Archive for the 'Forschung' Category

GRB 170817A: Wurden Gravitationswellen einer Neutronenstern-Kollision beobachtet?

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Bei der Annäherung und Verschmelzung zweier Neutronensterne werden Gravitationswellen abgestrahlt und gleichzeitig entsteht eine hochenergetische Explosion; NASA

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Seit mittlerweile einer Woche rauscht es wieder ordentlich im digitalen Blätterwald von Twitter. Auslöser jener Gerüchte waren die am 18. August binnen einer Stunde gesendeten Tweets zweier Astronomen, die damit eine neue sensationelle Entdeckung der LIGO-Gravitationswellen-Detektoren ankündigten. Von offizieller Seite wird das Gerücht weder dementiert noch bestätigt. Bisher konnten mit den beiden LIGO-Stationen in Washington und Louisiana drei bestätigte Gravitationswellen-Signale detektiert werden, die allesamt von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher stammen. Die genannten Twitter-Meldungen sprechen jedoch von einem völlig neuen Phänomen, denn offenbar wurde erstmals ein „optical counterpart“, ein optisches Gegenstück, zu einer Gravitationswellen-Quelle entdeckt. Stimmt also das Gerücht, so wäre es das erste Mal, dass von ein und derselben Quelle gleichzeitig Gravitationswellen (mit LIGO) und elektromagnetische Strahlung (mit „normalen“ Teleskopen) beobachtet wurden. Das würde das neue Fenster in der noch jungen Gravitationswellen-Astronomie noch einmal ein großes Stück weiter aufstoßen. Dass nun erstmals zeitgleich auch (elektromagnetische) Strahlung empfangen wurde, deutet außerdem darauf hin, dass die Graviationswellen nicht von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher stammen. Man vermutet vielmehr, dass hier die Neutronenstern-Kollision (ein sog. Binary Neutron Star Merger) eines kurzen Gammastrahlenausbruchs (GRB) beobachtet wurde.

Der nur 2 Sekunden dauernde Gamma Ray Burst wurde am 17. August um 14:41 MESZ vom Weltraumteleskop Fermi detektiert und erhielt die Bezeichnung GRB 170817A. Auf weiteren Twitter-Kanälen und anderen Seiten, über die man Forschung in Echtzeit verfolgen kann, gibt es noch mehr Hinweise zur Verbindung zwischen Gammastrahlenausbruch und Gravitationswellen-Signal. So erfährt man über diese Quelle mit Beobachtungsanträgen für das Hubble-Weltraumteleskop (HST), dass sich der kurze GRB in der Galaxie NGC 4993 (nahe psi Hya) ereignete, und klickt man etwas weiter, erfährt man u.a.: „Rapid ToO observations of the first gravitational wave counterparts“ (diese Beobachtungen wurde am 22. und 24. August durchgeführt), „Verifying a candidate counterpart to gravitational waves“ und „GRB170817A is the most nearby short GRB ever discovered“. Mit 130 Millionen Lichtjahren ist NGC 4993 tatsächlich die naheste Galaxie, in der ein kurzzeitiger Gamma Ray Burst beobachtet wurde, und schon allein diese Tatsache ermöglicht ganz neue detailierte Beobachtungen. So ermöglicht die „geringe“ Entfernung ganz neue Einblicke – beispielsweise ob diese hochenergetischen Sternexplosionen tatsächlich durch die Kollision von Neutronenstern-Paaren entstehen. Auch sichtbares Licht wurde von GRB 170817A empfangen – mit der DECam am 4-Meter-Teleskop des CTIO (Cerro Tololo Inter-American Observatory). Des Weiteren sollen auch das Radioteleskop ALMA und das Röntgen-Weltraumteleskop Chandra an Nachfolgebeobachtungen beteiligt sein.

