Gravitationswellen: Erzeugung und Detektion

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1 Gravitationswellen: Erzeugung und Detektion Wilhelm Kley Institut für Astronomie & Astrophysik & Kepler Center for Astro and Particle Physics Tübingen 9. Februar 2016

2 Gravitationswellen: Organisation Kapitelübersicht: Einführung Quellen Gravitationswellenastronomie Berechnung von Gravitationswellen Zusammenfassung (Gravitationswellen um Doppelsternsystem) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 2

3 Gravitationswellen: Historie Ausbreitung der Gravitation? 1889 Heinrich Hertz: Brief an Astronom Lehmann-Filhis: Falls die Gravitation sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet, würde die Kraft bei Doppelsternen nicht in Richtung der Verbindungslinie liegen und der Drehimpuls langsam abnehmen. Energieverlust & Einspiralen Allg. Relativitätstheorie: Albert Einstein (1916) Existenz von Gravitationswellen Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit Beschleunigte Massen strahlen Gravitationswellen ab Berechnung bis 1925: approximative (linearisierte) Theorie ab 1940er: Strahlungsrückwirkung (Doppelsterne) Heute: Größte Computer-Rechnungen Beobachtung ab 1960er: Versuche zum direkten experimentellen Nachweis W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 3

4 Gravitationswellen: Grobe Charakterisierung Ein Kräuseln der Raumzeit Näherungslösung der Vakuum-Feldgleichungen Oszillationen der Krümmung der Raumzeit Veränderungen der räumlichen Abstände von Körpern Spannungen der Raumzeit: Gezeiten (vgl. Gummimembran) Quellen Beschleunigte Massen: Bei starken Feldern und großen Geschwindigkeiten Vergleich mit elektromagnetischen Wellen, dort: beschleunigte Ladungen (Antenne Radiowellen) Nachweis Offene fundamentale Frage der Physik Bisher nur indirekt in Doppelsternen: Kataklysmische Variable Doppel-Neutronensterne Physiknobelpreis 1993 (Taylor & Hulse) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 4

5 Gravitationswellen: Wasserwellen Ein bekanntes Beispiel für Wellenausbreitung: Wassertropfen auf Wasseroberfläche (Quelle: Kreisförmige Ausbreitung vom Ursprungsort. In großer Entfernung abnehmende Krümmung ebene Welle W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 5

6 Gravitationswellen: Wellengleichung Ein-dimensionale Wellengleichung (approximativ für große Entfernungen von Quelle) 2 A t 2 = c2 2 A x 2 Ausbreitungsgeschwindigkeit c: Lichtgeschwindigkeit. Lösung: Nach rechts und links laufende Wellen f und g zwei beliebige Funktionen. A(x, t) = f (x ct) + g(x + ct) Wellenform unverändert bei Ausbreitung (einfacher Shift). Umgeschrieben (und in 3 Dimensionen): ( 1c 2 ) 2 t x y z 2 A( r, t) A = 0 (1) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 6

7 Gravitationswellen: Wellen Ein Vergleich von elektromagnetischen und gravitativen Wellen Hier im Vakuum - (bei schwachen Feldern) Elektrodynamik Gravitation Ohne Ladungen: q = 0 Keine Materie/Energie: T ab = 0 A b = 0 b = 0,.., 3 A bc = 0 b, c = 0,.., 3 4 Gleichung 16 Gleichungen Beschleunigte Ladungen Dipolstrahlung transversale Welle Beschleunigte Massen Quadrupolstrahlung transversale Welle lineare Polarisation Quadrupol-Polarisation (h + und h ) (WW) Photon (Spin 1) Graviton (Spin 2) Wellenlänge klein gegen Quelle Abbildungen Wellenlänge Quelle Audio-Wellen (keine Bilder) Die Amplituden der Wellen (A b, A bc ): bei EM-Wellen elektr. und magn. Felder, bei Grav.-Wellen Metrikkomponenten g ab. W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 7

8 Gravitationswellen: Effekte I Betrachte kreisförmigen Ring aus Testteilchen, frei schwebend, beim Durchgang einer Gravitationswelle Periodische Dehnung und Streckung. h + und h um 45 gedreht. W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 8

9 Gravitationswellen: Effekte II Animationen dazu: Plus-Polarisation: h + Kreuz-Polarisation: h (Wikepedia) Kombination aus beiden: zirkulare Polarisation Die Amplituden, h, geben die relativen Längenänderungen von Körpern an W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 9

