Gravitationswellen & -strahlung. Seminarvortrag zur Vorlesung Allgemeine Relativitätstheorie, Jens P. Herwig, 17. März 2010

Transkript

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2 Der Effekt der Raumstauchung ist so klein, dass man Gravitationswellen wohl nie beobachten wird (A. Einstein)

3 - Inhalt 1. Was sind Gravitationswellen und warum sind sie für uns wichtig? 2. Wo entstehen messbare Gravitationswellen? 3. Welche Probleme treten beim Versuch auf, sie nachzuweisen? 4. Auf welche Arten kann man sie detektieren? - direkter Nachweis - indirekter Nachweis

4 - Warum sind sie für uns wichtig? idealer Informationsträger, fast keine Schwächung oder Streuung: Das Universum ist für Gravitationswellen weitgehend transparent Mit einem Gravitationswellendetektor könnten wir nach schwarzen Löchern und nach explodierten Sternen suchen Evtl. Einblicke ins frühe Universum bis zum Urknall Also: Einblicke in Prozesse, die uns sonst verborgen blieben Problem: Berechnungen kompliziert, Detektion extrem schwierig

5 - Was sind Gravitationswellen? Massen krümmen Raumzeit beschleunigte Massen erzeugen Gravitationswellen Transversalwellen in Struktur der Raumzeit Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit hier: ebene Wellen mit kleiner, konstanter Amplitude (Fernfeld-Näherung)

6 - Was sind Gravitationswellen? Gravitationsstrahlung in niedrigster Ordnung Quadrupolstrahlung Transversalwellen haben Tensorcharakteristik 2 Polarisationen Metrik wird verändert

7 - Wo entstehen messbare Gravitationswellen? Wie bereits erwähnt: Jede beschleunigte Masse erzeugt sie also z. B. auch Umkreisung der Sonne durch die Erde Warum sollte dann die Detektion so schwierig sein? Antwort: Alles, was in unserer Nachbarschaft geschieht, strahlt viel zu wenig Leistung ab, um detektierbar zu sein.

8 - Wo entstehen messbare Gravitationswellen? Eine wirkliche Nachweis-Chance hat man nur bei den energiereichsten Vorgängen im Kosmos: Supernovae Typ II: Man hofft, Ereignisse empfangen zu können, die bis zu 70 Millionen Lichtjahre entfernt sind.

9 - Wo entstehen messbare Gravitationswellen? Eine wirkliche Nachweis-Chance hat man nur bei den energiereichsten Vorgängen im Kosmos: Enge Doppelsysteme aus Neutronensternen und/oder Schwarzen Löchern: abgestrahlte Gravitationswellen mit Frequenzen zwischen etwa 10 und 100 Hz sollten ebenfalls nachweisbar sein besonders spektakulär: Signal zweier verschmelzendender kompakter Objekte

10 - Wo entstehen messbare Gravitationswellen? Eine wirkliche Nachweis-Chance hat man nur bei den energiereichsten Vorgängen im Kosmos: Schnell rotierende Neutronensterne: senden auch Gravitationswellen aus, sofern nicht vollkommen symmetrische Kugelform typischen Frequenzen hier zwischen 10 und 1000 Hz.

11 - Wo entstehen messbare Gravitationswellen? Eine wirkliche Nachweis-Chance hat man nur bei den energiereichsten Vorgängen im Kosmos: Der Urknall: nach heutigen Theorien entstanden auch hierbei Gravitationswellen, die heute das Universum als Rauschen durchziehen aktuelle Generation von Detektoren kann dieses Signal nicht nachweisen

12 - Wo entstehen messbare Gravitationswellen? Von welchen Größenordnungen gehen wir hier eigentlich aus? Neutronensterne typischer Durchmesser etwa 20 km dabei ca. 1,44 bis 3 Sonnenmassen umkreisen sich zwei kompakte Neutronensterne im Abstand von 100 km mit Periode 1/100 s, erzeugen sie Leistung von 1045 W vergleichbare Leistung bei abgestrahlten Gravitationswellen einer Supernova

13 - Welche Probleme treten beim Versuch auf, sie nachzuweisen? Trotz der teils enormen Energie der Gravitaionsstrahlung dort, wo sie ausgesandt wird: Registrierbare Wechselwirkung bei uns äußerst gering. Beispiel: Eine Supernova in einer Nachbargalaxie verursacht nur relative Abstandsänderungen von Idealfall : Supernova in Milchstraße, relative Änderungen von ca

14 - Welche Probleme treten beim Versuch auf, sie nachzuweisen? 1. technische Herausforderung: Apparate konstruieren mit ausreichender Empfindlichkeit 2. technische Herausforderung: Unterscheidung von echten Wechselwirkungen und Störungen

15 - Auf welche Arten kann man sie detektieren? grundsätzlich auf 2 Weisen: direkter und indirekter Nachweis zunächst: direkter Nachweis - historisches Verfahren - aktuelles Verfahren - zukünftiges Verfahren