Und würde sich darüber hinaus das Gerücht zum parallelen LIGO-Gravitationswellen-Signal bewahrheiten, würde die Sichtung zugleich das Kollisionsszenario für kurze Gammastrahlenausbrüche bestätigen. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne ist nach wie vor die führende Theorie für ihre Erklärung, und die LIGO-Sichtung könnte dazu einen bahnbrechenden Beitrag leisten. Und das alles passiert ausgerechnet zum 50. Geburtstag der Entdeckung der Pulsare bzw. Neutronensterne. Gestern ging erstmal die aktuelle 9-monatige LIGO-Beobachtungskampagne zu Ende (seit dem 01. August mit der italienischen VIRGO-Station); in einer Meldung hieß es: „Some promising gravitational-wave candidates have been identified in data from both LIGO and Virgo during our preliminary analysis, and we have shared what we currently know with astronomical observing partners. We are working hard to assure that the candidates are valid gravitational-wave events, and it will require time to establish the level of confidence needed to bring any results to the scientific community and the greater public.“ Bis zu einer offiziellen Bekanntmachung wird es sicher ein paar Monate dauern, aber wir dürfen gespannt sein.

Weitere Artikel finden sich hier (Übersetzung via Spektrum), hier, hier sowie hier.

26.08.2017

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Gaia16aye: Seltenes Microlensing-Ereignis mit Ansage

I-Band-Lichtkurve von Gaia16aye vom 18. November 2016; ESA Gaia, DPAC and the Photometric Science Alerts Team, P. Mroz, L. Wyrzykowski

Modellierte I-Band-Lichtkurve von Gaia16aye vom 18. November 2016; ESA Gaia, DPAC and the Photometric Science Alerts Team, P. Mroz, L. Wyrzykowski

Zurzeit ereignet sich im Schwan nahe des hellen Sterns phi Cyg ein spektakuläres Himmelsphänomen. Das Microlensing-Ereignis Gaia16aye (Spitzname Ayers Rock) wurde vor ein paar Monaten mit dem ESA-Astrometrie-Satelliten Gaia entdeckt und wird seitdem von anderen Teleskopen ständig überwacht. Die gesammelten Daten sind in der oben gezeigten I-Band-Lichtkurve zusammengefasst und zeigen deutlich drei Helligkeitsausbrüche. Die Forschergemeinde ist sich mittlerweile sicher: Dieses Muster deutet auf kein normales Microlensing-Event hin, sondern auf einen sehr viel selteneren Fall einer Gravitationslinse mit Doppelstern. Das Schwerefeld eines Vordergrundsterns (bei Gaia16aye handelt es sich um einen 15,0mag-Stern) verhältlich sich wie ein Linse, die das Licht eines entfernteren Hintergrundobjekts bündelt, so dass es für uns beträchtlich heller erscheint. Nur handelt es sich hier um ein Doppelsystem, wodurch es zu zwei Aufhellungen mit vier Helligkeitsmaxima kommt.

Eine polnische Forschergruppe konnte aus Modellen ableiten, wann mit dem finalen Peak (ganz rechts im Bild) zu rechnen ist. Nach ihrer heutigen Prognose soll es am Sonntagabend (20. November) gegen 20:00 MEZ soweit sein. Im I-Band soll sich ein Maximum von 12,0mag zeigen, wobei im visuellen Bereich wohl 14,0mag (oder etwas heller) zu erwarten sind. Nur wenige Stunden soll der finale Helligkeitsausbruch dauern und die Wetteraussichten für den deutschen Sprachraum sehen leider alles andere als rosig aus. Hobbyastronomen aus Bayern haben wohl die besten Chancen auf brauchbares Beobachtungswetter. Die AAVSO-Lichtkurve von Gaia16aye befindet sich schon im Anstieg und hat bereits 14,6mag erreicht. Das passt immerhin sehr gut zu meiner Nichtsichtung. Am Abend habe ich mein Glück mit dem 12-Zöller und 250-facher Vergrößerung versucht. Das Zielgebiet bei phi Cyg war spielend leicht zu finden, aber tiefer als 14,5mag bin ich unter meinem Dorfhimmel nicht gekommen. Vielleicht haben andere Beobachter ja mehr Glück. Wann sieht man schon als Amateur eine Gravitationslinse in diesem Helligkeitsbereich? Und dann noch durch ein Doppelsystem hervorgerufen. Das ist wirklich (exotische) Astrophysik live!

