Vergangene Veranstaltungen

06.02.2018
Gravitationswellen - Hör mal, das Universum!
17.01.2018
Radioastronomie - Das Universum ruft CQ
10.11.2017
Geboren aus Sternenstaub
09.08.2017
Die Musik der Sphären
08.07.2017
Die visuelle Jupiterbeobachtung
10.06.2017
Radioastronomie auf der IdeenExpo
26.05.2017
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25.03.2017
Astronomie-Tag
12.12.2016
"Sterne beobachten - aber wie?" - Einsteiger-Workshop im "Wiesengrund"
24.09.2016
Ran an die Sterne! - Der erste Beobachtungsabend
27.05.2016
Vortrag im Wiesengrund

Gravitationswellen - Hör mal, das Universum! 06.02.2018

Der diesjährige Physik-Nobel-Preis wurde für den ersten experimentellen Nachweis von Gravitationswellen vergeben, die bereits vor über 100 Jahren in Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein vorhergesagt wurden. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover hat mit seinen Forschungen einen erheblichen Beitrag zu diesem Nachweis erbracht.
Ein neues Zeitalter der Astronomie begann am 14. September 2015 mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen. Seitdem hat das weltweite Netzwerk der Gravitationswellen-Detektoren viermal die Verschmelzung von Paaren schwarzer Löcher beobachtet und gemeinsam mit 70 Observatorien auf der Erde und im All erstmals die Verschmelzung eines Doppelneutronensterns beobachtet. Daraus ergaben sich vollkommen neue Informationen über diese extremen Ereignisse in unserem Universum. Was haben wir bereits gelernt? Wie sehen Status und Zukunft der Gravitationswellen-Astronomie aus?

Diese numerisch-relativistische Simulation zeigt das Umrunden und Verschmelzen des Binärsystems aus schwarzen Löchern, wie es von LIGO am 14.9.2015 beobachtet wurde.
(Quelle: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes Projekt, D. Steinhauser (Airborne Hydro Mapping GmbH))

Numerisch-relativistische Simulation zweier einander umkreisender und verschmelzender Neutronensterne. Ein solches Ereignis wurde am 17. August 2017 erstmalig durch das LIGO-Virgo-Detektornetzwerk beobachtet und führte zum gemessenen Gravitationswellensignal GW170817 und zum Gammastrahlenausbruch GRB170817A.
(Quelle: Numerisch-relativistische Simulation: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) und BAM- Kollaboration; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)

Um Interessierten dieses hochaktuelle Forschungsgebiet näher zu bringen, laden das Christian-Gymnasium und der Verein Sternwarte Südheide zu einem entsprechenden Vortrag von Dr. Benjamin Knispel, Referent für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover) ein. Im Anschluss an den Vortrag besteht natürlich noch die Möglichkeit zur Diskussion anstehender Fragen. Der Eintritt ist frei.

Kurz und knapp:

  • Wo: Mensa des Christian-Gymnasium Hermannsburg (Missionsstraße 6, Gemeinde Südheide OT Hermannsburg)
  • Wann: Di., 06.02.
  • Beginn: 19:00 Uhr
Für die Organisation im Vorfeld der Veranstaltung wäre es hilfreich, wenn sich größere Gruppen (z.B. Physik-Kurse, Fachgruppen der Studienseminare usw.) unter Angabe der Teilnehmerzahl bis zum 31.01.2018 per Mail bei Thomas Biedermann
(biedermann@pop-hannover.de) anmelden würden.
Die Ankündigung als Handreichung zum Download: Ankündigung

Am 06. Februar luden der Verein Sternwarte Südheide e.V. und das Christian-Gymnasium Hermannsburg (CGH) gemeinsam zu einem ganz besonderen Vortrag ein: In der Mensa des CGHs berichtete Dr. Benjamin Knispel, Referent für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover) über den ersten direkten experimentellen Nachweis von Gravitationswellen und die Gravitationswellenastronomie, das jüngste Teilgebiet der Astronomie.

