Gravitationswellenastronomie Gravitationswellenastronomie Andreas Wetscherek Betreuer: Dr. Wolfram Schmidt Albert Einstein (1879-1955) 1 / 29
Ein Gedicht Ein Gedicht Oh Gravity Wave, No searcher has yet beheld you, The Golden Fleece of our day. Courageous adventurers seek you With all the shrewdness of Jason, With all the witchcraft of lasers and electronics. [...] This very moment you must be carrying past us Who cannot yet hear your words. Give us soon, oh Gravity Wave, Our first whisper of your golden messages. 2 / 29
Übersicht Übersicht 1. Was sind Gravitationswellen? 2. Vergleich mit elektromagnetischen Wellen 3. Quellen für Gravitationswellen 4. Nachweis von Gravitationswellen 5. Detektoren für Gravitationswellen 1. GEO 2. VIRGO 3. LIGO 4. LISA 3 / 29
Was sind Gravitationswellen? Was sind Gravitationswellen? Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Transversalwellen, stauchen/strecken die Raumzeit senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Ursache: Endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Änderungen des Gravitationsfeldes Direkter Nachweis bislang noch nicht erbracht. Für den Indirekter Nachweis gab es 1993 den Nobelpreis. 4 / 29
Was sind Gravitationswellen? Gedankenexperiment Also der Atlas, der die Welt hält: Der hat Arbeit (Ode an die Arbeit) Zwei Massen A und B stürzen auf Grund ihrer GravitationsWechselwirkung aufeinander zu, werden durch eine reibungsfreie Feder abgebremst und wieder auseinander geschleudert. Dabei verlieren sie trotzdem Energie und die Amplitude der Bewegung wird kleiner! Wieso? Antwort: Zeitverzögerung, Gravitation kann sich nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. 5 / 29
Was sind Gravitationswellen? First speed of gravity measurement 2002 Fomalont und Kopeikin berechnen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation mit Hilfe der ART aus dem Gravitationsfeld des Planeten Jupiter. Das Gravitationsfeld konnte aus den mit Radioteleskopen aufgezeichneten, scheinbaren Positionsänderungen eines Quasars beim Jupiterdurchgang im September 2002 berechnet werden. v G = 0,95±0,25 c 0 6 / 29
Vergleich mit e.m. Wellen Vergleich mit e.m. Wellen Pos. und neg. Ladungen Dipolstrahlung möglich Austauschteilchen Photon Spin 1 Feldstärke / Kraft indirekt proportional zum Abstand 2 Polarisationszustände Maxwell-Gleichungen sind linear, Superpositionsprinzip ist anwendbar Wellengleichung exakt Nichtlineare Effekte erlauben Solitonen Nur pos. Massen Mindestens Quadrupolstrahlung Graviton (?) - Spin 2 Feldstärke / Kraft indirekt proportional zum Abstand 2 Polarisationszustände Einsteinsche Feldgleichungen sind nichtlinear, keine Superposition Wellen-Gl. nur Näherung Gravitation ist nichtlinear, Existenz von Solitonen erwartet 7 / 29
Quadrupolmoment Quadrupolmoment Dritte Terme der Multipolentwicklung: 8 / 29
Quellen für Gravitationswellen Quellen für Gravitationswellen Voraussetzung ist zeitliche Veränderung des Quadrupolmoments einer Massen-, bzw. Energieverteilung Einfachster Fall: Zwei sich umkreisende Massen z.b. Sonne/Erde, Abstrahlung von 300 W Supernova-Explosionen Zusammenstoßende / sich umkreisende Neutronensterne / Schwarze Löcher Urknall (aber Expansion => LISA) 9 / 29
Berechnung von Gravitationswellen Berechnung von Gravitationswellen "Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, wackelt das gesamte All wie eine Schale mit Götterspeise." Im Frühjahr 2006 simulierte die NASA mit dem viertschnellsten Supercomputer der Welt die bei der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher entstehenden Gravitationswellen. Theoretische Berechnungen sind notwendig, um astronomische Ereignisse erkennen zu können. Templates für verschiedenste Ereignisse (z.b. rotierende Neutronensterne, Verschmelzung zweier schwarzer Löcher) werden erstellt 10 / 29
Berechnung von Gravitationswellen Indirekter Nachweis von Gravitationswellen R. Hulse und J. Taylor konnten durch mehrjährige Beobachtung des Doppelpulsars PSR 1913+16 nachweisen, dass die Umlaufbahnen immer enger werden und das System somit Energie verliert. Da die Messungen mit den Vorhersagen der ART übereinstimmten, wurden sie für den indirekten Beweis von Gravitationswellen 1993 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. 11 / 29