18.11.2016

[Update, 19.11.2016] Weitere Berichte und Beobachtungsaufrufe finden sich hier (Abenteuer Astronomie), hier (Himmelslichter.net) und hier (Sterne und Weltraum).

Live-Blog zum LIGO-Update über Gravitationswellen

[11:30 MEZ] In Washington beginnt – 2 Querstraßen vom Weißen Haus entfernt – in genau 5 Stunden die heiß ersehnte Pressekonferenz mit Neuigkeiten zur Suche nach Gravitationswellen. Parallel zum oben verlinkten Livestream (alternativ auch dieser) werde ich diesen chronologischen Live-Blog mit Updates und weiteren Informationen aktuell (das Neueste steht ganz unten) halten. Viele halten jetzt schon die Verkündung der Entdeckung von Gravitationswellen für sehr wahrscheinlich. Wenn es nichts Handfestes zu berichten gäbe, wieso sollten sonst zeitgleich an noch 5 weiteren Orten ebenfalls Pressekonferenzen stattfinden? Um 16:30 MEZ geht’s los. Ich bin sehr gespannt.

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[12:15 MEZ] Sogar die Leute vom APOD (Astronomy Picture of the Day) machen es spannend und haben vorerst nur einen Platzhalter auf ihrer Homepage apod.nasa.gov stehen. Erst um 17:00 MEZ soll das Astrobild des Tages gelüftet werden. Was wird zu sehen sein? Das erste direkte Bild von Gravitationswellen, die bei der gewaltigen Kollision zweier Schwarzer Löcher entstehen?

[13:00 MEZ] Was sind denn nun eigentlich Gravitationswellen? So hat mir Harald Lesch das vor 15 Jahren in „Alpha Centauri“ sehr schön erklärt. Ganz ohne Tensoren, dafür mit hochgekrempelten Ärmeln. „Das Universum schwingt. Es kann schwingen. Das Substrat, in dem Raum und Zeit existieren, fängt an zu schwingen, wenn Massen sich bewegen und wenn Massen anfangen auf einmal ganz fürchterliche Dinge zu tun. Und diese Schwingungen, die bezeichnet man als Gravitationswellen.“ Anschaulich beschreibt er die Wirkung sowie die Winzigkeit dieser Raumzeit-Wellen, außerdem wird noch die indirekte Entdeckung von Gravitationswellen, für die es 1993 den Nobelpreis gab, erläutert. Und wird dann heute ihr erster direkter Nachweis verkündet? Der Nobelpreis dafür wäre ebenfalls sicher.

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Ein enges Paar Schwarzer Löcher strahlt Gravitationswellen ab; Swinburne Astronomy Productions

Verschmelzung zweier Schwarzer Lˆcher

Gravitationswellen kurz vor der Kollision zweier Schwarzer Löcher; Albert-Einstein-Institut (Michael Koppitz)

[14:45 MEZ] Um Gravitationswellen grafisch irgendwie darzustellen, gibt es – mitunter bunte – Illustrationen wie diese. Wie in den beiden Abbildungen gezeigt wird, entstehen solche Wellen u.a. der Verschmelzung eines Paares aus Schwarzen Löchern. Durch die Abstrahlung in Form von Gravitationswellen nähern sich die Schwarzen Löcher immer schneller einander an und verschmelzen schließlich miteinander. Und da Schwarze Löcher per definitionem kein Licht oder eine sonstige Strahlungsart abgeben, würde sich so eine gewaltige Kollision einzig durch Gravitationswellen verraten!

[14:55 MEZ] Auch Blogger-Kollege Daniel Fischer hat einen Live-Blog („Live-Blog zur Gravitationswellen-Enthüllung“) gestartet.