10 Gravitationswellen: Effekte IIa Auswirkungen auf ausgedehnte Körper. W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 10

11 Gravitationswellen: Quadrupolformel Energiestrom: h +, h 1 d de dt = ω2 ( h 2 16π + + h ) 2 ω = Frequenz d 2 Q ij dt 2, d = Abstand von Quelle, Q ij = Quadrupolmoment Q ij M R 2, M = Gesamtmasse und R = Ausdehnung der Quelle ( ) ( ) GM GM = für Kepler-Bewegung h dc 2 Rc 2 Brauche große Massen, hohe Geschwindigkeiten ( ) ( ) 2 ( ) 15Mpc M 90km h d 2.8M R de M4 dt R 5 zeitl. Mittelung (3) Quadrupolformel: siehe Binärpulsar (unten) D.h.: Gravitationswellen entstehen bei einer zeitlichen Änderung des Massenquadrupolmoments W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 11 (2)

12 Gravitationswellen: Organisation Kapitelübersicht: Einführung Quellen Gravitationswellenastronomie Berechnung von Gravitationswellen Zusammenfassung (Gravitationswellen um Schwarze Löcher, Henze NASA) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 12

13 Quellen: Information aus Kosmos Elektromagnetische Strahlung Wellenlängen von m bis 100 m Erweiterung der klassischen optischen Astronomie zur Radio-, Millimeter-, Infrarot,- Ultraviolett-, Röntgen- und Gamma-Astronomie Neue Erkenntnisse und Einsichten Teilchen Atomkerne und Elementarteilchen in der kosmischen Strahlung Meteorite, Proben von Raumsonden Neutrinos von Sonne und Supernova 1987A Blick tief ins Innere der Sonne/Sterne Test von grundlegenden Theorien der Elementarteilchen Gravitationswellen Alles durchdringend, nicht absorbiert Ein neues Fenster ins All W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 13

14 Quellen: 2 Beispiele Beispiele für die induzierte Längenänderung L eines Körpers der Länge L beim Durchgang einer Gravitationswelle Rotierender Stab - Masse 1000 t, Länge R = 100 m, Rotationsfrequenz 3 Hz - Distanz d = 1 km = h = L/L Distanz d = 10 5 km = h = L/L Umlaufende Neutronensterne - Masse 1.4 M, Abstand R = 100 km, Periode 10 2 s - Distanz d = Lichtjahre = h = L/L W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 14

15 Quellen: Kosmische Quellen Schwingungen von (rotierenden) Neutronensternen Gravitationskollaps: Stern Neutronenstern (Supernova) Gravitationskollaps: Neutronenstern Schwarzes Loch (Gamma Ray Burst) Stern fällt in ein Schwarzes Loch Doppelsterne Einspiralen Frontalzusammenstoß Verschmelzung von zwei Neutronensternen (oder Schwarzen Löchern) Fluktuationen im frühen Universum W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 15

16 Quellen: Gravitationskollaps eines Sterns Schematischer Ablauf einer Supernova Explosion (Kernkollaps) - Kollaps des Sterns aufgrund erliegender Energieerzeugung Gravitation überwiegt alles andere - Letzte Phase des Kollaps: in Bruchteilen von Sekunden - Starke Änderung des Gravitationsfeldes - Abstrahlung von Gravitationswellen möglich Theoretische Berechnung durch numerische Simulationen W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 16

17 Quellen: Sternkollaps - Dichtestruktur Dichteschichtung eines rotierenden Sterns bei Beginn des Kollaps (Dimmelmeier ea., 2002,2003) Nach rechts: zunehmende Rotation des Sterns Ausbildung einer toroidalen Struktur Hier: relativistische Sternmodelle mit polytroper Zustandsgleichung W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 17

18 Quellen: Sternkollaps - Gravitationswellensignal langsame Rotation schnelle Rotation (Dimmelmeier ea., 2002,2003) starker Anstieg der Dichte im Zentrum, bei Erreichen der Kerndichte Bounce bei rotierenden Stern mehrfach Pulse möglich W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 18

19 Quellen: Sternkollaps - neuere Rechnung Kollaps eines massereichen, rotierenden Sterns Sterns Korrelation von Neutrinound GW-Signal (SXS-Collaboration) Innerer Bereich (40km 40km) eines rotierenden Sterns. Farbcodierung Entropie: rot heiß, blau kalt. Schwarze Isolinien: Dichteverlauf. Geschwindigkeitspfeile. Obere Kurve: Neutrino Signal. Untere: Grav.welle W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 19

