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*rc3 Vorspannmusik* [Füller, bitte entfernen]
Herald: Wir haben unseren allerletzten Astro-talk heute und nachdem wir jetzt
relativ viel über Bilder hatten, machen wir das Ganze mit dem Universum erforschen
heute mal anders und zwar über Sound und somit Gravitationswellen. Jemand der sich
damit wirklich gut auskennt ist der Benjamin Knispel. Denn sein
Lieblingsstelle sind Neutronensterne und er hat auch schon ein paar davon entdeckt
und er hat auch im Bereich Pulsaren und Gravitationswellen geforscht. Ich würde
sagen, du bist der, der bestenfalls sagen kann, wie man so was genau macht.
Benjamin, wir sind mega gespannt. [Füller, bitte entfernen]
Benjamin: Alles klar? Vielen Dank für die nette Einführung. Moin hier aus dem Norden
von Hannover, wo ich euch einen Überblick geben will über Astronomie mit
Gravitationswellen. Wer das Abstract gelesen hat weiß. Das ist ein ganz
aktuelles Thema. Das ging so richtig vor ungefähr 6 Jahren los. Bis dahin hat man
eben Astronomie nur mit, nur in Anführungszeichen, mit Teleskopen machen
können. Das bedeutet, man hat ins Weltall geschaut, elektromagnetische Wellen
aufgefangen, mit speziellen Observatorien Teilchen aufgefangen. Aber es war am Ende
alles wie ein Stummfilm sozusagen. Und das was die Gravitationswellen jetzt machen,
ist diesem Stummfilm in bestimmten Bereichen Sound hinzuzufügen oder aber
auch uns Sound zu geben, wo wir gar nicht sehen können. Das, was man damit machen
kann, das möchte ich jetzt ein bisschen erklären und näher bringen, wie unsere
Instrumente funktionieren und was wir dann damit über das Universum lernen können.
Wenn es um Gravitationswellen geht, werden sich wahrscheinlich viele erst mal die
Frage stellen, ob Gravitationswellen vielleicht schon mal gehört. Aber was ist
denn das genau? Und das ist natürlich ein entscheidender Punkt ist man das am Anfang
richtig versteht. Grundsätzlich sind Gravitationswellen Schwingungen von Raum
und Zeit und eine Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Und man
kann Relativitätstheorie jetzt ganz kurz tatsächlich mit Lebensmitteln, mit einem
Apfel und einem Wackelpudding hier erklären. Natürlich nur der grüne leckere
Wackelpudding, die anderen sind ja nicht so gut. Und das, was wir aus Einsteins
Allgemeine Relativitätstheorie, dass die von 1915 lernen, ist, dass Raum und Zeit
sich ein bisschen wie dieser Wackelpudding verhalten, also Raum und Zeit, die man so
im Alltag ja als statische Sachen erfährt, sozusagen. Der Raum scheint immer gleich
zu sein, ist im großen Maßstab und auch wenn man ganz genau hinguckt, eben nicht
so und das verrät uns Einstein 1915 mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie,
die sagt: Zum einen müssen wir Raum und Zeit gemeinsam betrachten zu einer
vierdimensionalen Raumzeit, kann ich mir nicht vorstellen. Ist okay, wenn ihr euch
das nicht vorstellen könnt. Aber man kann das in drei Dimensionen sich so ein
bisschen wie so ein Wackelpudding vorstellen. Denn was Einstein sagt, ist
Raum und Zeit. Oder diese Raumzeit, die verändert sich in der Anwesenheit von
Massen. Unseren Wackelpudding ist das relativ offensichtlich. Wenn ich einen
Apfel rein packe, verändert sich die Form, die Geometrie, dieses Wackelpudding rund
um den Apfel. Und genau das ist das, was auch in Einsteins Relativitätstheorie
passiert. Massen verändern Raum und Zeit um sich herum oder mathematisch
physikalisch gesprochen. Sie verändern die Geometrie der Raumzeit. Das bedeutet, der
Raum und die Zeit werden gekrümmt. In Wackelpudding ist das relativ
offensichtlich, dass da irgendwas gekrümmt wird. Das, was wir als Konsequenz
wahrnehmen, ist das, was wir bisher Schwerkraft genannt haben. Denn alles
folgt immer dem kürzesten Weg in einer Raumzeit. Und wenn die Geometrie sich
verändert hat, dann ist der kürzeste Weg ein anderer. Und Objekte beschreiben
andere Wege, wenn Massen da sind, als wenn keine Massen da sind. Das ist einfach
statisch. Schwerkraft bei Einstein ganz grob umrissen. Was aber auch noch
rauskommt und das verrät uns Einstein, dann ist das, wenn Massen sich
beschleunigt bewegen, also anfangen zu wackeln. Dass dann die Raumzeit selber
auch wackeln kann, so wie dieser Wackelpudding das tut. Das bedeutet, wenn
sich Massen beschleunigt bewegen, wie eben in dem Video der Apfel fängt die gesamte
Raumzeit an zu schwingen. Diese Schwingungen breiten sich mit
Lichtgeschwindigkeit als Wellen durch Raum und Zeit aus. Die nennen wir dann
Gravitationswellen. Und diese Gravitationswellen bieten uns einen neuen
Sinn zur Wahrnehmung des Universums. Die sind, wie wir dann sehen werden, so ein
bisschen wie das Hören des Universums. So wie Schall Schwingungen in der Luft sind,
sind Gravitationswellen Schwingungen von Raum und Zeit, ausgelöst durch sich
beschleunigt bewegende Objekte. Das tun sie. Dieses Ausbreiten tun sie wie gesagt
mit Lichtgeschwindigkeit. Und das Wichtigste ist, dass diese Schwingungen
Raum und Zeit, das All im Grunde genommen fast ungehindert durchläuft und von allen
massereichen Objekten erzeugt wird. Das bedeutet, wenn irgendeine Masse sich
beschleunigt bewegt werden, gleich sehen. Das da reicht nicht jede kleine Masse aus,
sondern die muss schon relativ groß sein, um etwas messbar zu erzeugen. Aber wenn
sich diese Masse beschleunigt bewegt, erzeugt sie Fdiese Gravitationswellen, die
Raum und Zeit in Schwingung versetzen. Und die kommen dann im Grunde genommen
ungehindert alles durchlaufen bei uns an. Also wir können auch Gravitationswellen
von unten durch die Erde wahrnehmen und müssen nicht wie mit einem Teleskop klaren
Himmel haben. Es ist völlig egal, was dein Weg ist, nicht nur hier vor Ort, sondern
auch im All. Und das bedeutet natürlich, wir können viel mehr wahrnehmen, wenn es
denn Gravitationswellen erzeugt, weil es egal ist, ob da irgendetwas absorbierendes
im Weg ist. Ich habe es schon gesagt, beschleunigte Massen. Es ist zwar im
allgemeinen richtig, dass ich auch mit meiner Schütteln den Faust irgendwie
Gravitationswellen theoretisch erzeugen kann, aber in der Praxis ausreichend
starke Signale gibt es nur von schweren Dingen, die sich wirklich schnell bewegen.
Deswegen ganz kurzer Überblick Was sind denn die Quellen von Gravitationswellen,
die wir sehen und erwarten können? Das eine sind paar schwarze Löcher. Wer jetzt
noch nicht weiß, was ein schwarzes Loch ist, ich sage da gleich was dazu. Am Ende
ein sehr kompaktes, sehr kleines, massereichen Objekt. Und wenn wir zwei von
denen haben, dann können die sich umkreisen und wenn sie sich umkreisen,
beschleunigt, bewegen sich beschleunigt und erzeugen Gravitationswellen. Es kann
auch ein paar von zwei Neutronenstern sein. Auch hier kommt gleich noch was in
Neutronensterne. Andere kompakte Objekte. Diese Paare können sich auch umrunden.
