P 13: Das genaueste Messgerät der Menscheit misst Verbiegung von Raum und Zeit

 1.6 Anwendung Michelson-Morley-Experiment: Gravitationswellen

 

     Das genaueste Messgerät der Menschheit misst Verbiegung von Raum und Zeit

Dieser Post soll euch zeigen, dass das MM-Interferometer kein historisches Messgerät ist, sondern in aktueller Forschung eingesetzt wird.

Gravitationswellen:

Wir müssen mal wieder mit Albert anfangen...

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie ART hat Einstein nach etwa 10 Jahren intensivster Arbeit zeigen können, dass das, was wir Schwerkraft nennen, die Wirkung von gekrümmter Raum-Zeit auf uns ist.

Wir haben darüber schon einmal etwas in E1 gehört: Träge und schwere Masse sind gleich groß! Das ist der Ausgangspunkt, aus dem heraus Einstein die ART entwickelt hat.

Die Erde wird nicht von der Sonne angezogen, sondern sie bewegt sich im von der Sonne gekrümmten Raum, und damit sie nicht zur Sonne kullert muss sie eigenen Schwung haben...

Die Massen sagen dem Raum wie er sich zu krümmen habe und der gekrümmte Raum sagt den Massen wie sie sich zu bewegen haben...

Wir haben ja bei den elektrischen und magnetischen Konstanten schon gesehen, dass das Vakuum (der Raum) seltsame Eigenschaften hat. Durch diese wird die Lichtgeschwindigkeit festgelegt, auch hat er eine Impedanz.

Raum-Zeit kann sich auch verbiegen und kräftig wackeln...und das Wackeln breitet sich dann wellenförmig durch Raum und Zeit aus: nicht im Raum, sondern der Raum selbst verbiegt sich wellenförmig. Und wenn eine Gravitationswelle über uns hinwegläuft, dann verbiegen wir uns periodisch. Nicht, weil etwas im Raum an uns zerrt...sondern weil der Raum sich verbiegt....

Und irgendwie ist es naheliegend, dass sich eine solche Störung von Raum und Zeit  auch mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Wir reden  hier von den sog. Gravitationswellen, die Einstein vorhergesagt hat (seine Feldgleichungen kann man durch eine Wellenfunktion lösen). Er war aber der Meinung, die Gravitationswellen wird man nie nachweisen können.

Schaut euch erst einmal diese kurze Video an:

 

Wir erwarten folgende Wellenbereiche für Gravitationswellen GW:

Extremly Low Frequency Band ELF

Frequenzbereich 10^(-18) bis 10^(-15 )Hz, also Wellenlängen von 30 Milliarden Lichtjahre bis 30 Millionen Lichtjahre

Diese GW könnte man in Polarisationsmustern der kosmischen Hintergrundstrahlung entdecken. Da wurde schon nach gesucht, aber nichts gefunden.Sie könnten bei der Entstehung des Universums entstanden sein und uns Auskunft über den Zeitpunkt 0 geben.

Very Low Frequency Band VLF

Im VLF-Band haben wir Frequenzen von nHz bis 0,01 nHz, das sind Wellenlängen von 10  bis 1000 Lichtjahren.Umlaufsbewegungen extrem massereicher Schwarzer Löcher können die GW erzeugen.

Solche Gravitationswellen beeinflussen die Ausbreitung von Radiowellen. 2020 hat man begonnen, ein Pulsar Time Array PTA aufzubauen, mit dem man diese GW nachweisen möchte.

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  ausgelöst werden durch supermassive Schwarze Löcher (bis zu 10 Millionen Sonnenmassen), die sich umkreisen oder die kleinere Objekte wie Neutronensterne, Weiße Zwerge oder kleinere Schwarze Löcher verschlucken.

Im Laser Interferometer Space Antenna (LISA) könnten sie in Zukunft nachgewiesen werden. 

LISA ist ein MM-Interferometer mit Armlängen von 2,5 Millionen km, die Bauteile sind auf drei getrennten Satelliten untergebracht. 2016 hat man mit LISAPathfinder gezeigt, dass diese Idee funktioniert, 2034 ist der Start von LISA durch die ESA geplant.

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. 

Bitte lest euch diese Zahlen nochmal durch...3 Sonnenmassen als Energie E = m*c² in Form von Gravitationswellen.... 

LIGO: Detektor in Hanford, Caltech

 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 die Dauer von 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. 

Entdeckungssignale von LIGO

 Die Frequenzen von Gravitationswellen liegen im hörbaren Bereich, hier könnt ihr lauschen:

Und hier die Animation des Verschmelzvorgangs, leider ohne Ton. Könnt ihr die steigenden Frequenzen den Bildern zuordnen?

Nun noch  etwas zur Empfindlichkeit:

Eine Gravitationswelle verschiebt die Spiegelpositionen um eine Strecke, die 1/1000 des Protonendurchmessers entspricht!  

Damit man das mit einem MMI nachweisen kann, müssen die Armlängen viele km lang sein. Zusätzlich läuft das Licht mehrmals die Arme hin- und her um aus den winzigen Veränderungen messbare Gangunterschiede zu machen.

Damit keine Luftströmungen Störungen verursachen, findet alles im Vakuum statt. Die Spiegel sind so aufgehängt, dass Erschütterungen von außen nicht übertragen werden.

Und schließlich: Man muss die Lichtwellen in einer bestimmten Weise behandeln, damit die nötige Genauigkeit der Messung erreicht wird. Im Photonenbild werden wir das später als das Quetschen der Photonen bezeichnen...

In Hannover hat man GEO 600 aufgebaut, ein MMI mit Armlängen von 600 m, zu wenig zum Nachweisen der Gravitationswellen, aber ausreichend um alle modernen Geräte  zu entwickeln, die dann, eingebaut in den großen MMI zur Entdeckung der Gravitationswellen geführt haben.

Mit GEO 600 kann man Wolken nachweisen, die über Hannover ziehen und die Brandung an der Nordseeküste messen.

GEO 600

Beamsplitter und Quetschapparatur

Aufbau GEO 600 - Suchspiel: Wo ist das MMI versteckt????

ich war auch schon da...

 Die ersten Gravitationswellen wurden von LIGO in den USA nachgewiesen, das sind zwei Detektoren mit je 4 km langen Armen, im Norden und Süden der USA 3000 km entfernt aufgebaut.

Ein Ereignis gilt dann als Gravitationswelle, wenn beide LIGO-Detektoren in Abständen von etwa 30 msec ein Signal registrieren. Und genau das passiert regelmäßig.

Einmal hat man sogar das optische Nachleuchten des Verschmelzungsprozesses zweier Neutronensterne beobachtet (ausgelöst durch die Hinweise der Gravitationswellenforscher). Jetzt wissen wir, dass unser Gold durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstanden ist....