2016 im Rückblick

Astronomischer
Rückblick 2016
Max Camenzind – Akademie HD – Dezember 2016
Highlights des Jahres 2016 Astronomie?
• Top-Thema 1:
Unsere Themen des Jahres 2016
• Top-Thema 1: Gravitationswellen werden nach
100 Jahren endlich detektiert – wie weiter?
• Thema 2: Die Kopernikanische Revolution
• Thema 3: Kepler Gesetze bilden die Grundlage
zum Verständnis des Sonnensystems.
• Thema 4: Wie orientiere ich mich am Himmel?
• Thema 5: Sonnenaktivität, Sonnenstürme und
das Klima der Erde – die Sonne wird ruhiger!
• Thema 6: Sonden im Sonnensystem von Merkur
bis Juno und Pluto.
• Thema 7: Asteroiden – tödliche Gefahr für die
Menschheit? – Massensterben in Vergangenheit
Gravitationswellen
Völlig unerwartet haben sich
Schwarze Löcher als die
stärksten Quellen herausgestellt.
Vor 1,3 Milliarden Jahren
verschmolzen 2 Schwarze Löcher
irgendwo im Universum zu einem
einzigen neuen Schwarzen Loch
Die 2. Quelle im Juni bekannt gegeben
GWellen = Vibrationen des Raumes
Schwarze Löcher bilden Binärsysteme!
Blauer Überriese mit
70 Sonnenmassen
bedeckt periodisch
die Röntgenquelle
Das Spektrum der Gravitationswellen
DECIGO
10 Millisekunden entfernt
Drei Entdeckungen mit AdvLIGO
Die ersten drei GWellensignale LIGO
Interferometer-Signal [10-22]
Rauschen
Rauschen
Spektrogram
LIGO-Signal

Chirp von
GW150914
&
GW151226
Grafik: LIGO
Die letzte Sekunde vor dem Merger
Inspiral of Black Holes
Detektorrauschen
GW150914
Grafik: LIGO
GW151226
Reichweite AdvLIGO SL-Merger 2015
400 Mpc
z = 0,1
Ab 2017:
1,5 mal empfindlicher
 1 SL-Merger pro Monat
Reichweite AdvLIGO SL-Merger 2017
Grafik: LIGO
MIT NEWS OFFICE, LIGO back online,
ready for more discoveries, Nov 30, 2016
Today, scientists restarted the twin detectors of LIGO, the
Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, after
making several improvements to the system. Over the last year,
they have made enhancements to LIGO’s lasers, electronics,
and optics that have increased the observatory’s sensitivity by
10 to 25 percent. The detectors, scientists hope, will now be
able to tune in to gravitational waves — and the extreme events
from which they arise — that emanate from farther out in the
universe.
Now with LIGO’s latest upgrades, members of the LIGO
Scientific Collaboration are hoping to detect more frequent
signals of gravitational waves, arising from colliding black
holes and other extreme cosmic phenomena.
MIT: “We definitely expect to detect more black hole mergers,
which is still a very exciting prospect. Recall that in the first
run we detected two such black hole binary mergers and saw
strong evidence for a third merger. With the modest
improvement in sensitivity and the plan to collect more data
than we did before, we should add to our knowledge of the
black hole population in the universe.
We would also love to detect gravitational waves from the
merger of two neutron stars. We know these systems exist, but
we don’t know how prevalent they are, so we can’t be sure how
sensitivity we need to start seeing them. Binary neutron star
mergers are interesting because (among other things) they are
thought to be the producers and distributers of the heavy
elements, such as the precious metals, that exist in our galaxy.”
Gravitationswellen von NSternen
Kompakte binäre Neutronensternsysteme
verschmelzen in einigen 100 Mio. Jahren
 Jede Stunde 1 Crash im Universum!
PSR 1913+16
~ 1 Sonnenradius
Zukunft: Merger von 2 NSternen
 Da Massen 10x kleiner, sind Signale schwächer
arXiv:1607.00897
h [10-17]
NS-NS-Merger in der Milchstraße
 Kollaps auf Schwarzes Loch
h~
tm = 320 Mio. a
10-21
aus Virgo-Haufen, f kHz
tm = 2.510 Mio. a
arXiv:1607.00897
DECIGO – ein Weltrauminterferometer
Japan drängt in den Weltraum
Image of Pre-DECIGO, which is a smaller DECIGO, consisting of three spacecraft arranged in
an equilateral triangle with 100 km arm lengths orbiting 2000 km above the surface of the earth.
Takashi Nakamura et al. Prog. Theor. Exp. Phys.
2016;2016:093E01
© The Author(s) 2016. Published by Oxford University Press on behalf of the Physical Society of Japan.
