Gravitationswellen
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Gravitationswellen Workshop MNU-Tagung Aachen 2017 Gravitationswellen Technische Universität Dresden Dr. rer. nat. Frank Morherr Schwarze Löcher • Begriff geprägt durch John Wheeler (1969) • starke Krümmung der Raumzeit, der nicht einmal Licht entkommen kann • komprimierte Sterne nach ihrem Untergang • Raum und Zeit haben keine Bedeutung • Stellen schwierigste und in der Vergangenheit meist diskutierteste Objekte im All dar • Beschreibbar durch lediglich drei physikalische Kenngrößen: Masse, Drehimpuls, elektrische Ladung (keine Multipolmomente) Klassische Berechnung des Schwarzschildradius: Nachweise Schwarzer Löcher • Nachweis schwierig, da man Schwarze Löcher nicht sieht • Beobachtung indirekt Durch Gasjets Gravitationswirkung auf andere Sterne Gravitationslinsen Rotierende Teilchen geben Röntgen- bzw. Gammastrahlung ab Bis heute über 30 schwarze Löcher sicher nachgewiesen Das schwarze Loch der Milchstraße: Sagittarius A* Röntgen Sichtbares Licht Radio (1m) + Sgr A* Sternbewegung um das Schwarze Loch Kepler Bahnen um Schwarze Löcher Die Systeme, in denen mittelschwere Schwarze Löcher enthalten sein sollen, sind junge Sternhaufen, Kugelsternhaufen und Zwerggalaxien. Löcher verraten sich aus der Bewegung der Sterne im Haufen bzw. derGalaxie oder durch ultrahelle Röntgenquellen. M = 4 π2 a3 /G τ2 Keplers Gesetze beschreiben Punktteilchen, die einander umkreisen Inaktives Schwarzes Loch? Im Zentrum unserer Milchstraße extrem massereiches Schwarzes Loch, Masse von ca. Zwei Millionen Sonnenmasse. So genanntes inaktives Schwarzes Loch: Es saugt kaum noch Materie in sich hinein: alle in der Nähe befindliche Materie bereits angesaugt "Rest" auf stabilen Bahnen um das Schwarze Loch. Starke Helligkeitsschwankungen Indiz für Schwarzes Loch Schwarze Löcher als Gravitationslinsen • Schwarze Löcher können Licht abzulenken, so entsteht der Effekt der Gravitationslinse. • Effekt entsteht auch bei dunkler Materie oder Galaxienhaufen, weshalb Methode schwer umzusetzen • Damit diese Nachweismethode erfolgreich , sehr hohe Auflösung der Teleskope erforderlich. • Bei Gravitationslinsen entstehendes Helligkeitsmuster wird "Einsteinring" genannt. Gravitationswellen Gravitationswellen gehören zu den wenigen von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Phänomenen, die lange nicht direkt nachgewiesen werden konnten. Erster direkter Nachweis durch LIGO am 14.9.2015: GW150914 1974 entdecken amerikanischen Radioastronomen Russell Hulse und Joseph Taylor zwei sich eng umkreisende Pulsare (1913/16) von denen Sie Radiopulse mit äußerst genauer Periode empfingen. Dadurch eigneten sich die beiden Körper als sehr genau gehende kosmische Uhren. Für ein solches System sagt Allgemeine Relativitätstheorie merklichen Energieverlust durch die Abstrahlung von Gravitationswellen voraus. Als Folge davon müssten sich die beiden Sterne einander annähern und immer schneller einander umkreisen. Abnahme der Umkreisungsdauer konnten Hulse und Taylor aus der jahrzehntelangen Beobachtung der Radiopulse nachweisen.Wert stimmt exakt mit der relativistischen Vorhersage überein. Gravitationswellen sich umkreisender Pulsare 1974: Hulse/ Taylor, Pulsare (PSR 1913/16) Nobelpreis 1993: indirekter Nachweis Historisches zu Gravitationswellen 1958 Erste Versuche von Joseph Weber an der University