Dabei Gravitationswellen abgeben kann auch eine Kombination aus beiden geben ein
schwarzes Loch und Neutronenstern, die einander umrunden. Auch das gibt
Gravitationswellen. Alle diese drei in der oberen Zeile. Diese Arten von
Gravitationswellen Quellen haben wir bereits beobachtet. Was wir uns noch
erhoffen, sind einzelne Neutronensterne, die nicht ganz rund sind, aber um die
eigene Achse rotieren. Oder aber explodierende Sterne, sogenannte Supernova
Explosionen in unserer Galaxie. Das sind so Dinge, wo wir wissen, das gibt
Gravitationswellen ab. Wir haben sie bisher nur noch nicht gesehen. Vielleicht
weil die zu selten sind, als dass wir sie regelmäßig wahrnehmen können. Und dann
gibt es ja noch die drei Fragezeichen. Es kann natürlich sein, dass es noch andere
Quellen gibt, von denen wir bisher gar keine Ahnung haben. Und das wäre so das
eigentlich richtig Coole, wenn wir irgendwann ein Signal sehen. Wir wissen
Okay, das ist echt, das haben wir gesehen, aber keine Ahnung, was es ist. Das ist
immer der Fall, wenn man Wissenschaft wirklich spannend wird. Jetzt, wie
versprochen, kurz zu diesen Hauptakteuren die, die uns durch den Vortrag begleiten,
also die Dinge, die wir gesehen haben. Das eine sind Neutronensterne, Neutronensterne
und Schwarze Löcher entstehen in diesen eben schon erwähnten Sternexplosionen.
Wenn Sterne, die schwerer sind als unsere Sonne, am Ende ihres Lebens in ihrem
Kernbereich in sich zusammenbrechen, die bilden dann so einen schweren Kern aus
Eisen aus. Und dieser Kern wird irgendwann so schwer, dass die Materie nicht mehr
stabil aufrecht erhalten wird. Dann bricht die zusammen. Wenn es hinreichend leicht
ist, kommt ein Neutronenstern raus. Den sieht man hier in der künstlerischen
Darstellung. Dann ist diese blau weiße Kugel da, im echten Größenvergleich mit
Hannover. Zum Glück ist da nicht echten Neutronenstern, denn wenn das der Fall
wäre, dann wäre die Erde so nicht mehr da. Denn dieser kleine Neutronenstern, der
ungefähr so groß ist wie Hannover, sieht man in Satellitenbild, ist ungefähr 1,5
mal so schwer wie unsere Sonne, manche auch zweimal so schwer. Also wirklich
richtig viel Masse, aber auf sehr kleinem Raum, denn das Ding hat gerade mal 20
Kilometer Durchmesser. Bedeutet Die Dichte von diesen Neutronenstern ist im Grunde
genommen die Dichte eines Atomkerne, dass Materie, in der der ganze Leerraum in den
Atomen weggepackt ist, weg gequetscht ist sozusagen. Das passiert, wenn der Stern
Kern zusammenbricht. Und einzelne von diesen Neutronenstern wissen wir, gibt es.
Die drehen sich bis zu 700 Mal pro Sekunde. Das ist also deutlich schneller
als der übliche Standmixer in der Küche. Deswegen, weil das so extreme Objekte
sind, die zusätzlich auch noch krasse Magnetfelder haben, sind das so mit meine
Lieblingsobjekte, meine Lieblingssterne, weil die eben Materie unter ganz extremen
Bedingungen haben und dass unser Universum das Universum uns der Dinge liefert, die
wir praktisch nicht im Labor erzeugen können. Wenn dieser Neutronenstern ist an
sich stabil. Wenn jetzt aber noch mehr Materie wieder drauf fällt von dem
zusammenbrechenden Stern, dann ist da auch nicht mehr genug. Sozusagen physikalischer
Druck von innen ausbaubar, dass das ganze zu einem schwarzen Loch zusammenfällt und
die Materie letztendlich der Relativitätstheorie nach auf einen
unendlich kleinen Punkt zusammenschrumpft. Die so unendlich kleiner Punkt ist die
Singularität in der Mitte dieses ganz einfachen Schwarzen Lochs, das ich jetzt
hier nicht drehen soll. So ein schwarzes Loch hat wenig Eigenschaften, das hat die
Masse in einem Punkt. Dann gibt es einen sogenannten Ereignishorizont. Das ist die
Distanz, ab der ich nicht mehr entkommen kann, ab der ich im Prinzip schneller als
mit Lichtgeschwindigkeit wegfliegen müsste. Den Ereignishorizont unterteilt
das Universum in zwei Bereiche. Es gibt jenseits des Ereignishorizont aus unserer
Sicht von außen und diesseits. Und sobald ich jenseits bin, komme ich nicht mehr
raus. Deswegen Schwarzes Loch, weil alles, was da reinfällt, darin verschwindet. So
ein schwarzes Loch hat im Prinzip eine Größe, die kann man mit diesen sogenannten
Schwarzschild Radius angeben. Das ist eine von den zwei Formeln, die hier vorkommt.
Da sind Konstanten drin. Dieses R der Schwarzschild Radius bestimmt sich
letztendlich aus Gravitationskonstante. Das ist das große G der
Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat unten und M mit der Masse des Schwarzen Lochs. Also
je schwerer das schwarze Loch, desto größer. Schwarze Löcher sind aber extrem
langweilig. Die haben genau drei Eigenschaften: Sie haben eine Masse. Ja,
wenn ich die Masse kenne, dann weiß ich schon sehr viel über das schwarze Loch.
Die haben einen Drehimpuls, was man als Spin bezeichnet. Also die können rotieren
um die eigene Achse, weil die einfallende Materie auch rotieren kann. Und die haben
theoretisch noch eine elektrische Ladung, die aber in der Natur nicht vorkommt, weil
der Stern insgesamt zusammenbricht, elektrisch neutral ist. Das bedeutet,
schwarze Löcher sind wirklich langweilige Dinge. Da brauche ich ein paar Zahlen,
Masse und den Drehimpuls. Das sind drei Zahlen, wenn ich will. Um die Ausrichtung
zu haben und dann kenne ich das schwarze Loch. Das wird, egal ob es ein schwarzes
Loch einfalle, einfallen lasse, am Ende kommen gleich das ganze Ding durch ein
paar Zeilen schreiben. Das sind die Objekte, die wir beobachten können und die
wir mit Gravitationswellen dann, das erkläre ich gleich, noch auch ausmessen
können und etwas über sie erfahren können. Das ist das Besondere, denn Schwarze
Löcher sind schwarz. Kann ich nicht sehen. Das bedeutet, ich habe wenig
Möglichkeiten, die zu beobachten, außer mit Gravitationswellen. Und die
Neutronensterne sind, wie man gesehen haben, sehr, sehr klein. Und selbst wenn
die heiß sind, leuchten die nicht besonders hell. Das bedeutet, ich sehe
unter Umständen nicht sehr viele und kann die dann auch nicht genau erforschen in
ihren einzelnen Eigenschaften der Materie. Das kann ich mit Gravitationswellen auch
tun. Jetzt aber zurück zu den Gravitationswellen und unserem zitternden
Wackelpudding. Wie messe ich das denn eigentlich? Was sind denn jetzt wirklich
die Effekte? Offensichtlich ist die Raumzeit nicht Wackelpudding in
Waldmeister Geschmack, sondern physikalische Eigenschaft, an der ich
tatsächlich etwas festmachen kann. Da können wir uns übertrieben angucken, was
Gravitationswellen machen. Stellen uns vor, wir sind irgendwo in der
Schwerelosigkeit im freien Fall. Dann können wir aus kleinen Massen so ein Kreis
vor uns setzen. Der schwebt dann, wenn wir nichts machen, idealerweise lange in
dieser Kreisbahn vor sich hin. Wenn jetzt eine Gravitationswelle kommt und von
hinten oder von vorne senkrecht durch diesen Ring läuft, also jetzt hier
senkrecht aus dem Schirm oder einen Schirm rein, dann dehnt und staut diese
Gravitationswellen den Raum senkrecht zu der Ausbreitung Richtung extrem
übertrieben dargestellt, so wie man das hier sieht. Das bedeutet, der Raum wird
immer in der Waagerechten zusammengedrückt und gleichzeitig in der Senkrechten
gestreckt und in der nächsten halben Welle andersrum. Das ist der Effekt, den
Gravitationswellen haben und das ist der messbare Effekt, den ich versuchen muss,
irgendwie wahrzunehmen. Das sind Längenänderung. Es ist jetzt hier extrem
übertrieben dargestellt. Wenn wir so durch geknetet werden würden, würden wir es ja
merken. Grundsätzlich gilt: Diese Längenänderung, die wir messen, ist ein
relativer Effekt, weil der Raum selber gedehnt und gestaucht wird. Bedeutet, wenn
ich etwas größeres betrachte, dann wird natürlich auch die Längenänderung am Ende
größer oder kleiner. Ich kann es immer in Prozent angeben, wobei sich herausstellt,
dass Prozent oder Promille hier nicht eine gute Größenordnung, Einheit ist. Denn die
relative Längenänderung bei den stärksten Gravitationswellen, die wir aus dem
Weltall erwarten können, ist bei zehn hoch minus 21, also von einer Länge ein
Tausendstel, davon ein Milliardstel und von diesen tausendsten Milliadstel noch
mal Milliardstel. Klingt unvorstellbar klein, ist es auch. Bedeutet nämlich, dass
die Bahn der Erde sich um den Durchmesser eines einzelnen Atoms ändert. Das ist die
Bahn der Erde um die Sonne. Ich muss also im Prinzip, um Gravitationswellen zu
messen, den Abstand zwischen Erde und Sonne auf ein Atom genau bestimmen, was
offensichtlich nicht geht. Grundsätzlich, was da drin steckt in diesen
Gravitationswellen, wenn man die ausrechnen will, konkret, dann ist das
rechts. In dieser Formel sieht man eine zweite Zeitableitung. Das ist dieses D2
nach dem Quadrat. Das quadrat ist das Quadrat Pol. Moment der Massenfertigung.
