjes 1,17, K. Pollard 1,15, K. Sahu 1,22, C. Vinter 1,9, J. Wambsganss 1,23, K. Woller 1,9, K. Horne 1,8, I. Steele 1,24, D. M. Bramich 1,8,24, M. Burgdorf 1,24, C. Snodgrass 1,25, M. Bode 1,24, A. Udalski 2,26, M. K. Szymański 2,26, M. Kubiak 2,26, T. Więckowski 2,26, G. Pietrzyński 2,26,27, I. Soszyński 2,26,27, O. Szewczyk 2,26, Ł. Wyrzykowski 2,26,28, B. Paczyński 2,29, F. Abe 3,30, I. A. Bond 3,31, T. R. Britton 3,15,32, A. C. Gilmore 3,15, J. B. Hearnshaw 3,15, Y. Itow 3,30, K. Kamiya 3,30, P. M. Kilmartin 3,15, A. V. Korpela 3,33, K. Masuda 3,30, Y. Matsubara 3,30, M. Motomura 3,30, Y. Muraki 3,30, S. Nakamura 3,30, C. Okada 3,30, K. Ohnishi 3,34, N. J. Rattenbury 3,28, T. Sako 3,30, S. Sato 3,35, M. Sasaki 3,30, T. Sekiguchi 3,30, D. J. Sullivan 3,33, P. J. Tristram 3,32, P. C. M. Yock 3,32 & T. Yoshioka 3,
68 Die Suche nach Planeten um andere Sterne mit der Mikrolinsenmethode Nachweis eines Planeten mit 5,5 Erdmassen Time in days
69 Planeten sind die Regel, nicht die Ausnahme: Die Sterne in der Milchstraße haben im Schnitt alle mindestens einen Planeten! 69
70 Frei fliegende Planeten?!? Sumi et al., Nature 473, 349 (May 19, 2011) 70
71 71
72 72
73 Wirkungen des Gravitationslinseneffekts: Massen-Skalen:!! Von wenigen Erdmassen (10-5 M ) bis Galaxienhaufen (10 15 M )! Winkel-Skalen:!!!! 20 Größenordnungen (und es geht weiter...) Von Quasar Microlensing (10-6 arcsec) bis Giant arcs (100 arcsec) 8 Größenordnungen Entfernungs-Skalen Milchstraßen-Sterne (wenige kpc) bis Quasare (einige Gpc) 6 Größenordnungen (oder sogar 15 Größenordnungen, wenn man unseren nächstgelegenen Stern im Abstand von ein paar Microparsec einbezieht...) 73
74 Gaia:! Positionsänderungen durch allgemein-relativistische Lichtablenkung! 74
75 Licht auf krummen Wegen: Wie uns Gravitationslinsen helfen, das Universum zu erforschen und Planeten zu entdecken Prof. Joachim Wambsganß (Universität Heidelberg) Der Gravitationslinseneffekt ist ein extrem nützliches Werkzeug der Astrophysik: Mehrfachquasare helfen uns, die Größe des Universums zu messen Mit den Leuchtenden Bögen bestimmen wir die Massenverteilung von Galaxienhaufen Der Verstärkungseffekt lässt uns weit entfernte Galaxien detailliert studieren Der Mikrolinseneffekt hilft uns, Größe und Struktur von Quasaren zu verstehen Microlensing ist eine effiziente Methode zur Entdeckung von extrasolaren Planeten: empfindlich für kleine Massen und gut geeignet, um festzustellen, wie viele es gibt Der Gaia-Satellit wird durch die Positionsverschiebung neue Mitglieder des Sonnensystems entdecken 75
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