20 Quellen: Oszillationen von Neutronensternen Direkt nach Entstehung oszilliert der junge Neutronenstern Animation eines rotierenden Neutronensterns Mitrotierende Koordinaten r - Modes Gravitationswellenstärke: gering auch Dämpfung durch: - Magnetfelder - Viskosität (B. Owen) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 20

21 Quellen: Binärstern I Umlauf eines exzentrischen Doppelstern- Systems (Cornell Astronomy Course) Doppelstern: Zwei Sterne im Umlauf umeinander Beschleunigte Massen Gravitationswellen Energieverlust Einspiralen Beispiele: - Kataklysmische Variable - Doppelneutronensterne - Doppel Schwarze Löcher Starkes Gravitationswellensignal W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 21

22 Quellen: Binärstern II aus Quadrupolformel (für Hantel, Doppelstern) folgt (2a = a 1 + a 2 ) Ė = de dt = 32G 5c 5 µ2 a 4 Ω 6 µ = M 1M 2 Ω 2 = G(M 1 + M 2 ) M 1 + M 2 a 3 Periodenänderung Ṗ P = 96 5 G 3 c 5 µ2 (M 1 + M 2 ) 2/3 Ω 8/3 µ: reduzierte Masse, Ω Bahnfrequenz, P Periode, a große Halbachse W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 22

23 Quellen: Kataklysmische Variable I Massenüberstrom von Begleitstern, durch Gravitationswellenabstrahlung Energieabstrahlung verursacht Annäherung der Sterne Massenüberstrom Akkretionsscheibe W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 23

24 Quellen: Kataklysmische Variable II Animation: Beobachtung von Akkretionsscheiben in solchen Systemen: indirekter Nachweis von Gravitationswellen Massenakkretionsrate in Übereinstimmung mit Quadrupolformel W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 24

25 Quellen: Pulsar (rotierender Neutronenstern) Variables mag.feld B E-Feld geladene Teilchen (aus Oberfläche) Bewegung entlang B-Linien kontinuierl. Spektrum Energie aus Rotation P rot : meist sec Extrem genaue Uhren W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 25

26 Quellen: Binärpulsar: PSR Hulse Zwei Neutronensterne im gemeinsamen Orbit: Binärpulsar 1974 entdeckt von Hulse & Taylor (USA) mit Arecibo-Teleskop Distanz 5 kpc (1 pc = 3.26 Lj.) Dopplerverschiebungen: unsichtbarer Begleiter Periode 7.75 Stunden, Bahngeschwindigkeit 300km/s Exzellentes Testsystem für Relativitätstheorie Perihelshift: 4.2 /Jahr = 30,000 mal Merkur (43 /Jahrhundert!) Gravitationswellenabstrahlung 10 6 mal wichtiger als im Sonnensystem Nobelpreis 1993 Taylor for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 26

27 Quellen: Binärpulsar: schematisch Deformation der Raumzeit (zeitabhängig) relativistische Effekte (M. Kramer, MPI für Radioastronomie) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 27

28 Quellen: PSR : Radio-Signal W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 28

29 Quellen: PSR : Puls-Variationen Pulsfrequenz des Pulsars: kommt auf uns zu im Periastron - Frequenz erhöht von uns weg im Apastron - Frequenz erniedrigt Ankunftszeiten der Pulse: weiter weg: längerer Weg - Verspätung näher bei uns: kürzerer Weg - Verfrühung (Cornell Astronomy Course) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 29

30 Quellen: PSR : Periastron-Verzögerung Das System verliert Energie durch Gravitationswellenabstrahlung Annäherung, Verkleinerung der Bahn Periodenreduzierung um etwa pro Jahr Verschiebung der Ankunftszeiten des Periastrons sehr gute Übereinstimmung mit Vorhersage der ART Indirekter Nachweis von Gravitationswellen! (C. Will, Living Reviews) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 30

31 Quellen: PSR : Sternmassen Die Kombination von ralativistischen Effekten erlaubt genaueste Bestimmung der Sternmassen Hier: M 1 = 1.44 M, M 2 = 1.39 M W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 31

32 Quellen: PSR : Orbitentwicklung Zeitliche Änderung des Quadrupolmoments Gravitationswellen-Abstrahlung D.h. Energieverlust Ė. Mit E a 1 folgt: Schrumpfen der Bahn (Cornell Astronomy Course) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 32