16 - Historisches Verfahren zum direkten Nachweis Jospeh Weber ( ) gilt als Pionier der Gravitationswellendetektion Seine Ergebnisse sind umstritten, aber er machte das Forschungsgebiet populär Fast 30 Jahre lang versuchte er, seine Kritiker zu überzeugen Nur zwei Dinge im Leben sind sicher:der Tod und die Steuern. Aber die Beweise, dass ich Gravitationswellen gesehen habe, sind überwältigend. (Joseph Weber)

17 - Historisches Verfahren zum direkten Nachweis Webers Idee: Nachweis unter Ausnutzung des Piezoeffekts Gravitation wirkt auf Massen Ein großes Stück Materie ist ein guter GW-Detektor Aluminiumzylinder mit m = 1,4 t, l = 1,5 m beklebt mit Piezoelementen in Vakuumkammer, die gegen Schall und Erschütterung abgeschirmt ist Gesundheit ist das höchste Gut für einen Physiker, denn man kann keine Physik treiben, wenn man tot ist. (Joseph Weber)

18 - Historisches Verfahren zum direkten Nachweis Aufhängung in Knoten der verwendeten Schwingungsmode (Längsschwingung mit Knotenfläche in Zylindermitte) möglichst gute Abschirmung der Aufhängung gegen Schwingungen aus Umgebung Störsignal daher im Wesentlichen durch thermisches Rauschen begrenzt (Amplitude ~ m)

19 - Historisches Verfahren zum direkten Nachweis identische Aufbauten an 2 verschiedenen Orten, 1000 km entfernt Gravitationswelle würde im Resonanzfall an beiden Orten zeitgleich einen deutlichen Peak erzeugen 1969 erstmalig beobachtet

20 - Historisches Verfahren zum direkten Nachweis Empfindlichkeit demnach auch bei etwa Systematischer Nachteil: - nur GW detektierbar, die ziemlich genau der Resonanzfrequenz entsprechen - für Erforschung des Raumes daher ungeeignet Webers Resultate konnten nie bestätigt werden

21 - Aktuelles Verfahren zum direkten Nachweis Detektion mit Michelson-Interferometern (Idee aus den 1970er Jahren) - GEO m Schenkellänge, bei Hannover - VIRGO 3000m Schenkellänge, Cascina (I) - LIGO 4000m Schenkellänge, zwei Observatorien, Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana)

22 - Aktuelles Verfahren zum direkten Nachweis GEO600 deutsch-britische Kooperation Armlänge: 600 m Empfindlichkeit: (für Bursts) Frequenzen zwischen 50 Hz und 1,5 khz Besonderheiten: - Aufhängung der Spiegel an Glasfasern, 3-fach Federung - Signal-Recycling

23 - Aktuelles Verfahren zum direkten Nachweis

24 - Aktuelles Verfahren zum direkten Nachweis LIGO 2 Standorte in USA, Entfernung 3000 km Armlänge: 4 km, effektiver Laufweg fast 300 km Empfindlichkeit: aktuell bis Besonderheiten: - höchste bisher erreichte Empfindlichkeit überhaupt, u.a. durch sehr langen Laufweg - durch 2 Standorte Positionbestimmung von Objekten im Raum möglich

25 - Aktuelles Verfahren zum direkten Nachweis Alle Anlagen erfordern natürlich: möglichst gutes Vakuum in den Armen der Interferometer (man erreicht hier < 10-8 mbar) Optiken in absolut staubfreien Räumen ganze Anlage und besonders Aufhängung der Spiegel optimal gegen alle äußeren Einflüsse abschirmen Nach wie vor große technische Herausforderung dennoch gelingen stetig Verbesserungen

26 - Zukünftiges Verfahren zum direkten Nachweis Laser Interferometer Space Antenna: LISA Gemeinschaftsprojekt von NASA und ESA 3 Satelliten, die der Erde in einigem Abstand auf ihrer Bahn um die Sonne folgen bilden trianguläres Interferometer mit Armlänge 5 x 109 m Frequenzbereich 0.03 mhz 0.1 Hz sucht u.a. nach superschweren Schwarzen Löchern und Rauschen des Urknalls

27 - Auf welche Arten kann man sie detektieren? indirekter Nachweis: Beobachtung von Doppelsystemen Hulse und Taylor beobachteten Doppelpulsar PSR bis 1979 mehrere Jahre lang Periodische Zeitverschiebungen der Pulsarsignale lieferten Bahndaten Verringerung der Umlaufzeiten engere Bahn Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt? Energieverlust stimmte mit theoretischen Berechnungen mit Genauigkeit 1% überein! Russell Hulse Joseph Taylor Nobelpreis 1993 for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation

28 Der Effekt der Raumstauchung ist so klein, dass man Gravitationswellen wohl nie beobachten wird (A. Einstein)

29 Quellen: Welt der Physik Alpha Centauri GEO600 VIRGO LIGO Google Literatur: Hartle: Gravity - An Introduction to Einstein's General Relativity Fließbach: Allgemeine Relativitätstheorie Sexl, Urbantke: Gravitation und Kosmologie