Astronomie mit Gravitonen

Transkript

1 Astronomie mit Gravitonen Peter Aufmuth Albert-Einstein-Institut Leibniz Universität Hannover Mittwochsakademie Siegen Astrophysik mit Teilchen Hannover,

2 Albert-Einstein-Institut Experiment Institut für Gravitationsphysik Leibniz Univ. Hann. Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Inst.) Hannover Theorie Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Inst.) Potsdam/Golm Gravitationswellendetektor GEO600 Sonderforschungsbereich GW-Astronomie

3 Albert-Einstein-Institut Arbeitsgruppen: Gravitationswellen Laserentwicklung Datenanalyse kohärente Optik

4 Übersicht 1. Was sind Gravitationswellen? Entstehung, Eigenschaften, Stärke 2. Welche Informationen enthalten sie? Neutronensterne, Schwarze Löcher, Urknall 3. Wie empfängt man Gravitationswellen? Resonanzantennen, Laserinterferometer

5 1. Was sind Gravitationswellen? Entstehung, Eigenschaften, Stärke

6 Einsteins Gravitationstheorie 1912 Albert Einstein ( ) Die Gravitation ist keine Kraft, sondern eine Eigenschaft des Raums. Der Raum ist kein starrer Hintergrund, er wird durch Massen verformt.

7 Massen krümmen den Raum Vorstellung anhand einer Fläche keine Masse = keine Krümmung (Euklidischer Raum) eine Masse krümmt den Raum (Riemannscher Raum) Trampolin-Effekt

8 Gravitation ist Geometrie! John A. Wheeler ( ) 1915 Allgemeine Relativitätstheorie Die Materie bestimmt die Krümmung des Raums, und der Raum bestimmt die Bewegung der Materie.

9 Lichtablenkung Gravitationslinsen- Effekt: Mehrfachbilder HST MIT und Ringe Scheinbare Position Wahre Position Auch das Licht folgt der Geometrie des Raumes.

10 Geometrodynamik Alle Massen im Universum bewegen sich; das Universum selbst expandiert. Die Geometrie der Raumzeit ist nicht nur gekrümmt, sie verändert sich auch ständig. Wie schnell beeinflußt eine solche Veränderung die Umgebung? John A. Wheeler

11 Gravitationswellen Die Ausbreitung von Störungen in der Struktur der Raumzeit erfolgt nur mit endlicher Geschwindigkeit Existenz von Gravitationswellen Sternexplosion (Supernova) mit Lichtgeschwindigkeit 1916

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

13 Bewegte Massen erzeugen GW Voraussetzung: Quadrupolmoment = Abweichung der Massenverteilung von der Kugelsymmetrie Massenquadrupol Rotierender Neutronenstern mit Berg Kollaps und Explosion eines Sterns (Supernova) Binärsysteme (Planetensystem, Neutronensterne, Schwarze Löcher)

14 Wirkung einer Gravitationswelle Änderung in der Struktur der Raumzeit Der Raum wird abwechselnd gequetscht und gedehnt Die Welt als Wackelpudding

15 Wirkung einer Gravitationswelle auf einen Kreis aus Testmassen mit dem Radius l: + Zeitlicher Verlauf während einer Periode der GW Polarisation Die Raumverzerrung entspricht einer Längenänderung Relative Längenänderung: h = δl / l

16 Stärke von Gravitationswellen J 1 % GW Supernova in der Milchstraße Strahlungsleistung auf der Erde: S ~ W/m² = 100 x el.-magn. Solarkonstante Problem: Verschwindende Wechselwirkung zwischen Gravitationswellen und Materie

17 Gravitonen Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine klassische Feldtheorie. Das zugehörige Feldquant ist das Graviton. Graviton Spin = 2 Ruhemasse 0 Lichtgeschw. E = hf J Beispiel: Supernova in der Milchstraße Strahlungsleistung auf der Erde: Gravitonen pro m² und s Man wird nie einzelne Gravitonen beobachten können

18 Gravitonen? Aber: Es ist bisher noch nicht gelungen, eine Quantentheorie der Gravitation aufzustellen. Ist die Gravitation überhaupt eine Wechselwirkung wie die anderen? Der Raum ist das Feld! Programm Geometrisierung der anderen WW! Schleifenquantengravitation

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

20 Eine Änderung 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!!!

21 Einsteins Befürchtung Gravitationswellen sind eine notwendige Folgerung aus der Relativitätstheorie aber der Effekt ist so klein, daß man sie wohl nie beobachten wird Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation Sitzungsberichte der KPAW Berlin A. Einstein