Davor stehen jede Menge Zahlen, Konstanten und das, was die Gravitationswellen am
Ende so klein macht, ist dieses Eins durch Lichtgeschwindigkeit, eins durch C hoch
vier. Was da steht das gleiche. Egal was ich rechts habe, ich kann das immer durch
Lichtgeschwindigkeit hoch 4, da wird alles was da drin steht unglaublich klein. Und
am Ende liegt es daran, dass ich das die Raumzeit, die ich versuche in Schwingung
zu versetzen, dass die unglaublich steif ist, letztendlich mit unglaublich viel
Energie reinkommen muss, damit tatsächlich sich da irgendwas bewegt. Und es ändert
sich auch noch mit dem Abstand. Je weiter ich weg bin, desto schwächer ist es.
Nichtsdestotrotz gibt es Instrumente, die können diese winzigen Längenänderung
messen und das können wir uns hier einmal anschauen. Das sind sogenannte
Laserinterferometer. Prinzip ist ganz einfach. Ich habe ein Laser und strahle
von dem Licht auf einen Strahlteiler. Das wird jetzt in zwei sogenannte Arme
aufgeteilt, durchläuft lange Strecken, wird dort zurück reflektiert, trifft sich
wieder am Strahlteiler und wird dort überlagert. Und je nachdem, wie diese
beiden Wellen zusammenkommen, heben sie sich entweder jetzt perfekt auf ihre
elektrischen Felder und es kommt kein Licht heraus. Wenn jetzt aber eine
Gravitationswelle kommt, führt die eben zu einem Dehnen und Stauchen der Arme, genau
so wie ich das gezeigt habe. Und hier in der vereinfachten Version ist es
dargestellt, als würden sich die Spiegel bewegen. Und das hat zur Folge, dass sie
am Ausgang des Detektors die Wellen zueinander verschieben und die Helligkeit
sich ändert. Das bedeutet so ein Laser- Interferometer übersetzt mir
Gravitationswellen in Helligkeitsänderung, die ich elektronisch aufzeichnen kann,
beispielsweise. Von diesen Laserinterferometer gibt es derzeit auf
der Welt 5 Stück, die im Prinzip in Betrieb sind. Hier sieht man Bilder von 4.
Es gibt noch einen unterirdischen Detektor Kagra, von dem man ganz offensichtlich
kein so einfaches Bild zeigen kann. Die haben alle im Prinzip denselben Aufbau.
Das ist so ein großes L in der Landschaft, das eben diese Laserlaufstrecken, die ich
eben gezeigt habe, beherbergt. Das uns nächstgelegene sozusagen ist. Also ich
weiß es nicht, wo ihr alle sitzt, aber wenn man in Deutschland ist, das
nächstgelegene ist in der Regel GEO 600, das ist das von unserem Institut zusammen
mit britischen Partnern betriebene Gravitationswellen Observatorium südlich
von Hannover. Da ist der Fokus auf Technologieentwicklung, weil es immer der
kleinste Detektor von allen gewesen ist, denn da sind die Strecken nur 1,2 km lang.
Der nächst größere Detektor Kagra befindet sich in der Nähe von Pisa in Italien. Da
sind das 3 km lange Läsermessstrecken und ihr erinnert euch, je größer desto
empfindlicher kann ich messen, weil meine Längenänderung am Ende größer wird. Kagra
hat auch 3 km lange mehr Strecken. Das befindet sich in Japan und die beiden
größten Detektoren sind die Lagendetektoren in Herford und in
Livingston, die 4 km lange Lasern messstrecken. Um kurz eine Idee davon zu
geben, was die messen müssen. Die relative Längenänderung wir erinnern uns, ist
maximal 10 noch mehr als 23 schwächer geht immer, wenn es geringere Massen sind, wenn
es weiter weg ist, oder? Jetzt habe ich eine 1000 grob 1000 Meter lange Strecke.
Das bedeutet absolute Längenänderung ist 10 hoch minus 18 Meter. Das ist der
tausendste Teil eines Atomkerndurchmessers. ganz grob. Würde ich
muss so winzige Änderung messen, aber mit diversen technischen Kniffen, die man sich
nicht alle angucken wollen, können wir gerne in den Fragen darauf eingehen oder
eine extended Session am Ende haben. Die erreicht man eine noch viel höhere
Messgenauigkeit und kann es tatsächlich nachweisen. Am Ende sind diese Detektoren
empfindlich für Gravitationswellen mit Frequenzen im Audio Bereich. Das bedeutet
aber, wenn ich Schwingungen der Raumzeit im Audio Bereich messen kann, dann kann
ich natürlich das ganze als Mikrofon für Gravitationswellen betrachten. Das
bedeutet, ich kann dann eben wirklich Dinge hören, die im Weltall passieren und
im wahrsten Sinne des Wortes das blöde. Ich kann das Ausgangssignal im Prinzip
wirklich irgendwo drauflegen und anhören, was dann dabei rauskommt. Diese Detektoren
lauschen ins All. Sie tun das auch sehr empfindlich. Hier ist nur ein Beispiel.
