Gravitationswellen. Der Klang des Universums

Transkript

1 Gravitationswellen Der Klang des Universums Schülervorlesung: Einstein und der Kosmos Physikalischer Verein, Frankfurt a.m Peter Aufmuth Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) Universität Hannover

2 Stichworte Einstein Was ist / sind Gravitation Gravitationswellen Gravitationswellenastronomie Gravitationswellenempfänger? Weber

3 Gravitation nach Newton Isaac Newton ( ) Alle Massen üben eine anziehende Kraft auf einander aus. F = G m m 1 r 2 2 Gravitationsgesetz

4 Beobachtungen zur Wirkung der Gravitation Im freien Fall herrscht Schwerelosigkeit! Keine Kräfte! Alle Körper fallen an der gleichen Stelle des Raums mit der gleichen Beschleunigung, unabhängig von ihrer Masse oder ihrer Zusammensetzung ( Äquivalenzprinzip ). Die Gravitationswirkungen werden durch die Umgebung hervorgerufen durch die Struktur des Raums.

5 Allgemeine Relativitätstheorie = Einsteins Gravitationstheorie (1915) Albert Einstein ( ) Die Gravitation ist keine Kraft, sondern eine Eigenschaft des Raums Der Raum ist kein starrer Hintergrund, er wird durch Massen verformt.

6 Gravitation ist Geometrie Vorstellung anhand einer Fläche (= 2-dim. Raum) keine Masse = keine Krümmung (Euklidischer Raum) eine Masse krümmt den Raum (Riemannscher Raum) Der Planet folgt der vorgegebenen Struktur des Raums

7 Prinzip der Allgemeine Relativitätstheorie Die Materie bestimmt die Krümmung des Raums, und der Raum bestimmt die Bewegung der Materie. John Archibald Wheeler (geb. 1911) prägte die Begriffe Schwarzes Loch, Geometrodynamik, Quantenschaum

8 Lichtablenkung durch Raumkrümmung Sonnenfinsternis A. Eddington 1919 θ = Auch das Licht folgt der Geometrie des Raumes.

9 Gravitationslinsen Einstein-Kreuz HST Die Galaxie in der Mitte erzeugt vier Bilder des Quasars dahinter Einstein-Bögen, Einstein-Ringe MIT Bild einer Radiogalaxie mit aktivem Kern (Linse nicht sichtbar)

10 Allgemeine Relativitätstheorie = Geometrodynamik Alle Massen im Universum bewegen sich; das Universum selbst expandiert. Die Raumzeit-Geometrie nimmt am Geschehen teil. Sie ist nicht nur gekrümmt, sie verändert sich auch ständig. John A. Wheeler

11 Gravitationswellen Die Ausbreitung von Störungen in der Raumzeit erfolgt nur mit endlicher Geschwindigkeit Existenz von Gravitationswellen Beispiel: Zwei einander umkreisende Neutronensterne erzeugen GW

12 Gravitationswellen sind durch beschleunigte Massen erzeugte Transversalwellen in der Struktur der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

13 Gravitationswellen ändern die Metrik dl = l 0 dl = l 0 δl dl = l 0 + δl Die Metrik beeinflußt das Ergebnis einer Abstandsmessung zwischen den Testmassen ( Eigenabstand dl ).

14 Wirkung einer Gravitationswelle auf einen Kreis aus Testmassen mit dem Radius l: Polarisation + Die Raumverzerrung entspricht einer Längenänderung Relative Längenänderung: h = 2 δl / l

15 Problem: Die Längenänderung ist klein! Sehr klein!!! Der Effekt ist so klein, daß man GW wohl nie beobachten wird.

16 Einstein-Gleichung Krümmung ~ Masse/Energie-Verteilung G = κt πg κ = c N Beitrag der Erde zur Krümmung des Raums: 10 9 Bei der Satellitennavigation (GPS) müssen die Effekte der ART berücksichtigt werden!