Direkter Nachweis von Gravitationswellen Methoden zum direkten Nachweis von Gravitationswellen Wechselwirkung von Gravitationswellen mit Materie sehr schwach, hohe Empfindlichkeit erforderlich. Messung der Weglängenänderung zwischen zwei Punkten sollte die von der Gravitationswelle verursachte Änderung der Raumzeit-Krümmung zeigen. Erste Detektoren (1958): Resonanzdetektor aus massivem Aluminiumzylinder (1,8m lang, 3,3t schwer), erschütterungsfrei im Vakuum aufgehängt, Piezokristalle können Längenänderung des Zylinders mit Empfindlichkeit von 1:1016 detektieren. Analoge Anordnung in 1000km Entfernung. 12 / 29
Direkter Nachweis von Gravitationswellen Methoden zum direkten Nachweis von Gravitationswellen (2) Weiterentwicklung: Nb-Detektoren, auf wenige K gekühlt, Empfindlichkeiten von 1:1019. Eindeutiger Nachweis gelang mit diesen Methoden nicht. Heute: Michelson-Interferometer, Nachweis der Änderungen der Raumzeit durch Änderung der Interferenz zweier Laserstrahlen. Aber: Längenänderungen sind sehr gering:1/10.000 des Durchmessers eines Protons bezogen auf gesamte Länge (z.b. 600m) der Messapparatur. 13 / 29
Direkter Nachweis von Gravitationswellen Herausforderungen an einen interferometerbasierten GW-Detektor Sehr stabile hochenergetische Laser, Arme der Interferometer werden mehrfach durchlaufen Armlänge wird auf destruktive Interferenz getuned. Nanostrukturierte Präzisionsspiegel Vakuum < 10-8 mbar Schwingungsfreie Lagerung das Gerät ist so empfindlich, dass selbst die Brandung der Nordsee in 200km Entfernung noch Störungen verursachen würde 14 / 29
GEO600 GEO 600 Ursprünglich im Harz geplant mit Armlänge von 3km, aus Kostengründen in der Nähe von Hannover gebaut mit nur 600m Armlänge Baubeginn 1995 Seit Juni 2006 im Dauereinsatz Diodengepumpter Nd:YAG (10W) Sensitivity: 10 20 10 21 / Hz (für bursts) 26 10 / Hz (cw, 1yr Integration) 15 / 29
GEO600 Lasersystem von GEO600 16 / 29
GEO600 Sensitivitätssteigerung bei GEO 600 17 / 29
VIRGO VIRGO Italienisch-französische Kooperation Erster Science-Run: 18.Mai 2007, Standort Nähe Pisa Armlänge: 3km Größtes UHV in Europa => Technology spin-off Sensitivity: 21 3 10 / Hz @ 10 Hz 23 3 10 / Hz @ 1kHz 18 / 29
VIRGO VIRGO 19 / 29
LIGO LIGO 20 / 29
LIGO LIGO 2 Gravitationswellen-Detektoren, gebaut in den USA im Abstand von 3000km (10ms Abstand für Gravitationswellen) 3 Tunnel mit 4km Länge, 1 Tunnel mit 2km So parallel, wie es die Erdkrümmung zulässt Momentan wichtigster Detektor Zusammenschaltung von GEO, VIRGO, TAMA (Japan) und LIGO zur Überprüfung von Korrelationen. 21 / 29
LIGO LIGO 22 / 29
LIGO Advanced LIGO Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory Grunderneuerung des LIGO, Verbesserungen in allen Komponenten Steigerung der Sensitivity um Faktor 10 1000-10000 mal mehr Ereignisse Gelder sollen ab 2008 fließen We plan to start observations in 2013. The science that follows may well revolutionize our view of the universe 23 / 29
LIGO Einschränkungen für erdgestützte Gravitationswellendetektoren Beschränkter Bereich von Frequenzen messbar 24 / 29
LISA LISA Laser Interferometer Space Antenna Launch date: 2018 Hofft damit Gravitationswellen des Urknalls nachweisen zu können (Frequenzlimit durch seismische Ereignisse fällt weg). 3 Satelliten, die hinter der Erde her kreisen sollen 25 / 29
LISA Aufbau eines LISA-Satelliten 26 / 29
LISA Erwartete Rückschlüsse aus einem Gravitationsspektrum des Universums Weiterer Beleg für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie Bestätigung des Modells der Gravitationswellen Entscheidende Hinweise auf Materieverteilung im Universum Insbesondere Rückschlüsse auf Dunkle Materie Hubble-Konstante Gravitationswellen des Urknalls müssten bis heute durch das Universum wandern. Einzige Möglichkeit, schwarze Löcher und superschwere schwarze Löcher zu sehen. 27 / 29
Literatur Literatur J.A. Wheeler: Gravitation und Raumzeit C.W. Misner, K.S. Thorne, J.A. Wheeler: Gravitation S. Hawking, Das Universum in der Nußschale http://de.wikipedia.org/wiki/gravitationswellen http://www.amps.uni-hannover.de/gwinfo.html http://geo600.aei.mpg.de/ http://www.ligo.caltech.edu/ http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=27 u.v.a. http://www.google.de 28 / 29
Fragen Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! Noch Fragen? 29 / 29