33 Quellen: PSR : Daten Massen: M 1 = 1.44 M, M 2 = 1.39 M Bahnperiodenabnahme Ṗ = s / s Halbachse km Abnahme 3.1 mm pro Umlauf, 3.5 m pro Jahr Verschmelzen in 300 Mio. Jahren Heute: über 100 Binärpulsare bekannt auch mehrere mit 2 Pulsaren W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 33

34 Quellen: Einspiralen von NS Wellenform: Signal wächst an Frequenz steigt Dauer: Jahrmillionen Endphase: Millisekunden h +, h x bezeichnen Amplituden (relative Längenänderung) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 34

35 Quellen: Verschmelzung von NS Bahnperiodene kurz vor Verschmelzung Millisekunden Dauer des Verschmelzungsvorgangs 10 Millisekunden Emittierte Gravitationswellenenergie Ws Umwandlung von kg = 0.5% einer Sonnenmasse = Strahlungsleistung von W (für 0.01s) Sonnenleuchtkräften 100 Milliarden Sonnen in 10 Milliarden Galaxien D.h. NS-Verschmelzung ist im Licht der Gravitationswellen so hell wie das gesamte sichtbare Universum in seiner elektromagnetischen Leuchtkraft W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 35

36 Quellen: Verschmelzung von NS - oder SL Gravitationswellensignal Endphase: Einspiralen: Amplitude wächst Frequenz steigt Verschmelzen: Irregulär Ring down: Schwarzes Loch reguläres Signal gedämpft Dauer: Millisekunden W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 36

37 Gravitationswellen: Organisation Kapitelübersicht: Einführung Quellen Gravitationswellenastronomie Berechnung von Gravitationswellen Zusammenfassung (Laserinterferometer in space, ESA) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 37

38 Detektion: Abschätzungen Schwächste Naturkraft Viele schwächer als elektrische Kraft (10 40 ) Schwer nachweisbar Beispiel Supernova im Galaktischen Zentrum: h = L L = 1/10 fm (10 16 m) bei L = 1 km Sehr empfindliche Detektoren Amplituden Produkt aus innerem und äußerem Gravitationsfeld ( ) ( ) 1 GM 1 GM h c 2 R c 2 d d = Distanz zum System, R gegenseitiger Abstand der Sterne M Gesamtmasse W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 38

39 Detektion: Arten Im Wesentliche 2 Typen Resonator-Detektoren 1969 Joseph Weber, Aluminium-Zylinder 1,5 m lang, 1,5 Tonnen, Frequenz 1660 Hz Gravitationswelle Deformierung h Änderung der Oszillationsfrequenz Empfindlich für Signale in unserer Galaxies Heute: Etwa h Laser-Interferometer Vgl. Michelson Interferometer (Äthermessung) Empfindlicher als Resonatoren 1978, MIT, 2 m Armlänge, h er, Garching, 30 m Armlänge Heute: einige km-armlänge, h W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 39

40 Detektion: Prinzip - Resonatordetektor Einlaufende Gravitationswelle bewegt Massen: Schwingungen, Analogie: Elektromagnetische Wellen W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 40

41 Detektion: Weber Detektor Prof. Weber working on his antenna (c.1965) Resonator Aluminium-Zylinder 2m lang, 1m Durchmesser Frequenz 1660 Hz h Zylinder (Maryland & Chicago) 1969 Koinzidenzmessungen aber: - nicht verifizierbar - nicht empfindlich genug (Univ. of Maryland) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 41

42 Detektion: Weitere Resonanz-Systeme Allegro (Louisiana, ) Auriga (LNL Padua) jeweils etwa 3m lang, 2.5 Tonnen schwer, Empfindlichkeit: h W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 42

43 Detektion: Prinzip: Interferometer L(t) L L = L 1 L 2 = F + h + (t) + F h (t) h(t) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 43

44 Detektion: LASER-Interferometer Detektor Armlänge Sensitivität Start GEO m h Ende 2002 (Hannover, D/GB) TAMA 300m h Ende 2001 (Mitaka, J) VIRGO 3km h Start: 2005 (CASCINA, I, F) LIGO 4km h Start: 2002 (Hanford & Livingston, USA) LISA km h Start: > 2020? (ESO, (NASA)) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 44

45 Detektion: Detektoren Verteilt über die ganze Erde: Richtungsbestimmung, Koinzidenz-Messung W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 45

46 Detektion: GEO600 I GEO600 (Universität Hannover, Albert-Einstein-Institut) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 46

