Warum sind Gravitationswellen so schnell wie Licht? Samstag gibt es die Antwort!

  Licht breitet sich im Raum als Folge elektrischer und magnetischer Felder mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Gravitationswellen sind Wellen der Raum-Zeit. Auch sie haben Lichtgeschwindigkeit.

Und warum ist die Lichtgeschwindigkeit auch die Grenzgeschwindigkeit für Signale?

Drei scheinbar (?) vollkommen verschiedene Eigenschaften...wo besteht da ein grundlegender Zusammenhang?

Der Vortrag versucht eine Antwort auf eine vor Monaten von einem Zuschauer gestellte Frage.

Live am Samstag um 17 Uhr im FutureSpace oder auch per Stream

https://youtu.be/q3yeZxMn1n4

Das neue Einstein-Teleskop

 Die "Einstein Telescope Scientific Collaboration" ist gegründet worden. Sie soll den bisher genauesten Gravitationswellendetektor, voraussichtlich im Dreiländerbereich Deutschland - Belgien - Niederlande bauen.

Der Detektor ist wesentlich empfindlicher als die bestehenden Systeme und kann Gravitationswellen bis herunter zu 2 Hz, d.h. Wellenlängen von 150 000 km nachweisen.

Dabei wird durch Lasersignale die Raumverzerrung längs zwei senkrecht zueinander verlaufenden Lichtstrecken vermessen.

Der Standort soll endgültig 2025 festgelegt werden.

Das Video gibt einen Eindruck vom Aufbau der Forschungseinrichtung.

credit: NIKHEF

Breaking News: Engstes Paar supermassiver Schwarzer Löcher entdeckt

 

Embargo bis Dienstag,30.11.,  14.00 Uhr

Bald kracht es!

Supermassive Schwarze Löcher stehen sehr wahrscheinlich in allen Galaxienzentren und sind maßgeblich an der Entwicklung der Galaxie beteiligt.

Mit Hilfe der Teleskope des VLT in Chile und des Spektrographen MUSE haben nun Forschende das uns nächst  stehende und engste Paar supermassiver Schwarzer Löcher gefunden:

Es steht im Zentrum der 81 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC 7727 im Sternbild Wassermann.

Die beiden riesigen Schwarzen Löcher sind nur noch 1600 Lichtjahre getrennt und werden in weniger als 250 Millionen Jahren miteinander verschmolzen sein.

Erstmals konnte man auch die Massen eines solchen engen Paares bestimmen, da sich Sternbewegungen in der Umgebung anhand der Spektren bestimmen lassen. Wenn man die Geschwindigkeit kennt, mit der sich etwas um ein zentrales Objekt bewegt, dann kann man damit leicht die Masse des zentralen Objektes ausrechnen.

Hier kommt man auf 154 Millionen Sonnenmassen und 6,3 Millionen Sonnenmassen.

Bild: Galaxie NGC 7727 mit Vergrößerung des Zentralbereichs und der Bereiche um die beiden Schwarzen Löcher

Video 1: Prinzip der Massenbestimmung über Sternbewegungen

Video 2: Ein weiterer der legendären ZOOM-Videos auf ein Objekt, hier auf die echten Bilder der Umgebungen der beiden Schwarzen Löcher. Ich finde diese ZOOM-Videos deshalb so genial, weil sie uns zeigen, aus welch kleinem Bereich des Himmels man die Beobachtungen gewinnt.

credit: ESO/VST/Atlas

Es wird enger für die Inflation

 Am Südpol der Erde wird seit längerem die Polarisation der Mikrowellenstrahlung vom Urknallgas untersucht.

Nun sind alle Daten bis 2018 durch die Detektoren BICEP2, BICEP 3 und Keck Array ausgewertet und veröffentlicht worden. Die Daten wurden auf einer Fläche von 500 Quadratgrad bei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen erhoben.

Inflation bedeutet, dass zu Beginn unseres Universums der Kosmos von atomarer Größe auf Lichtjahre ausgedehnt wurde. Da dabei auch alle Materie und Energie mitbewegt sind, muss es starke Gravitaitonswellen aus dieser Zeit geben.

Diese können wegen der großen Wellenlängen bisher noch nicht direkt untersucht werden.

Aber sie haben Einfluss auf die Verteilung des Urknallgases und damit auf die Polarisation der  3K- Strahlung. 

Die Auswertungen schließen einige, leider sehr populäre, Inflationsszenarien aus, ebenso die Inflationsmodell, die aus der Stringtheorie kommen.