17 Die Stärke von Gravitationswellen Problem: Verschwindende Wechselwirkung zwischen Gravitationswellen und Materie Vorteil: Fast keine Schwächung oder Streuung ideale Informationsträger Vorteil: Das gesamte Universum ist transparent für Gravitationswellen, bis zurück zum Urknall!

18 Anforderungen an die Messung Günstigster Fall: Supernova in der Milchstraße h ~ Virgo Cluster Galaxienhaufen in 50 Mio Lj Entfernung Erforderliche Empfindlichkeit zur Beobachtung von Nachbargalaxien: h ~ 10 21

19 Eine Dehnung/Stauchung von bedeutet Mio. km Abstand Erde Sonne ändert sich um den Durchmesser eines Wasserstoff-Atoms! Oder: Eine 1 km lange Meßstrecke ändert sich um 1/1000 eines ATOMKERNdurchmessers!!!

20 Quellen von Gravitationswellen die energiereichsten und heftigsten Vorgänge im Universum Doppelsternsysteme Supernovae Urknall Inflation Akkretierende Neutronensterne Dunkle Materie Kollidierende superschwere Schwarze Löcher

21 Woher kommt unser Wissen über das Universum? Fast ausschließlich durch das Licht, das uns aus dem Weltraum erreicht.

22 Licht = elektromagnetische Strahlung Compton Gamma Ray Observatory 0,97 pm ROSAT 1,03 12,4 nm Lowell Observatorium nm Voyager nm Hubble nm Very Large Array 0,01 1 m International UV Explorer nm

23 Das unbekannte Universum Neueste Ergebnisse der Astronomie: 73 % dunkle (negative) Energie und nur 27 % Materie davon nur 1/6 normale Materie und 5/6 exotische dunkle Materie Das Universum besteht zu 96 % aus etwas, das wir nicht kennen!

24 GW- Astronomie: Supernovae SN 1987A Kollaps eines ausgebrannten Sterns zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch und Explosion der äußeren Hülle des Sterns. Saenz u. Shapiro 1981 Pulsierender Neutronenstern: Beim Kollaps wird der Kern zu Sinusschwingungen angeregt.

25 GW- Astronomie: Supernovae SN 1987A HST Im Gravitationswellen- Signal bilden sich die Details des Kollapses und der folgenden Explosion ab Berechnetes Signal eines durch Rotation abgeplatteten Sterns

26 GW- Astronomie: Pulsare Radiopulsar = schnell rotierender Neutronenstern mit starkem Magnetfeld, der gebündelte Radiowellen aussendet. Gravitationswellen durch kleine Abweichungen des Sterns von Kugelgestalt (kleine Hügel ) periodisches Signal Viele bekannte Pulsare Frequenz: Hz (z.b. PSR J ) h t

27 GW-Astronomie: Kompakte Binärsysteme Zwei Neutronensterne oder Schwarze Löcher, die einander umkreisen und schließlich verschmelzen Amplitude und Wellenform sind sehr gut bekannt genaue Bestimmung der Entfernung h Bestimmung der Hubble- Konstante auf 5 % Zeit t [s]

28 GW-Astronomie: Kompakte Binärsysteme Computer-Simulation Kollision zweier Galaxien Antennengalaxien (aufgenommen vom HST)

29 GW-Astronomie: Hintergrundstrahlung Ursache: Urknall und Inflation des Univerums Information über das Universum direkt nach seiner Entstehung t < s Test der String-Theorie

30 Mögliche Quellen für Gravitationswellenempfänger Signalstärke h Schwarze Löcher Verschmelzung SL-SL 10 6 M Supernova in der Milchstraße Kompakte Doppelsterne Bildung SL 10 6 M SL-SL 10 5 M Verschmelzung kompakter Doppelsterne Binärsysteme Weißer Zwerge SL-SL 10 3 M Supernova- Kollaps Frequenz f [Hz] Millihertz Kilohertz

31 Man kann Gravitationswellen hören Die meßbaren GW haben Frequenzen im Audiobereich 40 Hz bis 2 khz Zwei Neutronensterne, die sich umkreisen u. zusammenstürzen Zwei Schwarze Löcher, die sich umkreisen Eine Schar Weißer Zwerge