Roadmap
Figure: S.Kawamura
2007 08
09
10
11
12
13
Mission
R&D
Fabrication
14
15
16
17
18
19
R&D
Fabrication
DECIGO
Pathfinder
(DPF)
20
21
22
23
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25
R&D
Fabrication
Pre-DECIGO
DECIGO
SDS-1/SWIM
Objective Design
Space test of key tech.
GW observation
Single small satellite
Short FP interferometer
Detect GW
with min. spec
FP between S/C
3 S/C
1 interferometer unit
GW astronomy
3 S/C
x 3-4 units
KEK Theory Center Cosmophysics Group Workshop (November 11, 2009, Tskuba, Ibaraki)
26
Detektorrauschen von Pre-DECIGO
Takashi Nakamura et al. Prog. Theor. Exp. Phys.
2016;2016:093E01
© The Author(s) 2016. Published by Oxford University Press on behalf of the Physical Society of
Japan.
Reichweite Inspiral und Merger SL
NStern
Hubble-Radius
Takashi Nakamura et al. Prog. Theor. Exp. Phys.
2016;2016:093E01
© The Author(s) 2016. Published by Oxford University Press on behalf of the Physical Society of
Japan.
Nature 2016: LIGO Black Hole
echoes hint at GR breakdown
9.12.2016: Physicists have analysed the publicly
released data from the Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory (LIGO), and claim to
have found “echoes” of the waves that seem to
contradict general relativity’s predictions.
The echoes could yet disappear with more data. If
they persist, the finding would be extraordinary.
Physicists have predicted that Einstein’s hugely
successful theory could break down in extreme
scenarios, such as at the centre of black holes. The
echoes would indicate the even more dramatic
possibility that relativity fails at the black hole’s edge,
far from its core.
[Paper: Cardoso et al. 2016]
Thema 2:
Die Kopernikanische Wende
Thema 2
Postulate des geozentrischen Weltbildes
nach Aristoteles und Ptolemäus:
 Die Erde steht im Mittelpunkt des Kosmos.
 Die 7 Wandelsterne (Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars,
Jupiter und Saturn) bewegen sich um die Erde.
 Die Wandelsterne haben eine perfekte Kugelgestalt.
 Die Wandelsterne sind an Kristallschalen befestigt, damit sie
nicht vom Himmel fallen – Begriff „Kraft“ war noch unbekannt.
 Die Wandelsterne bewegen sich auf idealen Kreisbahnen.
 Die Sterne sind alle an der äußeren Kristallschale befestigt
und somit alle gleich weit entfernt.
 Die Sterne bewegen sich auf ihrer Kristallschale um die Erde
– d.h. das Universum rotiert und nicht die Erde.
 Kometen sind Erscheinungen in der äußeren
Erdatmosphäre.
400 Jahre später
Modernes Weltbild
Ausmaße des
Sonnensystems
2. Kopernikanische Wende:
Sonnensystem Teil Milchstraße
Milchstraße ist Teil
Virgo-Superhaufens
Thema 3:
Gravitation & Kepler Gesetze
Kepler 1
Planeten bewegen sich auf Ellipsen
Kepler 2
In gleicher Zeit gleiche Flächen – warum?
Kepler 1
Perihel - Aphel
Perihel
Aphel
Kepler 3
Umlaufszeit im Vergleich zu Halbachse a
Newton erklärt die Welt  Gravitation
 Kepler 3: nach Newton
Herleitung für Kreisbahnen
Einstein korrigiert die Welt 1915
Gravitation ist Raumkrümmung
 Kepler nur noch approximativ gültig
 2-Körpersysteme emittieren GWellen
 Bahnellipsen schrumpfen mit der Zeit
Thema 4:
Orientierung am Himmel
Orion - das schönste
Sternbild am Winterhimmel
Thema 5:
Sonnenaktivität & Klima
Am 23. Juni
1613 erstellte
Galileo Galilei
folgende
Zeichnung von
den
Positionen
und Größe der
Sonnenflecken
 Heute:
Sonnenaktivität
ändert
das Klima
nur um
0,1 – 0,2 C.
Korrelation TSI mit Fleckenzahl
Variation = 1 Watt/m²  RF = 0,25 W/m²
Variation of global surface air temperature
and observed sunspot number
El Nino
Kälteblase im
Nordantlantik:
Anomalie der
Meeresoberflächentemperatur
(relativ zum
Basiszeitraum
1971-2000) am
6. Oktober
2016.
Quelle: Climate
Reanalyzer
 Die Meeresströme mit
ihrer
größeren
Trägheit
dominieren
die
langfristige
Entwicklung
des Klimas.