22 2. Welche Informationen enthalten Gravitationswellen? Neutronensterne, Schwarze Löcher, Urknall

23 Quellen von Gravitationswellen die energiereichsten und heftigsten Vorgänge im Universum Kompakte Doppelsternsysteme Supernovae Urknall und Inflation Kollidierende Galaxien Schwarze Löcher Pulsare

24 Simulation von Gravitationswellen Kollision zweier Neutronensterne und von zwei Schwarzen Löchern Albert-Einstein-Institut Potsdam

25 Beobachtbarer Frequenzbereich Signalstärke h Schwarze Löcher Weiße Zwerge Supernovae Neutronen- Sterne Pulsare Frequenz f [Hz] Millihertz Kilohertz

26 Vorteile der GW-Astronomie Keine Schwächung oder Das gesamte Universum Streuung von GW an Materie ist transparent für GW ideale Informationsträger bis zurück zum Urknall! Licht GW 8 13,7 Mrd. 13,3 Mrd. 10 Mrd. Heute Neutrinos

27 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 SN 1987A HST Pulsierender Neutronenstern: Beim Kollaps wird der Kern zu Sinusschwingungen angeregt.

28 Licht-Astronomie: Supernovae Abbild der Oberfläche des Sterns durch die Strahlung vieler unkoordinierter Atome Konventionelle Astronomie: Helligkeitsverlauf

29 GW-Astronomie: Supernovae Blick in das Innere des Sterns Beobachtung der kohärenten Bewegung großer Massen Berechnetes Signal eines durch Rotation abgeplatteten Sterns Im Gravitationswellen-Signal bilden sich die Details des Kollapses und der folgenden Explosion ab

30 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

31 GW-Astronomie: Binärsysteme Zwei Neutronensterne oder Schwarze Löcher, die einander umkreisen und schließlich verschmelzen John Rowe Animation Amplitude und Wellenform sind sehr gut bekannt genaue Bestimmung der Entfernung h Bestimmung der Hubble- Konstante auf 2 % Zeit t [s]

32 Indirekter Nachweis von GW PSR = Radiopulsar + Neutronenstern T [s] Änderung der Periastronzeit Russell A. Hulse Joseph H. Taylor, Jr. John Rowe Animation Energieverlust durch Abstrahlung von GW Veränderung der Bahndaten Einsteins Vorhersage ± 0.2 % Nobelpreis für Physik 1993

33 GW-Astronomie: Schwarze Löcher Gravitationswellen liefern ein genaues Bild, eine Karte, von der Oberfläche des Schwarzen Lochs. Ein kleines Schwarzes Loch (10 Sonnenmassen) umkreist ein Schwarzes Loch von 1 Million Sonnenmassen Kip Thorne

34 GW-Astronomie: Hintergrundstrahlung Ursache: Urknall und Inflation des Univerums Information über das Universum direkt nach seiner Entstehung t < s Test der Theorien über das frühe Universum Frequenz f

35 GW-Astronomie: Das Unbekannte nichtleuchtende Materie, durch den Gravitationslinseneffekt nachgewiesen HST Unvermutete Signale Neue Entdeckungen Dunkle Materie?

36 3. Wie empfängt man Gravitationswellen? Resonanzantennen, Laserinterferometer

37 Wie kann man Gravitationswellen messen? Gravitationswellen erzeugen eine Längenänderung verformen einen Festkörper vorher nachher

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

39 Moderne Zylinderantennen h flüssiges He Schwingungsisolierung NIOBE AURIGA Legnaro, INFN (Italien) Nur um die Resonanzfrequenz herum empfindlich (f ~ 980 Hz)

40 Die Wirkung einer Gravitationswelle... besteht in einer unterschiedlichen Längenänderung δl in x- und y-richtung Problem: Maßstäbe werden ebenfalls verändert Man muß man die beiden unterschiedlich veränderten Strecken gleichzeitig betrachten!

41 Michelson-Interferometer Spiegel Anforderung: δφ = destruktive Interferenz Auslöschung Laser Strahlteiler Spiegel konstruktive Interferenz Verstärkung Die Empfindlichkeit hängt von der Armlänge und der umlaufenden Lichtleistung ab.

42 Nordarm Endspiegel GEO600 Ein Michelson-Interferometer mit 600 m langen Armen 600 m Laser + Strahlteiler Zentralhaus 600 m Endspiegel Ostarm Institut für Obstbau und Baumschule GEO600 ist das Ergebnis einer über 30jährigen Entwicklungsarbeit

43 GEO600 Strahlengang Ultrahochvakuum Leistungsverstärkung Signalüberhöhung Nd:YAG-Laser nm cw, stabilisiert TEM 00 Umlaufende Leistung: 10 kw

44 Störquellen ( Rauschen ) Seismisk Restgas Frequenz Amplitude Temperatur Strahlungsdruck Schrotrauschen Aufgabe: Rauschen beseitigen oder verschieben!