Das was man hier sieht, sind Spectra, das Hintergrundrauschen, das in diesen
Detektoren anliegt und zwar in der letzten gemeinsamen großen Messkampagne, die 2020
dann auch durch die Pandemie vorzeitig beendet wurde. Was man sieht hier auf der
Querachse ist die Frequenz der Gravitationswellen, die man versucht zu
messen. In der logarithmischen Skala links 10 Hertz, rechts 6 kHz, glaube ich. Das
bedeutet ist so ein guter Teil des Audio Spektrums. Man sieht verschiedenfarbige
Kurven für jeden Detektor einen. Wir gucken uns einfach die blaue und die rote
an, weil das die am weitesten unten liegende sind. Und auf der hoch Achse
sieht man die Empfindlichkeit verglichen mit einer Gravitationswelle, einer
bestimmten Stärke sozusagen. Je tiefer diese Kurven liegen, desto geringer ist
das Hintergrundrauschen. Das kommt aus fundamentalen physikalischen Instrumenten
Quellen und das Ziel ist es am Ende diese Empfindlichkeit Kurve so weit runter zu
drücken, dass sich mehr Gravitationswellen messen kann. Und die beiden am tiefsten
liegenden sind die von den beiden größten Detektoren von den gleichen Livingston,
die rot und die blaue Kurve und die stärksten Gravitationswellen, die wir
erwarten können, die wären so ganz grob auf der Höhe dieser grünen Quer Linie bei
diesen zehn hoch minus 21 und die Frequenzen sind typischerweise so im
mittleren Frequenzbereich, also irgendwas zwischen 100 und 1000 Hertz. Und da sieht
man zwischen einem Signal, das diese Stärke hat und dem Rauschen darunter ist,
ein deutlicher Abstand. Das bedeutet das Signal zu Rausch, Verhältnis oder Signal-
Rausch Abstand ist bei den Längendetektoren so hoch, dass man diese
Signale auf jeden Fall sehr, sehr laut sozusagen messen kann. Und das tun wir.
Üblicherweise so, dass mehrere Messkampagnen hintereinander, die
teilweise von Umbau, Pausen, kurzen Pausen, aber wie auch jetzt gerade
jahrelangen Umbau Pausen unterbrochen werden, in denen man die Detektoren
verbessert. Und wir haben gemessen, das erste Mal 2015 begonnen, seit dem 3.
Märzkampagnen gemacht. Der letzte, wie gesagt, war im März 2020 zu Ende und wir
haben vieles gemessen. Ich zeige das jetzt einmal im Überblick und dann gucken wir
uns ein paar Highlights an und beantworte die Frage: Was haben wir denn bisher
entdeckt und was haben wir daraus gelernt? Das hier ist dieses Maßes Mistella
Gracefeld, in das der LKW fährt, ist sozusagen der Überblick aller verstorbenen
Sterne, deren Überreste wir gesehen haben. Man sieht vor allem erstmal viele blaue
Kugeln. Diese blauen Kugeln stellen jeweils die von LIGO, Würge und Khadra
gemessenen schwarzen Löcher dar. Die Höhe über der Querachse zeigt einfach an, wie
schwer sie sind. Und man sieht es. Da gibt es einige, die sind deutlich über 100
Sonnenmassen schwer. Das schwerste, das in der Mitte sich hier befindet. Da kann man
sehen, dass es ungefähr 100 Sonnenmassen schwer und dann gibt es da drunter noch
einen Punkt, der auf einem Pfeil liegt. Das ist so um die 80, ich glaube 60 60
Sonnenmassen schwer. Also was das? Zwei Schwarze Löcher. Die umrunden einander,
berühren sich irgendwann, verschmelzen zu einem neuen schwarzen Loch und das ist da
dort dargestellt. Ich gehe einmal kurz hier rüber in das Fenster. Das ist also
hier in der Mitte dieser dieser, dieses schwarze Loch bei 60 Sonnenmassen, da
drüber als knappe 100 Sonnenmassen. Und die verschmelzen dann zu einem von 160
Sonnenmassen ungefähr. Und das ist so ein typisches Signal, was wir sehen. Und von
diesem Verschmelzen mit Schwarzen Löchern haben wir 90 Stück gesehen. Dass das
bedeutet haben eben viele verschmelzen schwarze Löcher gesehen, das ist das das
Haupt, die Hauobjekte, die wir entdecken. Dann sieht man unten noch orange Kugel,
die bei niedrigeren Massen sich befinden. Das sind diese sogenannten
Neutronensterne, die alle eben so maximal 2 Sonnenmassen schwer sind. Da sieht man
auch 2 Verschmelzung von Neutronenstern mit Neutronenstern zu. Wir wissen es nicht
genau, wahrscheinlich schwarzen Löchern und es gibt auch ein paar Objekte, wo eben
diese Kombination von schwarzem Loch und Neutronenstern zusammenkommt. Die roten
und die gelben Punkte sind vorher bekannte Schwarze Löcher und Neutronensterne aus
anderen indirekten Beobachtungen im Fall der Schwarzen Löcher. Aus all diesen
Beobachtung können wir jetzt schließen, dass sie nur ganz kurz bevor Sie
vielleicht an Highlights angucken wollen. Das eine, was wir gelernt haben, ist
Einstein hatte auch mal Unrecht. Einstein hat nämlich zeit seines Lebens bezweifelt,
dass diese Lösung seine Allgemeine Relativitätstheorie, die Schwarze Löcher
sind, in der Natur existieren wird. Das kann nicht sein. Es entsteht nicht durch
Papers geschrieben und argumentiert. Die Natur wird so die Entstehung von diesen
Objekten nicht erlauben. Jetzt sehen wir Dinge, die sich so verhalten wie schwarze
Löcher, also Datum Unrecht gehabt. Er hat natürlich wieder recht gehabt, weil seine
Relativitätstheorie die Gravitationswellen beschreibt. Also wir wissen, dass die
Gravitationswellen sehr exakt von seiner Theorie beschrieben werden, was wieder so
ein bisschen langweilig ist, weil man sich erhofft hatte, vielleicht irgendwo Ansätze
zu finden, wo die Relativitätstheorie da nicht stimmt, weil wir wissen, es ist
nicht der Weisheit letzter Schluss. Wir können die Eigenschaften Schwarzer Löcher
direkt messen, zum Beispiel ihre Massen, aber auch ihre Spins in einigen Fällen und
können uns einen Überblick verschaffen darüber. Zum Beispiel, wie sieht denn die
typische Population von Verschmelzen Schwarzen Löchern aus? Wie schwer sind
die? Wie schnell drehen sie sich umeinander, welche Massenverhältnisse gibt
es dann usw.. Und das sind so die groben Dinge, die man aus der ganzen
Populationsgeschichte machen kann. Wie das im Typischen funktioniert, will ich ein
paar Beispiele zeigen. Signale haben bei uns immer ein relativ unspektakulär Namen,
die heißen an so was wie GW150914, das ist einfach die Gravitationswelle oder eben
Gravitation Wave aus dem Jahr 2015. Die ersten beiden Ziffern dem neunten Monat
und dem 14. Tag, also die Gravitationswelle, die man am 14. 9. 2015
gemessen hat. Das war auch das allererste Signal, das man gesehen hat und das, was
die Detektoren dann tatsächlich messen, das sind hier nur ganz wenig bearbeitete
Rohdaten. Das kann man hier sehen. Das sind beides Zeitreihen, die jeweils
ungefähr 0,2 Sekunden der Daten zeigen. Links in Rot, die Daten von dem einen,
LIGO Detektoren rechts in Blau, die Daten von dem anderen LIGO Detektoren. Die
Hochachse zeigt hier die Stärke der Gravitationswellen in Einheiten von diesen
zehn auch minus 21 und wir können bei der roten Kurve das angucken. Die fängt so bei
0,3 Sekunden. Ungefähr sieht man, dass sich das so langsam so eine Welle aufbaut.
Und diese Welle wird in der Amplitude höher und in der Frequenz höher bis zu
ungefähr 0,43 Sekunden, dann hört es auf. Wenn man sich das anhört, ist das so eine
*macht einen "uap" laut*. Und dieses typische Geräusch, das ist das, was man
Verschmelzen von Objekten bekommt. Die Objekte umrunden einander, geben
Gravitationswellen ab, kommen einander immer näher und näher, umrunden einander
immer schneller. Die Beschleunigung wird größer, die Gravitationswelle wird lauter
und irgendwann berühren die sich und verschmelzen zu einem neuen Objekt, das
alleine keine Gravitationswellen abgibt. Das Signal hört auf. Wenn man mit beiden
Detektoren identisch sieht und das zeigt die blaue Messung sozusagen von dem
anderen Detektor rechts daneben. Das rote ist noch mal ein bisschen gespiegelt,
seitlich verschoben, drunter gelegt. Dann weiß man Okay, das ist wahrscheinlich
echt. Das wird statistisch ausgewertet, inwieweit das tatsächlich zusammenhängt.