of Maryland, Gravitationswellen mittels Resonanzdetektoren nachzuweisen Historisches zu Gravitationswellen 1974 Russel Hulse und Joseph Taylor entdecken den ersten Pulsar in einem Doppelsternsystem: PSR 1913+16 umkreist einen Neutronenstern auf enger Bahn in 7,75 Stunden 1979 Indirekter Nachweis von Gravitationswellen: Hulse und Taylor zeigen, dass das Doppelsternsystem mit dem Pulsar PSR 1913+16 durch Abstrahlung von Gravitationswellen Energie verliert 1983 Das Max-Planck-Institut Quantenoptik in Garching baut einen interferometrischen Gravitationswellendetektor mit 30 Meter Armlänge 1984 Das Caltech und das MIT in den USA vereinbaren den Bau des interferometrischen Gravitationswellendetektors LIGO 1989 Deutsche und britische Forschergruppen beschließen den gemeinsamen Bau eines interferometrischen Gravitationswellendetektors 1994 Baubeginn für die beiden Gravitationswellendetektoren LIGO in Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana 1995 Baubeginn für den deutsch-britischen GravitationswellenDetektor GEO600 in Ruthe bei Hannover 1997 Gründung der LIGO Scientific Collaboration, der LIGO und GEO600 angehören 2001 Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (AlbertEinstein-Institut) in Potsdam übernimmt in Hannover die Aktivitäten des MPI für Quantenoptik 2002 Erster Koinzidenz-Testlauf von LIGO und GEO600 2007 Inbetriebnahme des französisch-italienischen GravitationsWellendetektors Virgo in Italien 2010 Der Umbau von LIGO zu Advanced LIGO beginnt 2011 Gemeinsame Messkampagne von GEO600 und Virgo. Im Anschluss beginnt der Umbau von Virgo zu Advanced Virgo 14.9.2015 Erster direkter Nachweis von GW mit Advanced LIGO Direkter Nachweis von Gravitationswellen • Am 11. Februar 2016 gaben Wissenschaftler den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen aus dem laufenden LIGO-Experiment bekannt. • Das Ereignis wurde am 14. September 2015 nahezu zeitgleich in den beiden LIGO-Observatorien in den USA beobachtet. Die Signifikanz des Ergebnisses wurde mit mehr als fünffacher Standardabweichung angegeben. Es dauerte 0,2 Sekunden. • Die Form des Signals war von einer charakteristischen Form, die Vorhersagen aus numerischen Simulationen der Kollision zweier Schwarzer Löcher bestätigte. • Das Ereignis fand in einem Abstand von 1,3 Milliarden Lichtjahren statt (410 Megaparsec). Zwei schwarze Löcher von rund 29 und 36 Sonnenmassen kreisten umeinander und fusionierten zu einem Schwarzen Loch von 62 Sonnenmassen, drei Sonnenmassen an Energie wurden in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. Gravitation bei Newton und Einstein Sir Isaac Newton (1643 – 1727) Albert Einstein (1879 – 1955) Allgemeine Relativitätstheorie (1915) Gravitationsgesetz (1686) ▪ Jeder Körper übt auf einen anderen Körper eine anziehende Kraft aus. F G r F F m1 m 2 r2 m3 G 6.673 10 kg s 2 (Gravitationskonstante) -11 m1 m2 ▪ Die Gravitationswirkung breitet sich instantan (unendlich schnell) aus. ▪ Raum und Zeit sind zwei voneinander unabhängige Erscheinungen. ▪ Gravitation ist eine Eigenschaft von Raum und Zeit; jede Masse bewirkt eine Krümmung der 4-dimensionalen Raumzeit. ▪ Bewegte Massen erzeugen Änderungen in der Krümmung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten → Gravitationswellen. x y Gravitation und Relativität Wie kann man eine relativistische Theorie mit Gravitationskraft aufstellen? • Einsteins