Gravitationswellen: Erschütterungen. Ewald Müller Max-Planck-Institut für Astrophysik

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1 Gravitationswellen: Erschütterungen der Raumzeit Ewald Müller Max-Planck-Institut für Astrophysik

2 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.v. - unabhängige gemeinnützige Forschungsorganisation - Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften - 80 Institute in 3 Sektionen Mitarbeiter, davon Wissenschaftler Nachwuchs- und Gastwissenschaftler (54% Ausländer) - Haushalt: ~1.5 Milliarden Euro (80% öffentliche Mittel des Bundes und der Länder, 14% Projektmittel und EU, 6% Lizenzen & Spenden) -- Stand

3 Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) (Garching bei München) eines von 5 astronomisch bzw. astrophysikalisch orientierten MPIs neben MPI für Astronomie MPI für Extraterrestrische Forschung MPI für Radioastronomie MPI für Sonnensystemforschung 3 Abteilungen / Direktoren: M.Asplund, W.Hillebrandt (Stellare Astrophysik) R.Sunyaev S.White (Hochenergieastrophysik) (Extragalaktische Astrophysik)

4 Die Raumzeit (I) Aus Alltag bekannt: Konzept des Raums (eine Art Bühne für die Objekte unserer Welt, die ihre Lage oder sonstigen Eigenschaften mit der Zeit verändern) Relativitätstheorie: Raum und Zeit sind keine absoluten Strukturen, sondern hängen vom Beobachter ab. z.b.: Welche Ereignisse gleichzeitig stattfinden beurteilen zwei relativ zueinander bewegte Beobachter unterschiedlich. Absolut ist nur die Gesamtheit aller Ereignisse, die Raumzeit.

5 Die Raumzeit (II) keine passive Bühne für das Weltgeschehen. Raumzeit ist dynamisch; sie wird durch die in ihr enthaltenene Materie verzerrt und beeinflusst ihrerseits, wie sich die Materie bewegt Einsteins geometrische, relativistische Theorie der Schwerkraft: Gravitation keine Kraft, sondern Eigenschaft der Geometrie der Raumzeit kräftefreie Teilchen bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit auf geradestmöglichen Bahnen Weichen Teilchen von diesem Verhalten ab, ist nach der klassischen Physik eine Kraft im Spiel Achtung: nur 2-dimensionale Analogie! Einsteins ART: Raumkrümmung bestimmt Bewegung der Teilchen

6 Die Raumzeit (III) Einsteins geometrische, relativistische Theorie der Schwerkraft macht überraschende Vorhersagen: Licht wird durch Gravitation abgelenkt Existenz von Schwarzen Löchern Existenz von Gravitationswellen

7 Elektromagnetische Wellen: - periodisch veränderliche elektrische und magnetische Felder, die sich in der Raumzeit mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten - erzeugt von sich beschleunigt bewegenden elektrischen Ladungen.

8 Gravitationswellen: - periodische Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten - erzeugt von sich beschleunigt bewegenden Massen / Energien Da die Raumzeit eine große Steifheit besitzt, werden starke Gravitationswellen nur erzeugt, falls - die Massen sehr groß sind - und ihre Geschwindigkeiten fast Lichtgeschwindigkeit erreichen ---> Entstehung und Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern ---> vorhergesagte relative Längenänderungen: < entspricht einer Änderung des Abstands Erde-Sonne um weniger als einen Atomdurchmesser!

9 Beispiele: -- zwei sich von einander beschleunigt entfernende Massenpunkte (oder Materiestrahlen) -- zwei sich umkreisende Massenpunkte (z.b. Doppelsternsystem aus zwei Neutronensternen) Gravitationswellen!

10 Gegenbeispiel: -- kollabierender, perfekt kugelförmiger Stern keine Gravitationswellen!

11 Beispiel: -- kollabierender, rotierender Stern Gravitationswellen!

12 Beispiel: -- global kugelförmiger Stern mit turbulenten inneren Massenströmungen Gravitationswellen!

13 Gravitationswellen sich ausbreitende Raumzeitstörungen bewirken Abstandsverzerrung räumliche Abstände zwischen frei fallenden Objekten werden periodisch verzerrt

14 Gravitationswellendetektoren Resonanzdetektoren: Alumiumzylinder werden durch GW zu Eigenschwingungen angeregt, die mittels piezoelektrischer Kristalle in elektrische Signale umgewandelt werden Joseph Weber (Univ of Maryland) 1968 Heinz Billing (MPI für Physik 1972 und Astrophysik)

15 Gravitationswellendetektoren: Interferometer

16 Gravitationswellendetektoren: Interferometer Rauschquellen erschweren Messung

17 Gravitationswellendetektoren: Interferometer Rauschquellen erschweren Messung

18 LIGO-Hanford VIRGO LIGO-Livingston GEO600

19 Das weltweite Netzwerk der Gravitationswellendetektoren astrophysikalische Ereignisse erzeugen Signale in mehr als einem Detektor (Prinzip der Koinzidenzmessung)

20 Laser Interferometer Space Antenna ESA-NASA Mission; Starttermin: 2018

21 Indirekter Nachweis von Gravitationswellen Binärpulsar PSR Nobelpreis 1993 für Hulse & Taylor Zerfall der elliptischen Umlaufbahn durch die Abstrahlung von Gravitationswellen gemäß ART: Lebensdauer: ~300 Millionen Jahre

22 Gravitationswellen von Gravitationskollaps-Supernovae 30 Doradus Region in der Großen Magellanschen Wolke (d ~ Lichtjahre) Blauer Überriese Sandulek Supernova 1987A 7:35 UT

23 Blauer Riese (Roter Riese: 100) km Eisen-Core km Neutronenstern km

24 Supernova-Explosionen sind nicht kugelrund, sondern sehr turbulent und unsymmetrisch

25 Supernova-Kandidat: Beteigeuze Beteigeuze Sternbild ORION Roter Riese in einer Entfernung von ~520 Lichtjahren --> Supernova: etwa 80 x heller als Venus!

26 Weitere astrophysikalische Quellen von Gravitationswellen Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher (Beobachtungshinweise) Zentrum der Milchstraße beherbergt ein großes Schwarzes Loch mit 3,6 Millionen Sonnenmassen Galaxie NGC 6240 enthält ein Paar Schwarzer Löcher

27 Weitere astrophysikalische Quellen von Gravitationswellen Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher (numerische Simulationen) langsames Hineinspiralieren, zum dramatischen Ende sehr starkes Gravitationswellensignal; sichtbar im ganzen Universum

28 Weitere astrophysikalische Quellen von Gravitationswellen Verschmelzung zweier Neutronensterne numerische Simulation eines ehemaligen MPA-Doktoranden (Max Ruffert) sehr starkes Gravitationswellensignal; sichtbar bis zu einer Entfernung von einer Milliarde Lichtjahren

29 Weitere astrophysikalische Quellen von Gravitationswellen Quanten-Fluktuationen kurz nach dem Urknall

30 Die Beobachtung von Gravitationswellen ermöglicht eine ganz neue Art von Astronomie Überraschungen sind zu erwarten!

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