Am Ende kann man aus dieser Form der Welle dann schließen, was da passiert ist. Und
zwar in diesem Fall weiß man, dass da zwei Schwarze Löcher mit circa jeweils 30
Sonnenmassen verschmolzen sind. Das kann man auch demonstrieren. Da gibt es von
LIGO so nette Online-Tools, wo man das ausprobieren kann, wie zum Beispiel
Wellen, wie zum Beispiel die Massen und die Empfindlichkeit sich auswirken und an
der URL, die ich unten eingeblendet habe, kann man sich dann so ein Film angucken,
wo man die Daten, das ist das Blaue mit einer aus der Allgemeinen
Relativitätstheorie berechneten Wellenform vergleichen kann und kann jetzt an diesen
Reglern hier rumspielen, einmal links die Gesamtmasse und rechts die Entfernung, bis
man meint, man hat eine gute Übereinstimmung gefunden zwischen diesen
beiden Größen, also zwischen der beide, zwischen den beiden Kurven, die man dort
sehen kann. Und da kann man es eben so einstellen. Dann kommt man auf das, was
ich ihm gesagt habe. Gesamtmasse so um 64 Sonnenmassen ungefähr. Empfindlichkeit
kann man so auf ungefähr 1,3 Milliarden Lichtjahre. Dann bekommt man eine relativ
gute Übereinstimmung zwischen den beiden Kurven, die natürlich noch das Detektoren
schnell drauf haben und dem eigentlichen und dem, also zwischen der theoretischen
Kurve und dem gemessenen Signal. Und so kann man ganz grob Eigenschaften messen.
Der Spin würde die Form dann noch mal anders verändern und so weiter. Man könnte
jetzt den Eindruck bekommen, dass da irgendwie nicht viel passiert, weil dieses
Signal so unvorstellbar kleines ist, 10 hoch minus 21 das bedeutet haben wirklich
gemessen, wie sich um den 1000 Atomkern Durchmesser was bewegt hat in den
Detektoren. Man kann sich aber angucken, was da Energie in der Energie drinsteckt.
Und dazu kann man sich angucken aus dem Paper, was ist die Masse des ersten
Schwarzen Lochs, was die Masse des zweiten, zweiten Schwarzen Lochs und was
unter Annahme, dass die Relativitätstheorie stimmt, ist die Masse
des entstandenen Final Black oder so entstandenen Schwarzen Lochs. Sieht man,
da fehlen scheinbar drei Sonnenmassen. Diese drei Sonnenmassen fehlen natürlich
nicht, die sind in Energie als Gravitationswellen abgegeben worden. Das
bedeutet aber, diese drei Sonnenmassen werden mit E gleich M mal C Quadrat
komplett in Gravitationswellen umgewandelt. Das erfolgt im Wesentlichen
in den letzten 0,2 Sekunden und das temporäre der Vorgang mit der größten
Leuchtkraft. Man sieht ja nichts im gesamten Universum. Die Leistung ist in
der Spitze 50 mal so hoch wie alle Sterne des Universums, gleichzeitig aber eben
vollkommen unsichtbar. Wir können es nur mithilfe unserer Detektoren tatsächlich
dann wahrnehmen. Man kann auch bestimmen, woher das Ganze kam, weil wir zwei
Detektoren mindestens haben. Das ist dann so, wie wir mit unseren Ohren wahrnehmen
können, von woher etwas kommt, kann man es bei den Detektoren auch machen. Eine
andere spannende Frage, auf die man neue Antworten bekommen hat mit
Gravitationswellen ist die, nach dem Ursprung des Goldes im Universum. Also
Gold spielt auf der Erde kulturell und wirtschaftlich immer noch eine Rolle und
man hat schon lange die Vermutung gehabt, dass, Elemente wie Gold und Platin hier
einmal umrundet, im Wesentlichen einen Ursprung haben in verschmelzen
Neutronenstern. Sie ist einfach das Periodensystem der Elemente und wo die
herkommen. Kurz nach dem Urknall gab es nur diese bläulichen Dinge als im
Wesentlichen Wasserstoff, Helium und kleines bisschen Lithium. Sterne wie
unsere Sonne die Massen haben Sterne können dieses hellgelb erzeugen, dass es
diese kleine Ecke unten bei Platin und Gold, die man jetzt sieht. Aber der
allergrößte Teil von den schweren Elementen kommt tatsächlich aus den
Verschmelzen und Neutronenstern. Das ist dieses Dunkel Orange. Und das war bisher
eine Theorie. Das kann man aber dann verifizieren, indem man sich eben
verschmelzen, Neutronensterne anguckt. Verschmelzene Neutronensterne tun mehrere
Dinge. Die geben zum einen zuallererst Gravitationswellen ab, dann verschmelzen
sie. Sie geben ein Gammastrahlen Blitz ab. Das ist das Violette. Dann entsteht eine
Explosionswolke, das ist dieses Bläuliche, das jetzt langsam abkühlt aufgrund des
radioaktiven Zerfalls. Und wenn man noch ein bisschen wartet, kann man auch noch
nach Leuchten sehen, wenn dieses Schloss entsteht, mit dem Gas zwischen den Sternen
zusammenstößt. Wenn man so etwas jetzt in allen Details beobachten könnte, dann
könnte man ja sehen, ob es tatsächlich entsprechende Entstehung von schweren
Elementen gibt. Und genau das kann man tun. Und genau das ist gelungen. Man hat
nämlich ein Gravitationswellensignal gehabt am 17. 8. 2017 beobachtet von den
LIGO Detektoren und dem Virgo Detektor, wo man zum einen erst mal Gravitationswellen
gefunden hat, die eindeutig sagen da verschmelzen zwei Neutronensterne.
Spannend ist jetzt, gibt es dazu passende Gammastrahlenblitz und das ganze sieht man
tatsächlich in dieser Darstellung. Die Verschmelzung der Neutronensterne erfolgt
jetzt und 1,7 Sekunden später gibt es eine Nachweis von Gammastrahl von einem
Satelliten namens Fermi, der die Erde umrundet. Das könnte jetzt erst mal
zufälliger Zusammenhang sein, aber man kann eine himmlische Schatzkarte malen,
die ungefähr so aussieht. Diese Kugel, die man sieht, ist aus irdischer Sicht werden
in der Mitte dieser Kugel und das Außenrum wäre der gesamte Himmel sozusagen. Aus den
LIGO und Virgo Daten kommt heraus, dass es diese kleine dunkelgrüne Gurke, die mit
LIGO Virgo markiert ist. Innerhalb dieses Bereichs sind irgendwo die Neutronensterne
verschmolzen, zumindest die, die wir mit Gravitationswellen gemessen haben. Der die
Fermi Beobachtung die eines anderen Gammastrahlen Satelliten ist dieser
Bereich, wo sich die beiden hellblauen und dunkelblauen Bereiche überschneiden, der
auch perfekt überlappt mit dem Gravitationswellen Bereich. Das Beispiel
der Gammastrahlen Blitz kam mit sehr sehr großer Wahrscheinlichkeit tatsächlich von
dieser Neutronenstern Verschmelzung. Diese leichte Verzögerung, die man gesehen hat,
liegt nicht daran, dass die Gravitationswellen überlichtschnelle sind,
sondern dass in dieser Explosion, die da entsteht es einen Moment dauert, bis die
Gammastrahlen durchbrechen. Was man jetzt machen kann man kann die Entfernung
Messung der Gravitationswellen kommt raus so ungefähr 130 Millionen Lichtjahre in
dem Fall verwenden und nach Galaxien suchen und gucken, ob da irgendwo ein
neuer Stern aufgetaucht ist, nämlich diese Explosion Wolke. Das gelingt ungefähr elf
Stunden später. Das sieht man rechts in diesem Negativbild. Neben einer Galaxie,
die ungefähr 130 Millionen Lichtjahre weg ist, ist durch dieses Fadenkreuz markiert,
ein neuer Stern aufgetaucht. Und dieser neue Stern, das heißt ein Kilo Nova, das
ist die Explosionwolke. Den kann man jetzt beobachten. Und da gibt's jetzt hier einen
Zeitraffer. Das ist jetzt eine Darstellung, so wie das in echt Farbe
ungefähr aussehen würde. Der gelbe Fall ist rein montiert, der zeigt, wo gleich am
Anfang jetzt nur die linke Seite angucken, wo diese Kilo Nova auftaucht. Das ist ein
altes Archivbild, da ist die Kilo Nova dann noch nicht zu sehen. Dieser weiße
Blob ist diese Galaxie, also ungefähr 100 Milliarden Sterne. Die meisten hellen
Punkte sind irgendwie Fordergrund Sterne und wir starten jetzt einfach mal den
Zeitraffer und dann sieht man, daneben taucht diese Explosion Wolke auf, ist am
Anfang heiß und blau. Mit so vier, fünf Tage danach kühlt sie sich schon sichtbar
wird Licht schwächer und vor allem auch rötlicher. Jetzt, so nach sieben Tagen,
ist sie richtig schön tiefrot geworden. Das bedeutet, es kühlt sich eben weiter ab
und man kann das Ganze verfolgen über längere Zeit. Und hier ist es so ungefähr
nach elf Tagen bricht es ab. Man kann das ein bisschen länger. Sie Auf der rechten
Seite sieht man Spectra, also die Energieverteilung über die
Helligkeitsverteilung über die Farben, dass dieses Spektrum hier ist links im
sichtbaren Bereich, rechts aber irgendwie tief im Infraroten. Was man aber sehen
kann, ist, dass es da bestimmte Dellen gibt. Also das ist nicht immer so eine
schöne, gleichmäßige Kurve, sondern da gibt es relativ charakteristische Dellen.