Die Polarisationsstrukturen werden durch das Standardmodell der kalten Dunklen Materie mit Dunkler Energie, Überlagerungen von Staub und Rauschen beschrieben.

Die E-Modes entstehen durch Streuung des Lichtes an Elektronen. Für die  B-Modes, die besonders durch Einwirkungen von Staub verändert werden, gibt es zwei Möglichkeiten: Es sind E-Modes, verändert durch die Einwirkung von Gravitationslinsen oder sie sind durch Gravitationswellenmuster entstanden. 

Das alles muss durch die Modellbildung auseinandergehalten werden...

Zur Inflation: Mit der schlagartige Vergrößerung des Kosmos zu Beginn könnte man viele Eigenschaften unseres Universums sehr gut und sehr einfach erklären. Damit es aber zu einer Theorie wird, müssen Auswirkungen einer Inflation beobachtet werden.

Das kopernikanische Weltbild hat auch, wie die Epizykel, die Planetenbewegung am Himmel erklärt. Aber erst beobachtete Effekte wie die Verschiebung der Sternpositionen durch den Umlauf der Erde haben der kopernikanischen Vorstellung zur bestätigten Theorie verholfen.

Die Inflation ist nicht der Urknall. Unter Urknall versteht man lediglich die Entwicklung des Kosmos aus einem heißen, kleinen Anfangszustand. Diese Vorstellung ist durch zahlreiche Beobachtungen sehr gut bestätigt. Aber Inflation könnte ein Teil des Urknallprozesses sein.

Harvard University

BICEP Teleskope rechts, credit: Donenfeld

Links: E-modes mit Rauschen und CDM, rechts: B-Modes mit Polarisaiton durch Staub, BICEP/Keck Coll.

Was sind GammaRay Bursts GBRs?

 Vor 60 Jahren hatte der Spionagesatellit Vela die Aufgabe Gammastrahlung zu suchen, die Hinweise auf Atombombentests geben. Er entdeckte auch kurze Gammasignale aus dem Kosmos. Später haben NASA Satelliten mit neu entwickelten Gammateleskopen den kosmischen Ursprung der kurzen Gammasignale bestätigt.

Wir wissen heute, dass GBRs aus weit entfernten Galaxien kommen, aber deshalb so intensiv sind, weil die Strahlungsquelle (zufälligerweise) direkt auf uns zeigt. Es werden gewaltige Energien frei, bis zu einem billionenfachen der Galaxieleuchtkraft!

GRBs sind die energiereichsten Prozesse im Universum!

Die Gammastrahlenausbrüche, kurz GRBs, lassen sich in zwei Klassen einteilen:

Lange GRBs:

Sie dauern  mindestens 2 Sekunden, manchmal sogar mehrere Minuten. Sie entstehen, wenn ein Stern zu einem Schwarzen Loch SL kollabiert, also zu einer bestimmten Art von Supernova wird. Hochbeschleunigte Elektronen und Protonen können nur entlang der Rotationachse wegfliegen, da in der Äquatorebene dicke Gasmassen als Wulst den Stern umgeben (Jet). Es bilden sich Schockfronten, in denen die Gammastrahlung entsteht.

Beim Auftreffen des  Jets auf interstellare Materie entsteht oft ein Nachleuchten in anderen Wellenlängen. Damit konnte man die Rotverschiebung und somit die Entfernung bestimmen.

Kurze GRBs:

Sie dauern höchstens 2 Sekunden, meist weniger.

Sie entstehen, wenn zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen und ein SL bilden. Auch hier gibt es zwei Jets hochenergetischer Teilchen, die senkrecht zur Bahnebene wegfliegen und zufälligerweise auf die Erde zurasen können.

Am 17.8. 2017 wurden sogar die Gravitationswellen beobachtet, die bei der Verschmelzung der Neutronensterne zusätzlich zu den GRBs entstehen. 

 Bild: ESO (künstlerische Darstellung)

 

Was passiert, wenn sich Laserschwerter kreuzen?

 Die neueste Late-Night-Physics Show ist online: Wenn Laser-Schwerter sich kreuzen: Interferenzen am Michelson-Morley-Interferometer - von warmer Luft zu Gravitationswellen

Der Sendersuchlauf bei Gravitationswellen, Teil 5: High Frequency Band HF

Frequenzbereich 10 bis 1000 Hz, also Wellenlängen zwischen 30 km und 30 000 km.

Hier funktionieren unsere Empfangsgeräte seit 5 Jahren erfolgreich.
Am 14.9.2015 wurde erstmals ein Gravitationswellenereignis eindeutig registriert. Es konnte zurückgeführt werden auf die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit 29 und 36 Sonnenmassen zu einem mit 62 Sonnenmassen (d.h. 3 Sonnenmassen an Energie wurden als Gravitationswellen freigesetzt). Das Ganze geschah in einer Entfernung von 1,2 Milliarden Lichtjahren.