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Vereinfachte Darstellung eines Gravitationswellen-Signals; aus „Numerical Relativity“ (2010) von Baumgarte und Shapiro

[15:30 MEZ] Wie ein Schwarzes Loch mit einem zweiten kollidiert und dabei Gravitationswellen frei werden, kann heute naürlich nur in aufwendigen Simulationen untersucht und in künstlerischen Abbildungen dargestellt werden. Das, was die Wissenschaftler, die z.b. mit dem LIGO-Detektor nach diesen Schwingungen suchen, wirklich messen, wird vereinfacht im unteren Teil der Grafik gezeigt. Wie die Objekte immer schneller aufeinander zu spiralieren, zeigt eine höher werdende Frequenz an, die Verschmelzung findet dann beim größten Ausschlag statt und anschließend ereignet sich noch ein sog. Ringdown. Das ist eine Art Nachhall, bei dem das resultierende – und massereichere – Schwarze Loch wieder seine Kugelform annimmt. So eine Darstellung werden wir sehr wahrscheinlich nachher bei der Pressekonferenz zu sehen bekommen.

[16:10 MEZ] Und um was geht es heute? Viele vermuten, dass mit dem LIGO-Gravitationswellen-Projekt in den USA erstmals Gravitationswellen beobachtet wurden und dieser direkte Nachweis soll gleich um 16:30 MEZ in der Pressekonferenz (der Livestream ist ganz oben zu sehen) veröffentlicht werden. Zu den bisherigen Hinweisen und Gerüchten dazu hatte ich erst am Montag etwas geschrieben. Demnach soll das vermutete Signal tatsächlich von einer Verschmelzung aus zwei Schwarzen Löchern (36 und 29 Sonnenmassen) stammen. Diese Messung wäre jedoch mehr als eine weitere Bestätigung von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, mit der vor 100 Jahren – im Juni 1916 – die Existenz von Gravitationswellen vorhergesagt wurde. Außerdem wäre es der allererste direkte Nachweis von Schwarzen Löchern! Und wir könnten sie sogar hören!

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[16:20 MEZ] Noch 10 Minuten bis zur Pressekonferenz (Livestream) in Washington.

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[16:25 MEZ] Der Stream läuft schon mal. Noch 5 Minuten …

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[16:28 MEZ] Gespanntes Warten …

[16:30 MEZ] Die Pressekonferenz beginnt pünktlich mit einer Ansprache und einem Einspielfilm.

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[16:34 MEZ] „Ladies and Gentleman, wie have detected gravitational waves!“ Es folgt Applaus.

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[16:45 MEZ] So sehen die im September 2015 mit LIGO detektierten Signale aus. Zuerst wurde es mit der Livington-Station aufgezeichnet, 7 Millisekunden später wurde das identische Signal mit der Hanford-Station empfangen. Ausgelöst wurden sie durch eine äußerst winzige („tiny tiny fraction of a proton diameter“) Längenänderungen der beiden LIGO-Interferometer. Es wird berichtet, dass es aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit 36 und 29 Sonnenmassen stammt. Dabei wurde die Energie von 3 Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. Die Gerüchte im Vorfeld waren also korrekt! Außerdem verrät das Signal, dass sich die Kollision 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt nahe der Magellanschen Wolken am Südhimmel (Sternbild Schwertfisch) ereignete.

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[16:54 MEZ] Dem Publikum wird die Wirkung von Gravitationswellen anschaulich erklärt.

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[17:00 MEZ] Kip Thorne, der das LIGO-Experiment mitbegründet hat, tritt ans Pult. Er erläutert die bisherige Geschichte der Suche nach Albert Einsteins Gravitationswellen. Alle Beobachtungen zeigten nur eine ruhige Raumzeit. Am 14. September 2015 ändert sich alles. Als LIGO das Signal registrierte und von einem „violent storm“ der Raumzeit erzählte. Die beobachtete Verschmelzung der Schwarzen Löcher setzte eine Energie in Form von Gravitationswellen frei, die dem 50-Fachen aller Sterne im Universum entspricht!!