Äquivalenzprinzip : Freier Fall und Schwerelosigkeit sind lokal ununterscheidbar • Kovarianz: Gleichungen sind forminvariant unter Koordinatentransformation → Gravitation ist äquivalent zur Krümmung des Raumes Lokal gekrümmter Raum Der Riemannsche Krümmungstensor • Auf gekrümmten Flächen ändern Vektoren nach Paralleltransport ihre Richtung. • Einführung des Symbols als Ableitung des Vektorfeldes Y in Richtung des Vektorfeldes X • Riemannscher Krümmungstensor: Einsteinsche Feldgleichung • Ric : Riccitensor • R : Skalarkrümmung, Spur von Ric, R = 2K, K G.-Krümmung • T : Energie-Impuls-Tensor • g : Metrik (Abstandsfunktion) • Λ : Kosmologische Konstante Spezielle Lösung: Schwarzschildmetrik eines schwarzen Loches: Bublath,: Das neue Bild der Welt Riemannscher Krümmungstensor Bewegungsgleichungen im Gravitationsfeld Allgemeine Relativitätstheorie Rückkopplung: Die Masse sagt dem Raum, wie er sich krümmt und die Krümmung sagt der Masse, wie sie sich bewegen muss. Massen krümmen die Raumzeit, wodurch umlaufende Körper wie auf einer schiefen Ebene eine Kraft nach innen erfahren. Beschrieb Verhalten von Körpern unter Schwerkraft, doch Grund für deren Existenz fand er nicht. Albert Einstein (1879-1955) PM Magazin PM Magazin Isaac Newton (1643-1727) PM Magazin Herleitung der Feldgleichung Die Feldgleichungen der ART Herleitung der Wellengleichung Herleitung der Wellengleichung Analogie zur Elektrodynamik Lösung der Wellengleichung Polarisation Bewegung der Teilchen im Feld der Welle Auslenkung leichter Teilchen Entstehung von Gravitationswellen Formale Beschreibung: Grundgedanke: Die Materie bestimmt die Krümmung des Raumes und die Krümmung des Raumes bestimmt die Bewegung der Materie Einsteinsche Feldgleichungen: Gμν = (8πG/c4) Tμν beschreibt die Struktur der Raumzeit G: Gravitationskonstante beschreibt die Materie ■ Energie-Impuls-Tensor Tμν: beschreibt die Verteilung von Materie und Energie (Vakuum: Tμν = 0) ■ Einstein-Tensor Gμν = Rμν – 1 g R ; enthält den metrischen Tensor gμν, der die Geometrie 2 μν der Raumzeit beschreibt (R, Rμν: Skalar und Tensor, die die Krümmung beschreiben) ■ Das Gravitationspotential wird von 10 Koeffizienten des metrischen Tensors bestimmt → 10 nicht-lineare gekoppelte Differentialgleichungen Entstehung von Gravitationswellen Lösungsansatz für schwache Felder: gμν = ημν + hμν ημν: beschreibt die gewöhnliche 4-dim. Raumzeit, ohne Massen (Minkowski-Raum) hμν: Korrekturterm für schwache Störungen ( |hμν| << |ημν| ) 2 2 2 1 2 8G → lineare Wellengleichung: 2 2 2 - 2 2 h - 2 4 T y z c t c x z: Ausbreitungsrichtung hμν(z,t): Auslenkung hμν0: Amplitude 0 ω: Frequenz Lösung der Wellengleichung: h (z, t) h sin(kz - t) k: Wellenzahl (k = ω/c) „Gravitationswelle“ ▪ GW Transversalwellen, breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus ▪ GW sind Quadrupolwellen ▪ GW verursachen Stauchungen und Streckungen des Raums Gravitationswellen Allgemeine Relativitätstheorie → Beschleunigte Massen senden Gravitationswellen aus, z.B. bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher Gravitationswellen = periodisches Stauchen und Strecken des Raumes Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, auch wenn es sich nicht um elektromagnetische Wellen handelt Nachweis mit Laserinterferometer durch die Verzerrung des Raumes, (etwa 10–19 m) verändert sich die Lichtlaufzeit Analogien und Unterschiede