47 Detektion: GEO600 II W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 47

48 Detektion: GEO600 III W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 48

49 Detektion: LIGO Laser Interferometer Gravitational Wave-Observatory Armlänge jeweils 4km, zwei Standorte, Livingston (LA) & Hanford (WA). W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 49

50 Detektion: LIGO-Empfindlichkeit Entwicklung der Empfindlichkeit des LIGO Detektors Ziel: untere schwarze Kurve, advanced LIGO W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 50

51 Detektion: LIGO-Ziele W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 51

52 Detektion: LISA LISA Laser Interferometer Space Antenna (ESA/NASA) 2011: NASA dropout Weiterführung durch ESA elisa Projekt Start > 2034 nur Testlauf mit: Lisa Pathfinder Start Dezember 2015 frei schwebende Körper innerhalb der Sonde W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 52

53 Detektion: Signal-Extraktion Prinzip Mehrere Detektoren: Koinzidenzmessungen Gleichzeitigkeit kein Falscher Alarm und Richtung Zwei LIGO-Antennen, VIRGO, GEO600,... Online ab Ende 2002 Jeder Detektor sieht ca. 50% des Himmels Über Erde verteilt ganzer Himmel Signal/Rausch-Verhältnis sehr klein Signal-Schablonen (Templates) Limits seismischer Lärm (kleine Frequenzen) thermisches Rauschen (mittlere Freq.) Shot-Noise, photo-electron (hohe Freq.) Gut für: SN im galakt. Zentrum Binärssysteme bis zu d = 100 Mpc Upgrades KW Laser Kleinerer Shot-Noise Neue Spiegelmaterialien weniger absorbiertes Licht Kühlung Kleinerer thermischer Lärm W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 53

54 Detektion: Sensitivität W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 54

55 Gravitationswellen: Organisation Kapitelübersicht: Einführung Quellen Gravitationswellenastronomie Berechnung von Gravitationswellen Zusammenfassung (Zwei Schwarze Löcher im Rechner Department of Energy, DOE) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 55

56 Berechnung: Prinzip Aufwändig Newton: Ein Gravitationsfeld - Massenverteilung Feld - Keine Gravitationswellen Einstein: Zehn Felder - Masse = Energie - Feld erzeugt wiederum Feld, gekoppelt - Gravitationswellen Kollaborationen Grand-Challenge Project (USA, viele Institute) Albert-Einstein-Institut (Golm/Potsdam) Neueste Computer Vektor-Computer (gleichzeitige Operationen) Parallel-Computer (1000e Prozessoren zusammengeschaltet) Grid-Computing: Über den Atlantik verbundene Computer W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 56

57 Berechnung: Verschmelzung zweier Neutronensterne Einspiralen zweier Neutronensterne (Link) Dichteverteilung Gravitationsfeld (Baiotti, Giacomazzo & Rezolla, Albert Einstein Institut, Potsdam) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 57

58 Berechnung: Kollision Schwarzer Löcher (2004) MPI für Gravitationstheorie W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 58

59 Berechnung: Verschmelzung Schwarzer Löcher Einspiralen zweier Schwarzer Löcher Gezeigt ist eine Komponente des Gravitationsfeldes (NASA/C. Henze) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 59

60 Berechnung: Verschmelzung Schwarzer Löcher Einspiralen zweier Schwarzer Löcher mit Akkretionsscheiben Die Simulation erstreckt sich über die 3 letzten Orbits Gezeigt ist die Gasdichte, rot = höhere Dichte (NASA, Goddard Media Studios) (Link) W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 60

61 Gravitationswellen: Ziele Physik Letzte Bestätigung der Relativitätstheorie Eigenschaften und Geschwindigkeit von Gravitationswellen Existenz von Schwarzen Löchern Astronomie Neues Fenster ins All - Geburt, Oszillationen von Neutronensternen - Sternbeben von Neutronensternen: - Zustandsgleichung von Kernmaterie - Bildung, Schwingungen Schwarzer Löcher - Fluktuationen im frühen Universum - Weiteres Unbekanntes... W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 61

62 Aktueller Stand: Aus der Presse Spiegel-Online am Gerücht, dass Gravitationswellen detektiert worden seinen von LIGO- Detektor. Von Außenseiter, nicht aus LIGO-Team Künstliche Signale als Test der Auswertungsprozedur Aber: Übermorgen ( ) Pressekonferenz des LIGO-Teams Bekanntgabe der Detektion von Gravitationswellen W. Kley & K. Werner Streifzug durch die Astronomie, Gravitationswellen, im WS2015/16 62