[17:09 MEZ] Kip Thorne: „LIGO ist just the beginning with gravitational wave astronomy.“ Denn mit dieser Beobachtung wurde eine neue Tür zur beobachtenden Astronomie aufgestoßen. Jenseits des elektromagnetischen Spektrums aus optischem Licht, Radiostrahlung, Röntgenstrahlung usw. hat LIGO zum ersten Mal direkt die Schwingungen der Raumzeit gemessen.

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[17:20 MEZ] Nach Kip Thornes Beitrag werden jetzt Frage der Pressevertreter beantwortet.

[17:40 MEZ] Der Livestream endet.

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[17:50 MEZ] Und da ist das Paper: „Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger“ (PDF). „Dieses Paper der LIGO Scientific Collaboration & VIRGO Collaboration hat Wissenschaftsgeschichte geschrieben“, heißt es dazu auf Twitter.

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Ossokine, Buonanno (MPI für Gravitationsphysik) und Benger (Airborne Hydro Mapping GmbH)

[18:05 MEZ] Die Pressemitteilungen von LIGO und vom Albert-Einstein-Institut Hannover (mit obiger Grafik) sind online. Die farbenfrohe Abbildung ist ein Ausschnitt einer Simulation mit zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, die 36 und 29 Sonnenmassen schwer sind.

[18:25 MEZ] Vermutlich wegen der großen Zahl an Autoren, werden sie erst ganz am Ende des Fachartikels (PDF) aufgezählt. 1.004 Wissenschaftler sollen es sein, die auf 3 Seiten genannt werden; sogar 3 verstorbene Personen werden erwähnt. Und auf 2 ½ Seiten folgt dann noch die Nennung von 133 Forschungseinrichtungen, die in der LIGO- und VIRGO-Kollaboration zusammen hinter dieser Entdeckung stehen!

[19:05 MEZ] Noch nicht genug von der LIGO-Action heute? Außer dem oben genannten Paper findet man unter dem Punkt Related Documents“ noch 11 weitere Arbeiten! Darin werden noch weitere Beobachtungen, Analysen und Folgerungen vorgestellt. Übrigens: Die – allererste – direkt beobachtete Gravitationswellen-Quelle hat die Bezeichnung GW150914 erhalten.

[19:30 MEZ] Hier kommt jetzt sogar der Entdecker des am 14. September 2015 detektierten Signals zu Wort. Während das Signal registriert wurde, befand sich Marco Drago nicht am LIGO, noch nicht einmal in den USA, denn viel mehr saß der Wissenschaftler in seinem Büro im Albert-Einstein-Institut Hannover! Er beschäftigte sich mit den LIGO-Daten, bis gegen Mittag eine Alarm-Mail eintraf. „The signal-to-noise ratio was quite high – 24 as opposed to [the more typical] 10“, erläutert Drago. Nach einer Stunde ging eine Mail an die gesamte LIGO-Kollaboration raus und es folgte eine tagelange Datenanalyse begann, um alles aufwendig zu überprüfen.

[20:35 MEZ] Und so hört sich GW150914 an. Dieses sog. Chirp-Geräusch ist tatsächlich die Verschmelzung zweier stellarer Schwärzer Löcher an! Keine elektromagnetische Strahlung wurde dabei abgestrahlt, so dass uns einzig dieses Geräusch von jenem unvorstellbar gigantischen Ereignis erzählt. Die ersten beiden Töne geben unverändert exakt die Frequenz wieder, die das in ein Audiosignal umgewandelte Gravitationswellen-Signal hatte. Bei den zwei danach folgenden Tönen wurde die Frequenz für eine bessere Hörbarkeit angehoben.

[20:40 MEZ] Hier ist die komplette Aufzeichnung der heutigen LIGO-Pressekonferenz.

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[21:30 MEZ] Und da wäre natürlich noch das gelüftete APOD (eine künstlerische Darstellung mit den beiden echten LIGO-Signalen), denn bis zur großen Bekanntgabe am Nachmittag war da ja nur ein schwarzer Platzhalter zu sehen.

[21:40 MEZ] Ende des Live-Blogs.

Gibt’s morgen die Entdeckung von Gravitationswellen?