Analogien und Unterschiede Folgerungen aus der Polarisation • Gravitationswellen sind wie elektromagnetische Wellen transversal polarisiert: Bei Ausbreitung der Wellen ändern sich geometrische Verhältnisse nur senkrecht zur Ausbreitungsrichtung – Elektromagnetische Wellen: zwei unabhängig transversale Polarisationsrichtungen, die aufeinander senkrecht stehen – Gravitationswellen: unabhängige Polarisationsrichtungen bilden einen Winkel von 45° • Ellipsen der einen Polarisationsrichtung sind um 45° gegenüber der anderen Polarisationsrichtung gedreht, + -Polarisation bzw. x-Polarisation • Allgemeiner Polarisationszustand durch Überlagerung →links-, bzw. rechts zirkular polarisiert • Beim Elektromagnetismus erst nach 360° wieder Ausgangszustand →Photon hat Spin +1 oder -1 (Welle hat Helizität 1) . • Bei Gravitationswellen kommt Ellipse bereits nach 180° wieder zur Deckung → Graviton hat Spin 2 oder -2 (Welle hat Helizität 2) Quellen von Gravitationswellen Massereiche Doppelsysteme und Explosionsprozesse Quelle Erde - Sonne 2 Neutronensterne Supernova Urknall Signal periodisch periodisch impulsartig Rauschen Frequenz ~ 10–7 Hz <1 Hz – 1 kHz ~ 1 kHz ~ 10–16 Hz Leistung 102 Watt 1020 - 1045 Watt 1040 W --- ~ 10–40 ≤ 10–18 ≤ 10–18 --- Erwartete relative Längenänderung dL/L *) *) auf der Erde und Umgebung Ein Wert von dL/L ≈ 10–21 ändert den Abstand Erde-Sonne um den Durchmesser eines Atoms ! Quellen von Gravitationswellen Nachweis von Gravitationswellen Direkte Methoden Indirekte Methoden Messen von Längenänderungen Astronomische Beobachtungen 1) Resonanzdetektoren ▪ Schwere, gekühlte Metallzylinder (~ 1 Tonne) mit Resonanzfrequenz im Bereich der GW Frequenzen Messen von Umlaufperioden ▪ Gravitationswelle regt Quadrupolschwingung im Resonator an ▪ Umwandlung der mechanischen Schwingung in ein elektrisches Signal → sehr schmalbandiger Nachweis 2) Laser-Interferometer Messen einer Weglängenänderung dL mit Hilfe eines Interferenzmusters zweier Laserstrahlen z.B. an massereichen Doppelsystemen m2 r m1 Durch GW abgestrahlte Leistung: 32 G 4 (m1m 2 ) 2 (m1 m 2 ) P [Watt] 5c5 r5 → Verkleinerung des Abstands r → Verkleinerung der Umlaufperiode T Die Beobachtung von Hulse und Taylor (1974) Messung der Umlaufperiode des Doppelsystems PSR 1913+16 (Pulsar + Neutronenstern) 1.4 M d ~ (1 – 5) R Joseph Taylor Russel A. Hulse 0 T = 7.75 h 1.4 M Abnahme der Rotationsperiode: (dT/dt)Theorie = – (2.40242 +– 0.00002) · 10–12 s/s (dT/dt)Experiment = – (2.4056 +– 0.0051) · 10–12 s/s → Übereinstimmung mit Theorie im 0.1 % Bereich → Bisher deutlichster (indirekter) Hinweis auf die Existenz von Gravitationswellen → Nobelpreis für Physik 1993 Cumulative period shift / s -5 -10 -15 -20 -25 -30 general relativity prediction -35 -40 -45 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Year J.M. Weisberg et al., APJ 722, 1030 (2010) Berechnung von Hulse und Taylor Direkte Nachweismethoden: Interferometer Prinzip des Michelson-Interferometers Interferenz von zwei Lichtstrahlen Gangunterschied Δx = L1 – L2 Sp 2 Phasenverschiebung: Δφ = 2π · Δx / λ Amplitude L1 Laser Strahlteiler L2 Δφ Sp 1 Photodiode φ konstruktive Interferenz: Δφ = n · 2π destruktive Interferenz: Δφ = (2n + 1) · π (n = 0, ±1, ±2, ...) Interferenzmuster ► GW bewirkt unterschiedliche Längenänderung in den beiden Interferometer - Armen ► Längenänderung bewirkt Änderung des Interferenzmusters ► Beide Spiegel schwingen bei GW als Testmassen gegenläufig relativ zum Strahlteiler, was die Abstände zwischen den Spiegeln und dem Strahlteiler jeweils unterschiedlich verändert. Direkte Nachweismethoden: Interferometer ► Die sich daraus ergebende Interferenz der beiden Teilstrahlen nach dem Strahlteiler misst die relative Änderung der beiden Abstände und kann damit als Nachweis von Gravitationswellen dienen. ► Oft wird argumentiert, dass Gravitationswellen als Raumzeitkrümmung ja sowohl die Interferometerarmlänge als auch die Lichtwelle des Lasers gleichermaßen betreffen und dadurch kein resultierender Effekt gemessen werden kann. Das ist falsch!!! – Korrekt ist, dass die Wellenlänge des Laserlichts von der Gravitationswelle verändert h wird, jedoch auf eine andere Art und Weise als der Spiegelabstand! – Da der reine Wellencharakter einer Gravitationswelle in der TTEichung codiert ist und dort die Störung nur Raumanteile besitzt, wird in diesem Sinne durch die Gravitationswelle nur der Raum „verbogen“ und das Laserlicht als „lichtartig“ erfährt eine Phasenänderung. Hierzu etwas Hintergrundinfo: TT steht für „transverse“ und „traceless“, also transversal und spurlos TT-Eichung Gravitationswelle in der TT-Eichung Polarisation und Spin Gravitationswellen ändern die Metrik Numerische Simulationen Störquellen • Seismisches Rauschen (Erdbeben) Unterdrückung durch monolithische, mehrstufige Pendelaufhängungen • Thermisches Rauschen (Wärme) Monolithische Aufhängung konzentriert Rauschen auf schmales Frequenzband • Quantenzähl- bzw. Schrotrauschen („shot noise“) – Laserlicht ist nicht kontinuierlich, sondern wird durch Zufallsverteilung von einzelnen Photonen übertragen. Und: Photonen übertragen Impuls. Unterdrückung durch stabile Lasersysteme und „gequetschtem Licht“ • Viele kosmische GW-Quellen überlagern Signale! – Wir sehen nur die stärksten und wie bei einem Radio nur bestimmte Frequenzen. Bei welchen Frequenzen gibt es die stärksten Effekte (→Theorie) – Gravitationswellen treffen nicht unbedingt senkrecht auf die Anordnung Videos zu Gravitationswellen • Gravitationswellen (1/3) • verschmelzende Schwarze Löcher • Live im Hörsaal von Andreas Müller (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=kSlMaGkQ588 • Gravitationswellen (2/3) • Detektoren Geo600 und LIGO • Live im Hörsaal | Andreas Müller (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=DBkD6rNP0aY • Gravitationswellen (3/3) • Störquellen, Chirp,Nobelpreis • Live im Hörsaal von Andreas Müller (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v= uuVPI4YAqAo • Warped Space and Time Around Colliding Black Holes https://www.youtube.com/watch?v=1agm33iEAuo • Gravitationswellen - Wellen in der Raumzeit von der Max-Planck-Gesellschaft (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=mtCAmb_Mg1k • Gravitationswellen nachgewiesen! Einstein hatte Recht! - GravitationsAstronomie (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=B85GJldRoH8 • Gravitationswellen EINFACH ERKLÄRT - Clixoom Science & Fiction (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=RPNUi1pRSlc • Alpha Centauri Was sind Gravitationswellen Teil 1 Harald Lesch (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=HkZxNNNFZ08 • Gravitationswellen – das neue Bild vom Universum | Quarks & Co ... http://www.ardmediathek.de/tv/Quarks-Co/Gravitationswellen-das-neue-Bild-vom-U/WDRFernsehen/Video?bcastId=7450356&documentId=38107080 