Gravitationswellen wurden bereits 1915 von Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Gemeint ist damit, dass beschleunigte Massen die Raumzeit beeinflussen, d.h. sie stauchen und strecken. Da sich nach der Relativitätstheorie nichts schneller bewegen kann als das Licht im Vakuum, breitet sich diese "Störung" in der Raumzeit höchstens mit Lichtgeschwindigkeit aus und ist damit als sog. "Gravitationswelle" messbar. Sie äußert sich darin, dass in dem Bereich den sie gerade durchläuft Abstände zwischen Objekten gestaucht und gestreckt werden. Dies wird oft mit einer Schüssel Wackelpudding verglichen, in die man z.B. einen Apfel fallen lässt. Nach dem Auftreffen auf die Oberfläche breitete sich eine Welle durch den Pudding aus, der dabei auch abwechselnd gestaucht und gestreckt wird.

Ganz so einfach ist es in der Realität dann aber doch nicht, denn während man die "Wackelpuddingwellen" noch leicht aus einiger Entfernung sieht, produzieren nur wirklich massereiche Ereignisse wie etwa das Verschmelzen zweier schwarzer Löcher Gravitationswellen, die stark genug sind, um nachgewiesen werden zu können. Und auch dann ist die tatsächliche Änderung der Abstände immer noch verschwinden gering, etwa so, als würde sich die Umlaufbahn der Erde um die Sonne um den Durchmesser eines Atoms ändern. Es ist daher nicht verwunderlich, dass der erste direkte experimentelle Nachweis von Gravitationswellen erst knapp 100 Jahre nach ihrer Vorhersage gelang und umso beeindruckender sind die technischen Leistungen, die dies erst möglich gemacht haben.

Für den Nachweis von Gravitationswellen wurden verschiedene Detektoren gebaut, z.B. die LIGO-Detektoren (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in den USA, der Virgo-Detektor in Italien oder der GEO600-Detektor nahe Sarstedt. Sie alle funktionieren im Grunde wie ein sog. Michelson-Interferometer (s. Abb. rechts):

Das Licht eines Lasers (a) wird mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels in zwei Teile (b1 und b2) aufgespalten, an zwei Spiegeln erneut reflektiert und dann auf einem Schirm wieder überlagert (c). Dort ensteht ein sog. Interferenzmuster, das sich verändert, wenn sich die Länge einer der beiden Teilwege des Lichts ändert. Durchläuft also z.B. eine Gravitationswelle einen der beiden Teilwege - einen der Arme des Detektors - dann ändert sich das Interferenzmuster auf dem Schirm und man kann sogar Rückschlüsse auf das Ausmaß der Längenänderung ziehen.

Diese numerisch-relativistische Simulation zeigt das Umrunden und Verschmelzen des Binärsystems aus schwarzen Löchern, wie es von LIGO am 14.09.2015 beobachtet wurde (GW150914).
(Quelle: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes Projekt, D. Steinhauser (Airborne Hydro Mapping GmbH))

Herr Dr. Knispel beschrieb die Detektoren als eine Art "Mikrophon für das Universum", denn die Frequenz der Gravitationswelle liegt - zumindest für einige Ereignisse - im hörbaren Bereich. Während das Verschmelzen zweier schwarzer Löcher, wie es auf dem Bild links dargestellst ist, wie ein "wuup" klingt, hört sich die Supernovaexplosion eines Riesensterns eher wie "blub" an (unter www.ligo.org/detections/ können entsprechende Videos abgerufen werden).

Bevor gemessen werden kann mussten aber eine Reihe technischer Herausforderungen bewältigt werden, von z.B. der Temperaturstabilisierung der verwendeten Infrarotlaser hin zu einer schwingungsfreien Aufhängung für die Spiegel des Detektors. Die Detektoren wurden und werden dabei ständig weiterentwickelt. Von 2010 bis 2015 wurden die LIGOs in den USA zu den Advanced LIGOs umgebaut. Und nicht mal 24 Stunden nach dem Abschluss der Umbauten und noch vor dem offiziellen Neustart war es dann am 14.09.2015 soweit:

Die Algorithmen auf dem ATLAS-Großrechner, der zur Datenauswertung verwendet wird, meldeten einen möglichen Kandidaten für eine Gravitationswelle. Zunächst hielt man dies für eine Störung, wie sie häufiger vorkommt, ein genauerer Blick auf das Signal zeigte aber genau den Verlauf, wie er theoretisch für eine Gravitationswelle vorhergesagt wurde.