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Ein enges Paar Schwarzer Löcher strahlt Gravitationswellen ab; Swinburne Astronomy Productions

Jetzt sind es noch genau 24 Stunden, denn morgen um 16:30 MEZ wollen die Wissenschaftler des LIGO-Experiments spannende Neuigkeiten zu ihrer Suche nach Gravitationswellen der Öffentlichkeit präsentieren. Am Montag berichtete ich noch, dass die Gerüchteküche schon seit Ende September 2015 brodelt und wie aktuell die Hinweise auf den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen immer konkreter wurden. Und noch am selben Abend wurde offiziell mitgeteilt, dass es am Donnerstag in Washington tatsächlich eine Pressekonferenz zu den neuesten LIGO-Daten geben soll. Mittlerweile sind insgesamt sogar 6(!) zeitgleiche Pressekonferenzen anberaumt worden und sollen neben der USA noch in Italien, Frankreich, Großbritannien, den Niederlanden und in Deutschland stattfinden. Denn aus dem Albert-Einstein-Institut Hannover stammen Hochleistungslaser und weitere entscheidene Beiträge für den LIGO-Detektor. Bei den vielen parallelen Veranstaltungen werden sich zweifellos die Medienberichte und Pressemitteilungen überschlagen. Ein Livestream wurde bisher nicht explizit angekündigt, wenn es aber – ab 16:30 MEZ – einen gibt, dann wird der am ehesten unter www.youtube.com/user/VideosatNSF/live zu sehen sein. Einen Live-Blog möchte Daniel Fischer auf Skyweek 2.0 anbieten und ich werde vermutlich auch einen starten.

Bei so einem Rummel schon im Vorfeld fragt man sich doch, was für interessante Ergebnisse die LIGO-Forscher morgen Nachmittag vorstellen werden. So eine Welle vorab wurde doch noch nicht mal vom CERN zur Bekanntgabe der Entdeckung des Higgs-Bosons gemacht. Und würde man selbst nach der fehlerhaften Interpretation der großen BICEP2-Entdeckung von indirekt nachgewiesenen Gravitationswellen des Urknalls immer noch leichtfertig eine solche Ankündigung – mit gleich 6 parallelen Pressekonferenzen – ansetzen? Viele in der Forschergemeinde sind deshalb schon davon überzeugt, dass morgen wirklich die Entdeckung von Gravitationswellen (es heißt mit einer Signifikanz von 5,1 Sigma) verkündet wird. Nach Jahrzehnten der Suche wäre es der erste direkte Nachweis (indirekt werden sie schon beobachtet), dass diese äußerst winzigen Wellen der Raumzeit tatsächlich existieren. Und das außerdem noch ziemlich exakt 100 Jahre nach Albert Einsteins Vorhersage, denn im Juni 1916 kam er durch den Briefwechsel mit Willem de Sitter auf die Idee von Gravitationswellen, die er in „Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation“ veröffentlichte. Der Nachweis von Gravitationswellen würde somit eine weitere fundamentale Bestätigung von Einsteins Gravitationstheorie (Allgemeine Relativitätstheorie = ART) liefern.

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Prinzip der Laser-Interferometrie bei der Suche nach Gravitationswellen

Da Gravitationswellen äußerst winzige Schwingungen sind, setzen die Physiker auf ultrapräzise Ingenieurskunst. Die beiden LIGO-Stationen sind jeweils nichts weiter als ein hochempfindliches Laser-Interferometer. Darin wird ein Laserstrahl (in der Animation ist die Quelle links) in zwei Strahlen aufgeteilt, die durch Spiegel am Ende wieder zusammengeführt werden. Dort am Ende löschen sich die Lichtwellen gegenseitig aus (destruktive Interferenz) und der Lichtdetektor (in der Animation unten) registriert kein Licht. Und das seit 2002. Wenn nun eine starke Gravitationswelle durch die jeweils 4 Kilometer langen Vakuumröhren mit den geteilten Laserstrahlen läuft, ändert sich die Länge der Interferometer-Arme um weniger als ein Tausendstel eines Protondurchmessers, so dass sich die Wellen des Laserlichts nicht gegenseitig auslöschen können und schließlich für den Photodetektor am Ende ein Licht angeht! Das macht sehr leicht deutlich, wie für diese Messungen Mikroseismik, Thermik und andere Störeffekte berücksichtigt werden müssen. Auch wenn die Längenänderungen in der obigen Animation natürlich übertrieben dargestellt sind, erklärt es das Funktionsprinzip von LIGO und den anderen Gravitationswellen-Interferometern (VIRGO bei Pisa, GEO600 bei Hannover) sehr gut. Nur wenn die Interferometer-Arme ungleich lang sind (z.b. durch Streckung und Stauchung infolge eines Durchgangs einer Gravitationswelle), wird ein Signal registriert.