Die Suche nach Gravitationswellen Ein weltweites Netzwerk von Laser - Interferometern Experiment TAMA GEO600 LIGO VIRGO Armlänge 300 m 600 m 3 km, 4 km 3 km Start 2000 2001 2001 2002 LIGO-Detektor • LIGO besteht aus zwei Observatorien, die sich in Hanford (Washington) und in Livingston (Louisiana) befinden. • Daten werden nach Arten möglicher Quellen von Gravitationswellen ausgewertet – – – – – Stochastische Quellen (z.B. vom Urknall) Pulsare (Quellen mit kontinuierlicher Ausstrahlung) Verschmelzung zweier kompakter Objekte wie Neutronensterne und schwarze Löcher Kollabierende Sterne (Supernovae) Exotische Quellen • Zwei Observatorien im Abstand von ungefähr 3000 km → Licht benötigt dazwischen ungefähr 10ms →Durch Laufzeitunterschied „Positionsstreifen“ bestimmbar • Durch zwei Observatorien können dadurch zahlreiche irdische Störungen, die sich lediglich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten (wie Vibrationen, entfernte Erdbeben etc.), ausgeschlossen werden. • Michelson- Interferometer. • 4 km Armlänge legen 100 Hz fest Positionsberechnung der GW-Ereignisse Himmelsausschnitt der wahrscheinlichen Position des Gravitationswellenereignisses vom 14.09.2016. Die Darstellung enthält einen Ausschnitt des südlichen Sternhimmels. Bei dem hellen Band, das sich quer durch die Karte zieht, handelt es sich um die Milchstrasse. Die farbig markierten Bereiche weisen auf den möglichen Ort der miteinander verschmolzenen Schwarzen Löcher hin. Die beiden kleinen verwaschenen Objekte darunter handelt es sich um die beiden Magellanschen Wolken (LMC und SMC) [1]. Das Projekt GEO600 ▪ Deutsch-Britisches Projekt ▪ Standort: Ruthe bei Hannover ▪ Armlänge: 600 m ▪ Kosten: ~ 6 M€ Viele Verfahren und Techniken die bei LIGO Anwendung, wurden hier entwickelt Bildquelle: P. Aufmuth GEO600: Technische Daten Schema des GEO600 Interferometers End Test Mass Power Recycling Mirror Beam Splitter Lichtquelle: Nd:YAG-Laser Laserwellenlänge: λ = 1064 nm Laserleistung: P = 10 Watt Sensitivität: h dL/L ~ Input Test Mass Fabry-Perot Cavity Photodetector „Fabry-Perot Cavity“ → effektive Verlängerung der Armlänge L um Faktor 100 (→ ~ 100 km) „Power Recycling Mirror“ → Verstärkung der Laserleistung P um Faktor 100 (→ ~ 1 kW) L P Nachweis von Längenänderungen : dL/L ≥ 10–21 Nachweisbarer Frequenzbereich: 10 Hz – 2 kHz Reichweite: ca. 50 Millionen Lichtjahre (erlaubt Beobachtung der Milchstraße und von Nachbargalaxien) GEO600: Technische Daten ▪ An Pendeln „frei“ hängende, justierbare Interferometer-Spiegel aus Quarzglas ▪ Durchmesser: 25 cm ▪ Gewicht: ca. 10 kg ▪ Mittlere Oberflächenrauhigkeit: 10–10 m Vakuumröhren: 2 x 600 m Durchmesser: 60 cm, Druck: <10–8 mbar (→ Isolation vor seismischen Störungen) Status der Interferometer Projekte ▪ Mehrjährige Messreihen seit der Zeit von ~ 2005 ▪ Am 14.09.2015 erster Direkter Nachweis von Gravitationswellen mit LIGO ▪ Laufend technische Verbesserungen und Neuentwicklungen (→ bis 2015: Interferometer der 2. Generation; bis >2020: 3. Generation) ▪ Mehrere Detektoren: Sensitivität bestehender und geplanter Interferometer Limitierung der Sensitivität: ω < 10 Hz: seismische Störungen ω ≈ (10- 500) Hz: thermisches Rauschen ω > 1 kHz: Quantenrauschen des Laserlichts h / f1/2 [1/Hz1/2] 10–21 10–22 10–23 10–24 10–25 11 10 100 Frequenz f [Hz] 1000 10000 