Der Gravitationswellendetektor (u.a. LIGO) funktioniert wie ein Michelson-Morley-Interferometer: Lichtstrahlen werden aufgeteilt und laufen in zwei zueinander senkrecht stehenden Strecken hin und her und werden dann zur Überlagerung gebracht. Ändert sich eine Streckenlänge geringfügig (wir reden hier von Bruchteilen eines Protonendurchmessers), so verschiebt sich das Interferenzmuster.
Für 150 msec konnte so ein von 50 Hz bis 240 Hz ansteigendes Signal aufgenommen werden. Die Frequenzerhöhung entsteht durch die immer kürzere Umlaufszeit der beiden Schwarzen Löcher kurz vor ihrer Verschmelzung.

Das erste Bild zeigt einen Michelson-Morley-Detektor GEO 600 des Instituts für Gravitationswellenphysik, das maßgeblich an der Entwicklung der Technik beteiligt war.

Im Inneren von GEO 600

Das dritte Bild zeigt die Originalsignale der beiden amerikanischen Detektoren (mit Technik aus Hannover ausgestattet).

Das Video zeigt eine Simulation der Signalentstehung:

Ende der Serie

Der Sendersuchlauf bei Gravitationswellen, Teil 4: Low Frequency Band LF

Bisherige Beiträge:
7.7. Teil 1  Radiofrequenzen LW, MW, KW, UKW
11.7. Teil 2: ELF
17.7. Teil 3: VLF

Teil 4: Low Frequency Band LF

Im Bereich von Frequenzen zwischen 0,1 mHz und 0,1 Hz, also Wellenlängen von 30 km bis 30 000 km, erwartet man ebenfalls Gravitationswellensignale.
Sie könnten bis aus intergalaktischen Entfernungen ausgelöst werden durch supermassive Schwarze Löcher (bis zu 10 Millionen Sonnenmassen), die sich umnkreisen oder die kleinere Objekte wie Neutronensterne, Weiße Zwerge oder kleinere Schwarze Löcher verschlucken.
Ihre Wellenlängen könnten Radiosiganle interplanetarer Raumsonden beeinflussen, eine Suche danach war  bisher vergeblich.

Im Laser Interferometer Space Antenna (LISA) könnten sie in Zukunft nachgewiesen werden.
3 Satelliten bilden ein gleichseitiges Dreieck der Seitenlänge 2,5 Millionen km und vermessen durch Interferenz die Abstandsänderung durch vorbeiziehende Gravitationswellen.
Ursprünglich hatte die NASA das geplant, ist aber ausgestiegen. Nach dem Erfolg der irdischen Gravitationswellendetektoren 2015 wird es jetzt von der ESA allein realisiert. Der Start ist für 2034 geplant.
2016 wurden grundlegende Technologien mit LISAPathfinder erfolgreich getestet.
Bild: ESA

Der Sendersuchlauf bei Gravitationwellen, Teil 3: Very low frequency band VLF

Im VLF-Band haben wir Frequenzen von nHz bis 0,01 nHz, das snd Wellenlängen von 10 Lichtjahen bis 1000 Lichjahren.

Solche Gravitationswellen beeinflussen die Aubreitung von Radiowellen.
Es entstehen geringfügige Variationen der Ankunftszeiten. Das merkt man  am leichtesten an den Pulsen der Radioplulsare, die mit Genauigkeiten von bis zu 10 nsec wiederkehren.
Pulare sind Neutronensterne, die durch starke Magnetfelder bedingt, ihre Strahlung gerihtet abgeben. Durch die sehr schnelle Rotation entsteht ein Leuchtturmeffekt: Immer, wenn der Strahl über die erde streicht, sehen wir den Neutronenstern aufblitzen.
2020 hat man begonnen,ein Pulsar Time Aray PTA aufzubauen. Die Pulse verschiedener Pulsare werden genau registriert.

Man vermutet zwei verschiedene Ursachen für die Pulsveränderungen, also für die Gravitationwellen des VLF-Bandes:
- Umlaufsbewegung extrem massereiche Schwarze Löcher
- heftige Prozesse  mit Superstringes innerhalb der ersten Sekunde nach dem Urknall.
Bei beiden Prozessen entstehen Gravitationswellen, die, wenn sie durch den Pulsarstrahl laufen, dessen Ankunftszeit geringfügig verändern.