So bei hier werden zwischen 0,8 und 1,0 und diese Dellen, die kommen von der
Anwesenheit schwerer Elemente wie Gold und Platin, die ein Teil des Lichtes
absorbieren und verschlucken. Was wir am Ende aus diesen Beobachtungen zusammen mit
Computermodellen schließen können, ist das Gold, Platin und Co eben tatsächlich im
Wesentlichen aus Verschmelzen schmelzenden Neutronensterne stammen. Das bedeutet
aber, wenn jemand jetzt Goldschmuck trägt, ist das mit allergrößter
Wahrscheinlichkeit, Überrest von einer Neutronenstern Verschmelzung, deren
Überreste in die Urvolke unseres Sonnensystems gekommen sind. Also wieder
so eine schöne direkte Verbindung zum Kosmos. Zum Abschluss noch ganz kurzen
Überblick über ein paar Highlights, die wir auch noch hatten. Ich kann natürlich
nicht alle 90 Signale da durchsprechen, aber es gibt so ein paar Dinge, die
besonders auffällig waren. Und das eine ist ein Signal vom. In 2019 gab es eine
weitere Neutronenstern Verschmelzung im Hintergrund künstlerische Darstellung, wo
die Komponenten zusammen erstaunlich schwer waren. Das könnte der erste Hinweis
darauf sein, dass es Neutronenstern Paare gibt, die insgesamt schwerer sind als die,
die wir bisher kennen. Möglich. Wir werden es nur dann wissen, wenn wir weiter
beobachten und noch mehr solcher Signale sehen. In dem Fall haben auch nur die
Gravitationswellen gesiegt. Bis zum 12. 4. 2019 war es so, dass die Schwarzen Löcher,
die wir gesehen hatten, immer sehr ähnliche Massen hatten. Und wenn dieser
ähnliche Massen haben, dann könnte man jetzt erwarten, dass das fast immer so ist
und am 12. 4. 2009 das erste Mal eins gesehen, wo das schwere schwarze Loch
dreieinhalb mal schwerer ist als das leichte schwarze Loch. Das ist zum einen
ein bisschen ungewöhnlicher, kommt aber aus den Modellen auch raus. Erwarten wir.
Was aber auch das Besondere ist, dass sich dann in dem Signal nicht nur eine Frequenz
von den Gravitationswellen zeigt, sondern Obertöne wie bei Musikinstrumenten.
Vorhersage aus der Allgemeinen Relativitätstheorie kann man auch hier
einen Haken dran machen. Am 14. 8. 2016 gab es eine rätselhafte Verschmelzung
richtig mittelschwer schwarzes Loch, so 23 mal so schwer wie unsere Sonne ist mit
einem neunmal so leichten Objekt verschmolzen. Das könnte entweder das
schwerste schwarze Loch, das leichteste schwarze Loch sein, das wir kennen, oder
der schwerste Neutronenstern, den wir kennen. Wir wissen nicht, was es ist. Wir
können es auch nicht genau sagen anhand der Gravitationswellen. Aber es wird noch
mehr solcher Signale geben. Und daraus kann man dann vielleicht irgendwann
lernen, wie schwer so Neutronenstern werden kann, bevor zum Schwarzen Loch
wird. Das wissen wir nämlich nicht. Und wir haben am 21. Oktober 2019 die Geburt
eines sogenannten mittelschweren Schwarzen Lochs entdeckt. Das ist ein bisschen
verwirrend vom Namen her. Mittelschwer alles, was schwerer als 100 Sonnenmassen
ist. Also eigentlich sehr schwere Schwarze Löcher. Aber es gibt ja auch noch die
extrem schweren, die über 100000 Sonnenmassen und diese zwischen 100 und
hunderttausend Sonnenmassen. Da wussten wir bisher nicht, ob es die wirklich gibt.
Es gab indirekte Hinweise, da haben wir jetzt tatsächlich den eindeutigen Hinweis
gesehen, es gibt es und wir haben es die Entstehung gesehen aus zwei schwarzen
Löchern. Als allerletztes noch der Hinweis: Wie kann ich, wie könnt ihr
mitmachen, wenn euch das Ganze irgendwie interessiert? Gibt es zwei Sachen linker
Hand? Einmal Wir betreiben am Institut Einstein at home. Es ist ein verteiltes
freiwilliges rechen Projekt, wo man auf seinen Rechnern, aber auch Smartphones
Rechenzeit zur Verfügung stellen kann. Entweder wenn die gerade nicht aktiv
genutzt sind oder auch sonst währenddessen, um nach Neutronenstern zu
suchen. Da gibt es verschiedene Suchen. Die Hauptsache ist die nach
Gravitationswellen von einzelnen Neutronenstern, die sich drehende leichte
Beule haben und dabei leise sogenannte kontinuierliche Gravitationswellen
abgeben. Wir suchen aber auch nach Radiowellen und Gammastrahlen von diesen
Neutronenstern und haben bisher über die Radiowellen und Gammastrahlen mehr als 80
neue Neutronensterne entdeckt. Im Vergleich zu den 3000 insgesamt, die man
kennt, ist das schon ganz ordentliche Anteil. Die Gravitationswellen von diesen
Objekten, das ist noch offen. Wer da mitmachen will, findet unter
Einstein@home.org mehr Infos. Das ganze ist zum Teil auch Quelle offen und man
kann da auch in diesen Code selber reingucken. Und wenn da jemand
Verbesserungen hat, sind wir natürlich dafür immer offen. Das andere, wenn man
mehr von der beobachtenden Seite kommt. Es gibt eine App namens Chop. Die URL steht
da unten. Da wird man in dem nächsten Beobachtungslauf, der so Ende 2022
beginnen sollte, live darüber informiert, wenn neue Gravitationswellen gefunden
wurden und kann gegebenenfalls mit seinen eigenen Teleskopen nachgucken, ob man denn
da zum Beispiel ein Nachleuchten von Verschmelze Neutronenstern sieht. Und das
kann man auch über eine Website machen. Das ganze da ist aber eine Implementation,
dass man es eben dann hoffentlich ab 2022 auch mit Push Notifications auf sein Handy
bekommt. Also das kann man sich natürlich auch selber coden. Sodass man dann
gegebenenfalls nachts aufstehen und beobachten kann, wenn es da was zu sehen
gibt. Ich bedanke mich schon mal für die Aufmerksamkeit und hoffe wir haben noch
ein paar Fragen.