Interferometer der nächsten Generation Pläne für zukünftige Projekte Laser-Interferometer im Weltall → Zugang zu GW mit Frequenzen < 1 Hz Das eLISA Projekt (evolved Laser Interferometer Space Antenna) → Ursprünglich geplant als Gemeinschaftsprojekt ELISA von ESA und NASA → 2011 aus finanziellen Gründen gestoppt (Kosten: ~2.5 Milliarden Dollar) → Jetzt geplant als ESA Projekt eLISA mit Start in 2034 ▪ 3 Satelliten im Abstand von jeweils 5 Millionen km, LISA die im Dreieck angeordnet sind und im Abstand von 50 Millionen Kilometern hinter der Erde her fliegen ▪ Zwischen den Satelliten werden Laserstrahlen ausgetauscht ▪ Frei fliegende Testmassen im Inneren der Satelliten, an denen das Laserlicht reflektiert und verstärkt wird ▪ Frequenzbereich: (0.0001 – 0.1) Hz; Sensitivität: dL/L ≈ 10–22 Zusammenfassung ► Gravitationswellen sind ein Phänomen der Allgemeinen Relativitätstheorie; sie entstehen,wenn beschleunigte Massen Änderungen in der Struktur der 4-dimensionalen Raumzeit erzeugen, die sich wellenartig ausbreiten. ► Starke Quellen für GW sind Doppel-Systeme und Explosionsprozesse (z.B. Supernovae); trotzdem werden nur relative Längenänderungen auf der Erde von dL/L ≈ 10–18 -10–24 erwartet. ► Beobachtungen des Neutronenstern – Doppelsystems PSR 1913+16 (Hulse + Taylor) geben sehr deutliche, aber indirekte, Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen. ► Erster direkter Nachweis von Gravitationswellen gelungen (Verwendung von Resonanzdetektoren und Laser-Interferometern). ► Zukünftige Experimente zielen auf die Verwendung von extraterrestrischen Interferometern – eLISA Projekt der ESA, Start geplant für 2034 Ausblick Warum ist der direkte Nachweis von GW von so großem Interesse? ▪ wichtige Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie ▪ ermöglicht Gravitationswellen-Astronomie → GW bieten ein zusätzliches Beobachtungsspektrum → ermöglicht die Beobachtung von ansonsten unsichtbaren Objekten und Ereignissen → GW sind nicht abschirmbar, dadurch kann ich in Gebiete schauen, deren elektromagnetische Wellen absorbiert werden Verschmelzen von Schwarzen Löchern „Beobachtung“ des Urknalls Resonanzdetektoren Nautilus (INFN Frascati) J. Weber mit dem ersten GW Detektor MiniGRAIL (Leiden) Funktionsweise der Zylinder-Resonanzdetektoren LISA Pathfinder → ESA Projekt zum Test der Mess- und Kontrollsysteme unter Weltraumbedingungen → Start ursprünglich geplant für 2009 → verschoben auf 2015 → Start am 3. Dezember 2015 mit einer Vega-Rakete LISA Pathfinder befindet sich in einem Orbit um den Sonne-Erde-Librationspunkt L1 (Lagrangepunkt) im Abstand von ca. 1,5 Mio km von der Erde. Nach Erreichen endgültiger Position wurde am 22. Januar 2016 der Raketenmotor abgeworfen. Seit dem 22. Februar 2016 befinden sich die beiden Testmassen im "freien Fall" innerhalb der Messapparatur, ohne jegliche Beeinflussung von außen. – LISA Pathfinder ist ein Modell mit 30 cm langen Interferometer-Armen – zwei Testmassen können in einem Satelliten untergebracht werden – LISA Pathfinder soll 2015 ins All befördert werden – Dauer der Experimente: 6 – 12 Monate Bildquelle: ESA Das Einstein Teleskop Eigenschaften von Gravitationswellen Verschiebung der Orte von Testmassen beim Durchgang einer GW in z-Richtung: ▪ Gravitationswellen kommen in zwei Polarisationszuständen vor Polarisationszustand 1 y L L - dL L + dL x Polarisationszustand 2 y x