Diese Gravitationswelle, die nach dem Tag ihrer Messung mit GW150914 benannt ist, hat ihren Urpsrung etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und entstand durch das Verschmelzen zweier supermassereicher schwarzer Löcher (ca. 29 und 36 Sonnenmassen). Die Gravitationswelle hatte dabei die Energie von etwa 3 Sonnenmassen (vergleichbar mit der Zarbombe), die innerhalb von 0,2 s frei wurde.

Während diese erste direkt nachgewiesene Gravitationswelle nur den LIGO-Detektoren aufgenommen wurde (Virgo wurde bis 2017 umgebaut, GEO600 hatte zu diesem Zeitpunkt ein Computerproblem) konnte GW170814 von allen drei Detektoren beobachtet werden. Dabei verschmolzen dem ebenfalls zwei schwarze Löcher (ca. 25 und 31 Sonnenmassen) miteinander.

Besonders spannend ist unter den 6 Gravitationswellen die bislang direkt nachgewiesen wurden auch GW170817: Hierbei trafen zwei Neutronensterne aufeinander. Dieses Ereignis löst nicht nur eine Gravitationswelle aus, sondern auch Emissionen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, u.a. einen Gammablitz, der hier zum ersten Mal ebenfalls gemessen wurde. Weitere Begleiterscheinungen sind starke Radiostrahlung und das optische Nachleuchten der Explosion, das als nächstes untersucht werden soll.

Numerisch-relativistische Simulation zweier einander umkreisender und verschmelzender Neutronensterne. Ein solches Ereignis wurde am 17. August 2017 erstmalig durch das LIGO-Virgo-Detektornetzwerk beobachtet und führte zum gemessenen Gravitationswellensignal GW170817 und zum Gammastrahlenausbruch GRB170817A.
(Quelle: Numerisch-relativistische Simulation: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) und BAM- Kollaboration; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)

Zum Abschluss gab Herr Dr. Knispel noch einen Ausblick auf die Zukunft des jüngsten Zweigs der Astronomie: Während die bestehenden Detektoren noch immer weiter ergänzt und verbessert werden, soll 2034 ein neuer, besonderer Detektor einsatzbereits sein: Bei LISA (Laser Interferometry Space Antenna) besteht das Interferometer aus drei Satelliten, die im Abstand von jeweils 2,5 Millionen Kilometern als Dreieck angeordnet sind. Dieser Aufbau wird deutlich empfindlicher als die anderen Detektoren sein und damit auch Gravitationswellen weniger energiereiche Ereignisse nachweisen können.

Auch andere Objekte als schwarze Löcher und Neutronensterne können zum Nachweis von Gravitationswellen verwendet werden, z.B. Pulsare, rotierende Neutronensterne, bei denen die Rotationsachse und die Achse des Magnetfeldes gegeneinander verkippt sind. Von der Erde aus nimmt man sie als periodisch flackernd wahr, wobei die Periode extrem stabil ist. Beeinflusst eine Gravitationswelle jedoch den Raum zwischen dem Pulsar und der Erde ändert sich die beobachtete Frequenz. Wer Interesse hat, der kann sich an der Auswertung von entsprechenden Messdaten sogar aktiv beteiligen, bzw. seinen Rechner dafür zur Verfügung stellen: Beim Einstein@Home-Projekt der LIGO-Gruppe (für den Link s. unten).

Die drei Initiatoren des Vortrags (von links: Thomas Biedermann (Sternwarte Südheide e.V.), Dr. Benjamin Knispel (Albert-Einstein-Institut Hannover) und Michael Zilk (Schulleiter des Christian-Gymnasiums)) freuten sich über die zahlreichen Besucher und das rege Interesse

Wer mehr über Gravitationswellenastronomie erfahren und einen der Detektoren aus der Nähe sehen möchte, der hat dazu am 17 Juni 2018 am Tag der offenen Tür am GEO600-Detektor nahe Sarstedt Gelegenheit (s. unten).
Wir bedanken uns herzlich für den lebendingen und anschaulichen Vortrag, in dem dieses hochaktuelle Forschungsgebiet sehr gut verständlich einem breiten Publikum zugänglich gemacht und Interesse geweckt wurde, wie nicht zuletzt die zahlreichen Publikumsfragen im Anschluss zeigten.
Wir freuen uns auf weitere spannende Veranstaltungen gemeinsam mit dem Christian-Gymnasium!

Literaturtipps:



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