Herald: Haben wir. Ich möchte mich aber erst mal auch im Namen des Chips für den
extrem spannenden und verständlichen Vortrag bedanken. Das haben mehrere hier
gepostet. Ich gehöre auch dazu. Es war wirklich ein sehr, sehr schöner Vortrag.
Sehr verständlich erklärt. Knispel: Danke.
Herald: Wir haben sehr viele Fragen. Ich werde probieren, einige davon hier
loszuwerden. Die Entwickler. Wir hatten am Anfang gleich einen Vergleich im dunklen
Raum. Da kann man ja die Wahrnehmung des Schales durch die Wano im des ist etwas
über die Geometrie des Raumes erfahren. Kann man das gleich jetzt auch für
Gravitationswellen sagen? Und wenn ja, was verraten Sie über den Raum Geometrie?
Knispel: Okay, also die Idee ist, wenn ich jetzt in dem Raum bin und etwas höre, dann
kann ich daraus verstehen, wie der Raum, wie groß der Raum ist oder so was. Ja, man
kann. Es gibt spezielle Fälle, Fälle, wo das geht. Das was einige wahrscheinlich
kennen, ist das Licht von Massen. Abgelenkt wird durch sogenannte
Gravitationslinsen und dieser Gravitationslinsen Effekt. Der gilt auch
für Gravitationswellen. Das bedeutet, wenn ich zum Beispiel zwischen mir und meiner
Gravitationswellen Quelle hier irgendwie im Weg ein schweres Objekt habe, dann wird
die Gravitationswellen einmal herumfliegen und einmal darum fliegen und
gegebenenfalls unterschiedlich lange brauchen. Und das kann man nutzen, um die
Masse in der Mitte zu bestimmen. Das ist jetzt bei Gravitationswellen noch nicht
der Fall, weil wir die eben nur ab und an sehen. So alle fünf Tage ungefähr derzeit.
Aber im Prinzip kann man zumindest über diese direkte Sichtlinie, was erfahren.
Über die Gesamtstruktur des Raumes kann man auch ein bisschen was erfahren, weil
man Kosmologie mit den Gravitationswellen machen kann. Man kann zum Beispiel
bestimmen, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Das ist auch dann ein Maß für
die Geometrie des gesamten Universums. Das ist eine neue unabhängige Messung, die
jetzt noch nicht so genau ist wie die anderen, die wir haben. Aber man kann
prinzipiell Kosmologie machen, kann die Hubble Konstante bestimmen und die kommt
zumindest mit großer Ungenauigkeit noch da in dem Bereich raus, wo man sie erwartet.
Da ist jetzt noch keine Überraschung, aber auch noch nichts ganz Neues sozusagen.
Also nichts überraschend Falsches, aber auch nichts überraschend ganz Neues zu
finden. Herald: Okay, wie viele Eigenschaften hat
denn seine Neutronenstern zusätzlich im Vergleich zum Schwarzen Loch?
Knispel: Ja, das ist eine sehr gute Frage. Das wissen wir leider nicht, weil wir
nämlich gar nicht genau wissen, wie so Neutronenstern im Inneren aussieht. Ich
habe es gesagt ganz grob ist so, Materie wie bei Neutronen, weil bei Atomkern
dichten. Ganz grob gesprochen verändert sich das aber im Innern auch. Und was man
weiß, ist oben eine ganz Millimeter oder Zentimeter dicke Atmosphäre, die
Elektronen enthalten zum Beispiel kann, dann gibt es da drunter und eine Kruste,
wo vielleicht auch noch schwere Atomkerne drin sind. Aber je weiter man nach innen
kommt, desto mehr Reihen Neutronensüppicker wird es deswegen heißen
die Dinger auch Neutronensterne, weil im Wesentlichen halt fast nichts außer
Neutronen übrig bleibt. Und dieser Kern Implosion. Aber wie das im Detail ist im
Innern vielleicht noch irgendwie exotische Materie, die aus Quarks oder sowas
besteht. Nur das wissen wir nicht. Und deswegen am Ende gibt es umso
Neutronenstern zu beschreiben beliebig viele sogenannte Zustandsgleichung, die
mir sagen, wenn da so und so viel Druck und diese Temperatur ist, dann ist das
Ding so und so groß und bei der und der Masse und, da die unbekannt ist, wissen
wir es nicht. Und es gibt einfach im Grunde genommen, wenn man will, unendlich
viele Parameter, die man einstellen kann. Aber das ist genau der Trick. Wenn ich
jetzt mit Gravitationswellen sagen kann, das Ding war genau so schwer und so groß
oder hat sich das kann ich nämlich dann idealerweise sehen, so und so verformt
durch die Gezeitenkräfte von seinem Partner Objekt, dann kann ich was über die
Zustandsgleichung lernen und das geht in Einzelfällen schon. Das haben Kollegen bei
unserem Institut gemacht. Genau ausgemessen, wie groß das Ding war, aller
Wahrscheinlichkeit nach. Das hat natürlich Federbealken, aber da sind im Prinzip eben
beliebig viele Zusatz Parameter, weil wir es nicht genau wissen. Es halt. Materie
ist kein schwarzes Loch. Herald: Okay, verstanden. Kann man
theoretisch auch Gravitationswellen Energie gewinnen? Ist das eine Idee?
Knispel: Theoretisch ja, weil sie natürlich bisschen wechselwirken, sonst
kennen wir sie ja nicht wahrnehmen. Aber das Problem ist, dass die eben so gering
an die Materie koppeln, dass das einfach nicht praktikabel ist. Also man sieht ja,
was man für einen Aufwand treiben muss, um dieses winzige Bewegen da irgendwie
wahrzunehmen. Ein Prinzip hinterlassen die Energie in der Erde, sonst könnte man sie
ja nicht wahrnehmen. Aber das sind. Ich weiß nicht, wenn so eine Gravitationswelle
durchläuft. Ich glaube, es war im Bereich Djul oder so was. Es lohnt sich nicht.
Herald: Also die Forschung weiter nutzen? Knispel: Ja, genau, um unser Universum
besser wahrzunehmen. Aber als Energiequelle. Ja, wenn ich jetzt
irgendwie mit Science Fiction Zivilisationen auf drei Skala oder sowas
vorstelle, vielleicht, aber die können auch einfach Gravitationswellen machen.
Herald: Also verstanden. Ich habe eine Frage zur Messung und wie man das misst.
Kann man theoretisch durch die Verlängerung der Wegstrecke die
Genauigkeit erhöhen? Und gibt es da ein theoretisches theoretisches Maximum der
Genauigkeit? Ja, man kann das machen. Das Problem ist am Ende, wenn man es zu lang
macht. Man verlängert die Strecken jetzt schon. Das habe ich nicht gesagt durch
einen Trick, indem man das Licht nicht einfach einmal durch den Arm laufen lässt,
hin und zurück, sondern man bringt da so einen Resonator. Nennt sich das an als
eine Lichtfalle, wenn man will oder Lichtspeicher, wo das Licht dann tausend
Mal oder ein paar Hundert Mal hin und her läuft und dadurch länger Zeit hat mit der
Gravitationswelle Wechsel zu wirken. Das Problem welches zu lange mache unsere
Gravitationswellen macht ja so mit dem Arm. Ganz grob gesprochen wird es zu lang
mache, dann macht die Gravitationswelle halt einmal hin und zurück komplett
während das Licht drin ist und am Ende mäßig deutlich weniger, weil ich halt
schon wieder den Teil messe, wo der Arm schon wieder Entstreckt, sozusagen. Ich
will ja die maximale Bewegung sozusagen messen. Das wird, man kann das steigern am
Ende. Das Andere, was noch dazu kommt ist, dass man wie in der Elektrodynamik eine
Antenne braucht, die ungefähr in der Länge der Wellenlänge ist, der
Gravitationswellen, die ich messen will. Oder kürzer, je nachdem, wie man das dann
betreibt. Aber eben nicht sehr viel länger als die Wellenlänge, weil sich sonst die
die Welle sozusagen aufhebt. Und dann bekomme ich in niedrige Frequenzen, wenn
ich riesige Detektoren brauche. Das habe ich nicht angesprochen. Es gibt natürlich
Gravitationswellen bei sehr niedriger Frequenz, wo ich sehr schwere Objekte
bewegen und dafür brauche ich große Detektoren. Da gibt es im Weltraum
Detektoren. Lisa, der so in den 2000 30er Jahren fliegen soll, da sind die Strecken
dann im Weltall und Millionen Kilometer lang.