45 Vakuumsystem Anforderung: Druck < 10 6 Pa UHV Edelstahltanks, Ø 1 m, h = 2 m Gewelltes Edelstahlrohr Ø 60 cm, d = 0,9 mm

46 Aufhängung der Endspiegel als Pendel Masse fest montiert Anforderung: Dämpfung der seismischen Störungen um 10 9 Masse als Pendel aufgehängt Monolithische Aufhängung: Keine Reibungsverluste

47 Doppelpendel: Aktuatoren Spulen + Magnete elektrostatischer Aktuator

48 Optische Resonatoren: Filter, Energiespeicher und Verstärker Spiegel R = 100 % Spiegel R = 98 % L Fabry-Perot Interferenzfilter Resonatoren speichern Energie, maximal bei der Resonanzfrequenz ( Eigenfrequenz ); dann auch max. Transmission

49 Lichtquelle = Nd:YAG-Lasersystem Master -Laser 800 mw Slave -Laser Nd:YAG-Kristall (als Ringresonator geschliffen) Pumpdioden Pump- 808 nm 13 W Modenfilter 10 W 1064 nm TEM 00

50 Optimale Lichtleistung 10 kw 60 µn 3 µm Der Photonenfluß ändert sich statistisch: Intensitätsschwankung auf der Photodiode Schrotrauschen mehr Licht! Die Photonen übertragen Impuls: Rückstoß-Bewegung der Spiegel Strahlungsdruckrauschen weniger Licht!? Die optimale Lichtleistung für GEO 600 beträgt ca. 1 MW.!!!

51 Recycling-Verfahren Voreinstellung: dunkler Ausgang alles Licht läuft zum Eingang zurück Das Licht erneut verwenden! Power Recycling P ~ 10 kw Signal Recycling V ~ 100 Laser Spiegel PR-Spiegel Signal Strahlteiler SR-Spiegel Spiegel + die Möglichkeit, den Detektor abzustimmen Spezialität von GEO600!

52 Abstimmung durch Signal-Recycling Die Resonanzfrequenz hängt von der Position des Recycling- Spiegels ab, die Bandbreite von der Reflektivität des Spiegels. Das Signal-Recycling verändert das Schrotrauschen: Breitband-Betrieb mit Signal-Recycling Schrotrauschen Time

53 Empfindlichkeit von GEO Rauschamplitude h δl = m Frequenz f [Hz] Restrauschen + Störsignale + Kalibriersignale

54 GEO600 Status 2009 Kontinuierlicher Betrieb mit > 95 % Stabilität Erster Detektor der Zweiten Generation Koinzidenzmessungen mit LIGO und Virgo Weitere Arbeit: Absenkung des Rauschniveaus Erhöhung der Bandbreite Erprobung neuer Konzepte

55 Datenaufnahme Aufzeichnung des GW-Signals und des Detektorzustands (alle Regelsignale, Umwelt, Zeitbasis,...) Datenrate: 50 GB/Tag 64 Kanäle mit Hz 64 Kanäle mit 512 Hz 1000 Kanäle 1 Hz

56 Beobachtung der Nordseewellen rot = x grün = y Darstellung der x- und y-freiheitsgrade der Strahlteiler-Regelung. Niederfrequenter Anteil (0,5 Hz):

57 Beobachtung der Erdgezeiten Der Mond hebt u. senkt auch die Erdoberfläche um einige cm. 12,4 Std. = ein halber Mondtag

58 Ein weltweites Netz 2 4 km 3 km 600 m 300 m AIGO LIGO Scientific Collaboration Zusammenarbeit von 60 Instituten

59 An der Schwelle zur Gravitationswellenastronomie Heutige Reichweite Erde Virgo Supercluster Bis jetzt noch kein Signal nachgewiesen. Eine Vergrößerung der Reichweite um einen Faktor 10 bedeutet eine Vergrößerung des Beobachtungsvolumens um einen Faktor 1000!

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

61 Laser Interferometer Space Antenna 5 Mio km Armlänge ausgelegt für den mhz-bereich h ~ NASA / ESA

62 LISA Drei Satelliten in heliozentrischer Umlaufbahn 20 (= 50 Mio. km) hinter der Erde Vorgesehener Start: 2020 Probe-Mission (LISA Pathfinder) : 2011