Beobachtung von Gravitationswellen
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- Fanny Hofmann
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1 Beobachtung von Gravitationswellen Johannes Hölzl Uni Erlangen-Nürnberg Allgemeine Relativitätstheorie 24. Juli 2009 Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
2 Gliederung I 1 Eigenschaften von Gravitationswellen 2 Quellen von Gravitationswellen 3 Indirekter Nachweis 4 Detektoren Resonanzdetektoren Grundprinzip NIOBE AURIGA Laserinterferometer Grundprinzip GEO600 LISA Weitere Nachweismethoden Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
3 Eigenschaften von Gravitationswellen Transversalwelle Niedrigste Ordnung: Quadrupolstrahlung Zwei Polarisationszustände h + und h ; Winkel zwischen beiden Polarisationszuständen ist π 4 Amplitude: h = L L Kraft auf Testmasse für h + und h [Maggiore 2008] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
4 Einfluss auf Testmassen [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![2000] Johannes Hölzl](/docs-images/47/10715620/images/page_4.jpg "(FAU) Gravitationswellen")
5 Abgestrahlte Leistung Gravitationswellen wechselwirken mit Testmassen GW sind Träger von Energie P = G d 3 D ij 5c 5 dt 3 G = 5, sj 1 5c 5 Gravitationswellen sehr schwach Nur bei astrophysikalischen Quellen detektierbar ij 2 Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
6 Burst Events [Komitee für Astroteilchenphysik/ Verschmelzen von kompakten Doppelsternsystemen (Neutronenstern/Schwarzes Loch) Entstehung eines kompakten Objekts in einer Supernova Dauer: Sehr kurz (wenige Umlaufzeiten) Spektrum: breitbandig Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
7 Verschmelzende Neutronensterne [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![2000] Johannes Hölzl (FAU)](/docs-images/47/10715620/images/page_7.jpg "Gravitationswellen 24.")
8 Narrow Band Sources Einzelner, nicht sphärisch symmetrischer Stern (Pulsar, akkretierendes kompaktes Objekt) Doppelsternsysteme quasiperiodisch (langsame Erhöhung der Frequenz durch Energieverlust) Spektrum: schmalbandig f 0,1 Hz Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
9 Doppelsternsystem [K. Thorne, T. Carnahan] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![Carnahan] Johannes Hölzl](/docs-images/47/10715620/images/page_9.jpg "(FAU) Gravitationswellen")
10 Stochastischer Hintergrund Überlagerung von Weit entfernten burst- und narrow band Quellen Sehr schwachen Quellen Gravitationswellen aus der Frühzeit des Universums (Urknall, Phasenübergänge) Schwer aus Rauschen zu extrahieren Kreuzkorrelation mehrerer naher Detektoren Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
11 Quellen von GW: Zusammenfassung [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![2000] Johannes Hölzl (FAU)](/docs-images/47/10715620/images/page_11.jpg "Gravitationswellen 24.")
12 Spektrum [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
13 PSR Doppelpulsar T 59,03 ms Energieverlust durch Gravitationswellen in guter Übereinstimmung mit Theorie indirekter Nachweis 1993: Nobelpreis für Russell A. Hulse und Joseph H. Taylor Jr Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
14 Resonanzdetektoren: Übersicht Erster Versuch zum Nachweis von Gravitationswellen in den 1960ern durch Joseph Weber Typische Maße: Zylindrisch, L 3 m, R 30 cm Schwingungsarme Aufhängung in evakuiertem Kryostaten Je nach Oszillatorgüte werden die eingehenden Schwingungen mehrere Minuten lang gespeichert Sensitiv nur nahe der Resonanzfrequenzen Bisher kein direkter Nachweis von GW gelungen Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
15 Resonanzdetektoren: Verstärkung [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![2000] Johannes Hölzl (FAU)](/docs-images/47/10715620/images/page_15.jpg "Gravitationswellen 24.")
16 Resonanzdetektoren: Transducer Auslesen über induktive oder kapazitive Transducer [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
17 NIOBE University of Western Australia, Perth Technische Daten Resonant bar aus Niob T = 5 K Frequenz: 700 Hz Sensitivität: h Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
18 NIOBE [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
19 AURIGA Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Legnaro Technische Daten Resonant bar aus Aluminium T = 0,1 K Frequenz: 900 Hz Sensitivität: h Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
20 AURIGA [ auriga/auriga/photo/photo R1.html] Johannes Ho lzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![html] Johannes Ho lzl (FAU)](/docs-images/47/10715620/images/page_20.jpg "Gravitationswellen 24.")
21 Ausblick: Sphärische Resonanzdetektoren Kopplung der GW an die Quadrupolmoden des sphärischen Detektors Vorteile: höhere Sensitivität als bei resonant bars isotrope Empfindlichkeit Rekonstruktion von Richtung und Polarisation der GW möglich Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
22 Interferometer [wikipedia] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
23 Interferometer Höchste Sensitivität für Gravitationswellen mit Ausbreitung senkrecht zur Interferometerebene Armlänge abhängig von zu detektierender Wellenlänge In der Praxis: Andere Interferometertypen, z.b. Fabry-Perot Experimente: LIGO, VIRGO, GEO600, TAMA300, LISA Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
24 Interferometer [Ju et al. 2000] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
25 GEO600 Deutsch-Britisches Projekt, Standort nahe Hannover Technische Daten Armlänge: m 10 W Single mode Nd:YAG Laser Signal Recycling: Bis zu 1000x Frequenzbereich: 50 Hz-1,5 khz Sensitivität: Bursts: h Continous wave, ein Jahr Integrationszeit: h Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
26 GEO600 [GEO600] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
27 [GEO600] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
28 GEO600 [GEO600] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
![GEO600 [GEO600] Johannes Hölzl (FAU)](/docs-images/27/10715620/images/29-0.png "Gravitationswellen 24.")
29 GEO600 [GEO600] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
30 LISA [NASA/ESA] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
31 LISA Laser Interferometer Space Antenna, NASA/ESA Projekt Start geplant für 2019, 2011 LISA Pathfinder zur Technologieerprobung Technische Daten Drei identische Satelliten Armlänge: 5 Mio km Jeder Satellit verfügt über zwei 1 W-Nd:YAG Laser und zwei 40 cm-teleskope Referenz: Frei fallende Testmasse in jedem Satelliten (geschüzt vor Sonnenwind/Strahlungsdruck) Frequenzbereich: 0,03 mhz-0,1 Hz Sensitivität: h Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
32 LISA: Spacecraft [NASA/ESA] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
33 LISA: Spacecraft [NASA/ESA] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
34 LISA: Referenzmasse [NASA/ESA] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
35 LISA: Orbit [NASA/ESA] Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
36 Weitere Nachweismethoden Doppler-Tracking von Satelliten Pulsare Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
37 Quellen Ju L., Blair D.G., Zhao C. Detection of gravitational waves, Rep. Prog. Phys. 63 (2000) Maggiore M. Gravitational Waves: Theory and Experiments, Oxford University Press, 2008 Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Leibniz Universität Hannover, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, University of Glasgow, Cardiff University, University of Birmingham, Universitat de les Illes Balears NASA/ESA Johannes Hölzl (FAU) Gravitationswellen 24. Juli / 37
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