Diese Winzigkeit (allein ein Proton ist nur 10-15 Meter groß) würde ein Signal liefern, das von extremen und massereichen Ereignissen am Nachthimmel berichtet. Gravitationswellen werden u.a. bei Sternkollisionen, wenn beispielsweise zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen, abgegeben. Und so ein Raumzeit-Beben durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher ist das extremste und stärkste Ergebnis im Universum! Bis zu 1056 erg/s bzw. 1049 Watt sollen dabei frei werden, und nicht mal   starke Gammastrahlenausbrüche (Gamma Ray Bursts = GRBs) mit 1044 Watt können da mithalten. Zum Vergleich: die Bewegung der Erde um die Sonne erzeugt gerade mal 200 Watt starke Gravitationswellen, wodurch unsere Umlaufbahn um 1,1*10-20 m/s schrumpft! „Jede Beschleunigung von Masse erzeugt Gravitationswellen, sogar meine Finger während ich eine E-Mail schreibe.“ Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher ist außerdem ein so extremes Phänomen, weil dabei keinerlei Form von Strahlung frei wird. Zumindest erwartet man das nicht, denn sonst wären Schwarze Löcher nicht schwarz. So unvorstellar gewaltig und energiereich so eine Kollision ist, gäbe sie weder optisches Licht, noch Gammastrahlung oder Radiostrahlung ab, so dass nur ihre Schwingungen der Raumzeit sie verraten würde – wenn der hochvakuumierte und ultrapräzise LIGO-Laser ein Signal aufgezeichnet hat.

Den bisherigen Hinweisen zufolge soll es bei der morgigen Pressekonferenz des LIGO-Projekts genau um so ein Gravitationswellen-Signal gehen. Das mögliche Signal soll von der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern (36 und 29 Sonnenmassen) stammen, wobei ganze 3 Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wurden. Des Weiteren wird auch schon über die Herkunft (im Gespräch sind die Sternbilder Schwertfisch, Widder und Wasserschlage) spekuliert. Tja, wird nun morgen Nachmittag wirklich die direkte Entdeckung von Gravitationswellen präsentiert? Außerdem könnte zugleich erstmals über ein „lichtloses Ereignis“ berichtet werden oder vielleicht werden wir sogar ein Schwarzes Loch hören. Zudem wäre es die erste direkte Beobachtung eines Schwarzen Lochs überhaupt! Denn bisher hat man sie nur indirekt durch ihren Einfluss auf die Umgebung nachgewiesen. Und zu guter Letzt würden gut 400 Jahre nach der Erfindung des Teleskops die Gravitationswellen zweifellos eine völlig neue Tür in der beobachtenden Astronomie aufstoßen – jenseits des elektromagnetischen Spektrums. Einige erste Male sind somit denkbar. Fazit: Gravitationswellen bestätigen nicht nur weiterhin Einsteins ART, sondern stützen u.a. unsere Theorien über Schwarze Löcher und können sogar bei der Suche nach Gravitonen helfen. Fragen über Fragen. Vermutungen über Vermutungen. Und in 24 Stunden wird endlich die Katze aus dem Sack gelassen.

10.02.2016

Wurden mit LIGO Gravitationswellen entdeckt?