Klimamodellierung
Kälteblase
Abb.: Sea surface temperature change after doubling of
atmospheric CO2 concentration in a scenario where CO2
increases by 1% every year. [Saba et al. 2016]
Global Warming Nordatlantik
Saba et al. 2016
Schmelzwassersee auf Grönland. Foto mit freundlicher Genehmigung
von Ragnar Axelsson
In this 1677 painting by Abraham Hondius, “The Frozen Thames, looking
Eastwards towards Old London Bridge,” people are shown enjoying themselves
on the ice. In 17th century there was a prolonged reduction in solar activity
called the Maunder Minimum, which lasted roughly from 1645 to 1700. During
this period, there were only about 50 sunspots instead of the usual 40-50
thousand recorded. Image credit: Museum of London.
Die seltsame Korrelation:
Sonnenaktivität & Inflationsrate
Thema 6:
Sonden erkunden SSystem
Voyager auf dem Flug ins Nirwana
Voyager 1:
Valhalla-Krater auf Kallisto
Voyager durchqueren HelioSheath
Teilchendichten im HelioSheath
Grafik: Wikipedia
Wo ist die Bugwelle?
Grafik: Wikipedia
Voyager: Wohin geht die
Reise?  interstellarer Raum
Grafik: Wikipedia
Die Juno Mission
Jupiter hat das stärkste Magnetfeld im Sonnensystem (von der
Sonne abgesehen). Verursacht wird es vermutlich durch das
Zusammenspiel des metallischen Wasserstoffs im Inneren des
Gasplaneten zusammen mit seiner schnellen Eigenrotation. Die
Magnetosphäre Jupiters, der Raum des Magnetfeldes, liegt um
Jupiter wie ein gewaltiger Schwimmreifen.
Während eines Sonnensturms entstehen auf Jupiter Polarlichter,
die hundertmal energiereicher sind als Polarlichter bei uns.
Jupiters starkes Magnetfeld fängt die geladenen Sonnenteilchen
ein, die Atome seiner oberen Schichten zum Leuchten anregen.
Diese Aufnahme zeigt eine Aurora im Röntgenbereich.
Um Jupiters starkes Magnetfeld möglichst zu vermeiden, fliegt die Sonde Juno
auf einem extrem elliptischen Orbit um den Planeten: Sie taucht am Nordpol
unter das Magnetfeld, fliegt dann in sehr geringem Abstand zu Jupiter (rund
5.000 Kilometer über seinen obersten Wolkenschichten) zum Südpol und
entfernt sich weit. Eine große Schleife bringt sie außerhalb des Magnetfeldes
wieder zum Nordpol Jupiters. Auf diese Weise sollte Juno Jupiter insgesamt
37 Mal umrunden, wobei jeder Orbit ein Stück seitlich versetzt zum vorherigen
verläuft. Die Sonde hat jedoch Probleme, diese Bahn zu erreichen.
Juno suffered two setbacks in October. First, a problem with check valves in
the main thruster system prevented a planned rocket burn during its October
19 close pass by Jupiter. The science team raced to use the burnless perijove
pass to do some science, but then the spacecraft went into safe mode on
October 19, before perijove, and before the science sequences could kick in.
Juno exited safe mode on October 24 and performed a half-hour burn with its
maneuvering thrusters -- not its main thrusters, which were still not being
used, pending the outcome of the investigation into the check valve problem.
An article at Spaceflight Now goes into much more detail about the
investigation into both engine problem and safing event.
At the DPS/EPSC meeting last week, principal investigator Scott Bolton spoke
about keeping Juno in its long, 53.5-day orbit for a long time, not ruling out
the possibility of performing the entire mission in such an orbit. Juno only
gets exposed to dangerous radiation when very close to Jupiter, so the
spacecraft wouldn't be exposed to any additional radiation by doing this,
though it would seriously prolong the mission. If the mission has not ended
by September 2019, Jupiter will have traveled far enough around the Sun that
Juno will pass into Jupiter's shadow for several hours on every orbit, a
condition that it was not designed for and which could harm its power
system; the mission would need to develop a solution to that problem.
Cassini nähert sich dem Ende
Die Cassini Missionen 1997 - 2017
Saturn und seine größten Monde
Quelle: FU Berlin/NASA/JPL/SSI
Saturn-Ringe
Am Übergang
zwischen dem
B-Ring und der
Cassinischen
Teilung türmen
sich die
Ringpartikel zu
einen
Kilometer
hohen
Gebirgen auf.
Quelle:
NASA/JPL/SSI
/FU Berlin
Quelle: FU Berlin/NASA/JPL/SSI
Orbit trajectory of Cassini between November 2016 and September
2017. The mission will end with an impact in Saturn's atmosphere.
Image Credit: NASA/JPL/FU Berlin
Frohe Weihnachten
Am 8.1.2017 geht es weiter