32 Indirekter Nachweis von GW 1974: Hulse und Taylor entdecken den Doppelpulsar PSR Rektaszension Deklination Rotationsachse magn. Achse Radiopulsar + Neutronenstern Radiowellen Magnetfeld B 10 8 T, Radius 10 km, Masse = 1,4 M Periode T = 0, (7) s Gravitationswellen Umlaufzeit des Doppelsterns: 7 h 45 m

33 Energieverlust durch Abstrahlung von Gravitationswellen Verkürzung der Bahnperiode P stimmt mit dem Wert überein, den die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt (auf 0,3 %!). GW-Astronomie heute! Einsteins Vorhersage Russell A. Hulse Joseph H. Taylor, Jr. Nobelpreis für Physik 1993 Indirekter Nachweis von Gravitationswellen!

34 Wie kann man Gravitationswellen messen? Gravitationswellen erzeugen eine Längenänderung Problem: Maßstäbe werden ebenfalls verändert

35 Joseph Weber ( ) Der Pionier der GW-Forschung: Resonanzantennen ( Weber-Zylinder )

36 Moderne Zylinderantennen NIOBE Univ. W. Australia (Perth) seit 1994 Vibrationsisolation flüss. He SQUID Vibrationsisolation Nb-Zylinder Niob-Zylinder, M = 1,5 t; f = 700 Hz V = 380 l flüssiges He; T = 0,9 K Nachweis durch SQUIDs; h = Nachteil: Geringe Bandbreite Erreichbare Empfindlichkeit: h

37 Die Wirkung einer Gravitationswelle δl l... besteht in einer unterschiedlichen Längenänderung δl in x- und y-richtung

38 Michelson-Interferometer Spiegel Man muß man die beiden unterschiedlich veränderten Strecken gleichzeitig betrachten Laser Strahlteiler Spiegel konstruktive Interferenz Verstärkung destruktive Interferenz Auslöschung

39 Nordarm Endspiegel GEO m Laser + Strahlteiler Zentralhaus 600 m Endspiegel Ostarm Institut für Obstbau und Baumschule Ein Michelson-Interferometer mit 600 m langen Armen

40 Organisation von GEO 600 Institute for Gravitational Research, Univ. Glasgow Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Golm und Hannover Cardiff University K. Danzmann J. Hough B.A. Schutz Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching Universität Hannover 70 wiss. Mitarbeiter

41 GEO 600 Strahlengang Ultrahochvakuum Leistungsverstärkung Signalüberhöhung Nd:YAG-Laser nm cw, stabilisiert TEM 00 Umlaufende Leistung: 10 kw

42 GEO 600 Impressionen

43 Ausgangssignal Empfindlichkeitskurve von GEO Amplitude h Hz 1 khz Frequenz

44 GEO 600 Status Anfang 2004 Datenaufnahme mit über 121 Std. Dauerbetrieb Kontinuierlicher Betrieb mit > 98 % Stabilität Erster Detektor mit Dual Recycling Erste Koinzidenzmessungen mit LIGO und TAMA Weitere Arbeit: Absenkung des Rauschniveaus um ~ Faktor 10 Nächster Testlauf Herbst 2004

45 Eine weltweites Netz von GW-Detektoren 2 4 km 3 km 600 m 300 m LIGO Scientific Collaboration AIGO

46 Die seismische Wand Signalstärke h mhz Frequenz f [Hz] khz GW-Detektoren im All L I S A Erdgebundene GW-Detektoren

47 Laser Interferometer Space Antenna LISA Ein Laserinterferometer im All mit 5 Mio km Armlänge Drei Satelliten in heliozentrischer Umlaufbahn 20 hinter der Erde Vorgesehener Start: 2013

48 Einsteins Traum Gravitationswellen sind eine notwendige Folgerung aus der Relativitätstheorie aber der Effekt ist so klein, daß man sie wohl nie beobachten wird. (Hoffentlich doch irgendwann) Einsteins Traum wird wahr!