Herald: Super! Das beantwortet sich gleich die nächste Frage, nämlich Welche
Wellenlänge haben diese Laser? Ich würde ...
Knispel: Also die Laser haben, das habe ich noch nicht gesagt. 1024 Nanometer.
Herald: Okay, super. Wir haben also die Frage Wie wird beim Messen und verhindert
das minimale Änderung der Spiegelposition den Laser verfälschen? Das heißt, wenn
jetzt das Erschütterung ist oder sonst irgendwas.
Knispel: Die Spiegel sind von der Seismig des Bodens abgehängt, die hängen an
mehrfach pendeln. Das bedeutet, man hat am Ende irgendein Vakuum. Das Ganze ist auch
in einem Vakuum. Dieses Vakuum steht auf dem Boden, ist dann irgendwie passiv und
aktiv gedämpft. Schon mal als solches. Und dann hängt. Einem an einem dreifach
Pendel, also von der Decke hängt ein Pendel runter, da ist eine Zwischenwand
oder noch ein Pendel noch dazwischen und ganz unten hängt der Spiegel, und diese 3
bis 4 fach Pendel je nach Detektor sorgen dafür, dass horizontale Bewegung, aber
auch vertikale Bewegung des Bodens um den Faktor von 10 Milliarden oder mehr
gedämpft werden, so dass am Ende der Spiegel wirklich bei den Frequenzen, die
uns interessieren, still hängt. Und tatsächlich auf diesen 10 hoch -18 Metern
und am Ende muss aber natürlich das aktiv dahin gefahren werden, das dann auch
bleibt. Herald: Also eine schöne Ingenieurswesen.
Knispel: Genau. Herald: Du hattest einen Kommentar
abgegeben zur Relativitätstheorie. Wir haben eine Frage hier Wo greift diese
nicht? Wo versagt sie? Ist es die Unvereinbarkeit mit der Quantentheorie?
Knispel: Ja, das ist einer der Punkte. Also beim Schwarzen Loch haben wir ja
diese prinzipiell unendlich kleine Singularität, die, wo die gesamte Masse
auf einen kleinen Punkt ist. Das widerspricht der Quantenmechanik. Es geht
halt nicht. Da kann ich nicht unendlich viel Masse auf. Kann also nicht endlich
jemand auf einen kleinen Punkt zusammentun mit einer unendlich hohen Masse Dichte?
Das geht nicht. Die Relativitätstheorie passt da einfach nicht zusammen. Es gibt
auch andere Dinge, die am Ereignishorizont passieren, die dann mit dieser Vernichtung
von der Information zusammenhängen, die auch noch den Widerspruch zur
Relativitätstheorie darstellen. Also Quantenmechanik darstellen. Und das wären
so die Punkte, weswegen man dachte: Okay, vielleicht sehen wir an Schwarzen Löchern
die ersten Widersprüche zur Relativitätstheorie. Die Tatsache, dass
bis jetzt noch nicht geschehen ist, heißt nichts, weil wir einfach teilweise noch
nicht genau genug messen können. Da könnte es in den nächsten Jahren oder Jahrzehnten
tatsächlich dann was geben. Aber es ist im Wesentlichen immer die Quantenmechanik,
die uns da reinfunkt. Herald: Ja, das bringe ich gleich zur
nächsten Frage: Welche bahnbrechenden Erkenntnisse erhoffst du dir oder team ihr
euch in den nächsten Jahren oder Jahrzehnten?
Knispel: Genau das vielleicht an der Stelle, wie es euch gesagt hat. Team ist
an der Stelle weltweite Gruppe von rund 1700 aktuell Forscherinnen und Forschern,
die an den Detektoren, an der Datenanalyse, an allen möglichen Aspekten
dieses, dieses, dieses Themas forschen. Generell geht es erst mal darum, dass wir
jetzt sozusagen das weitermachen, was schon angesprochen hat Wir machen mehr
Astronomie. Wir wollen aber auch Astronomie zusammen mit anderen Astronomen
und Astronomen machen. Das, was jetzt an einem Fall gut gemacht haben, wo wir eben
die Neutronenstern, etwas gesehen haben. Das wird regelmäßiger werden. Aber am Ende
ist zum Beispiel ein großer Durchbruch. Wäre jetzt mit Einstein womöglich diese
kontinuierlichen Gravitationswellen, also ein Neutronenstern, dann kein Hubble hat,
den rotierend herum schleudert? Das wäre ein guter Hebel, um was über
Neutronenstern zum Beispiel zu lernen. Und das wäre wirklich ein Durchbruch, weil man
da eben noch nicht so viel weiß, oder eben wirklich gesehen in unser Signal.
Irgendwelche Abweichungen, die, die sich nicht mit Allgemeine Relativitätstheorie
erklären lassen. Und dann haben wir wirklich einen guten Ansatzpunkten. Hebel,
von wo aus man sagen könnte Okay, vielleicht ist diese Version dann doch
richtiger, oder diese Version, weil da kann man jetzt nur spekulieren und
vielleicht hören wir, das wäre super geil, aber irgendwann aus der Frühzeit des
Universums noch Signale, vielleicht eher mit Lisa oder so, mit diesem Weltraum
detektor, wo wir das gewissermaßen den Nachhall des Urknalls sozusagen wahrnehmen
können. Das wäre auch sehr spektakulär. Herald: Sehr gut, das wäre natürlich
richtig. Ich habe tatsächlich eine letzte Frage, bevor wir in die extended Q&A
gehen: Ich picke jetzt mal eine, sind doch sehr viele da. Tatsächlich. Und zwar
Schwarze Löcher sind da nicht so häufig. Wie kann es dann passieren, dass ich zwei
zufällig treffen? Knispel: Es ist richtig, die sind
prinzipiell gibt es ja nicht so viele, aber die treffen sich nicht zufällig,
sondern die sind schon vorher als Doppelstern System entstanden, als eine
Möglichkeit das Bild entstehen vorher als Sternensystem und diese Sternensystem, da
macht einer irgendwann Supernova wird zum schwarzen Loch, das andere macht Supernova
wird zum schwarzen Loch. Oder es gibt Phasen, wo die sich gegenseitig
überlappen, sodass am Ende zwei schwarze Löcher entstehen, die schon umeinander
kreisen. Bin ich fertig? Das andere ist die Möglichkeit, dass die einzelnen
schwarzen Löcher sind, die aber in sehr dichten Sternumgebungen rumlaufen, also
z.B. sogenannten Kugelsternhaufen. Und da dann zum Beispiel ein schwarzes Loch mit
einem Stern ist, kommt ein schwarzes Loch vorbei, kickt den einen Stern raus und
dann habe ich auch ein Doppelstern System. Das sind auch Fragen, die wir anhand der
Gravitationswellen bei der Verschmelzung beantworten können. Wie diese Systeme
entstanden sind, können wir jetzt noch nicht, aber in Zukunft dann, wenn wir
genauer messen. Herald: Okay, ich bin sehr gespannt, was
für euch im nächsten Jahr noch rauskommt. Ich sage es vielen lieben Dank, alles
Gute. Eine weitere Forschung und wie gesagt, ich möchte es gibt die Möglichkeit
da selber was zu tun. Danke noch mal für eine Zeit.
Knispel: Sehr gern.
*rc3 Nachspannmusik.
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