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Ein enges Paar Schwarzer Löcher strahlt Gravitationswellen ab; Swinburne Astronomy Productions

Bislang war es nur ein vages Gerücht, das allerdings schon seit Monaten im Internet kursiert. Über Twitter hatte es Physiker und Kosmologe Lawrence Krauss in Umlauf gebracht: „Rumor of a gravitational wave detection at LIGO detector. Amazing if true. Will post details if it survives.“ Das war Ende September 2015, also gerade einmal eine Woche nach Beginn eines neuen Suchlaufs mit dem LIGO-Experiment. In der neuen Ausbaustufe – Advanced LIGO genannt – ist der Detektor immerhin 4x empfindlicher als beim Start von LIGO im Jahr 2002. Ist es also wirklich möglich, dass mit LIGO das erste Mal Gravitationswellen direkt beobachtet wurden? Wenn die jahrzehnte lange Suche nach diesen unvorstellbar winzigen Wellen der Raumzeit endlich Erfolg hätte, wäre das eine sensationelle Entdeckung und zugleich eine weitere fundamentale Bestätigung von Einsteins Gravitationstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART).

Doch was steckt nun hinter dem Gerücht? Aktuell sind die Hinweise, dass die Wissenschaftler mit LIGO tatsächlich etwas gefunden haben, durch eine eMail erheblich konkreter geworden. Cliff Burgess, ein theoretischer Physiker aus Kanada, erläutert darin: „The LIGO rumor seems real, and will apparently come out in Nature Feb 11, so keep your eyes out of it.“ Demnach soll mit beiden LIGO-Stationen ein Gravitationswellen-Signal empfangen worden sein, dass bei einer Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mit 36 und 29 Sonnenmassen entstanden ist. Das daraus resultierende Schwarze Loch soll eine Masse von 62 Sonnenmassen (bzw. 365 Kilometer Durchmesser nach Schwarzschild) besitzen, die restliche Masse – immerhin 3 Sonnenmassen – soll in Form von Gravitationswellen abgestrahlt worden sein. Zum Vergleich: Während die Erde gemütlich mit 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne läuft, werden nur durch diese Bewegung 200 Watt als Gravitationswellen abgestrahlt, bei der Verschmelzung des besagten binären Schwarzen Lochs liegt die Energie um 10 hoch 44 Größenordnungen höher. Wenn sich die Entdeckung (es wird eine Signifikanz von 5,1 Sigma angegeben) tatsächlich bewahrheiten sollte, wäre das ein weiterer sensationeller Triumph, und das auch rechtzeitig. Bei seinen Arbeiten zur Allgemeinen Relativitätstheorie stieß nämlich Albert Einstein vor 100 Jahren (genauer: im Juni 1916) auf die Gravitationswellen. Mit ihrem direkten Nachweis dürften sich einige Physiker hundertprozentig auf den Nobelpreis freuen. Der 1993 verliehene Nobelpreis für die Arbeit an einem relativitischen Doppelpulsar gilt gewissermaßen als indirekter Nachweis von Gravitationswellen.

Ein lesenswerter und sehr ausführlicher Blog-Beitrag zu den neuen Hinweisen zum vermuteten LIGO-Fund ist hier nachzulesen, auch Blogger-Kollege Florian Freistetter hat heute darüber geschrieben und hier wird gleich über drei angebliche Ursprungsorte am Himmel (Sternbilder Schwertfisch, Widder und Wasserschlange) spekuliert. Und wie es weiter dazu heißt, soll die LIGO-Entdeckung neben der „Nature“-Veröffentlichung außerdem auf einer Pressekonferenz (11. Februar um 16:40 MEZ) der Öffentlichkeit präsentiert werden. Tja, was auch immer das LIGO-Team am Donnerstag berichten wird, ich bin schon sehr gespannt darauf. Oder um es mit den Worten von Physiker Burgess zu sagen: „Woohoo! (I hope)“

[Update] Inzwischen wurde offiziell bestätigt, dass es am Donnerstag eine Pressekonferenz geben wird. So war heute Abend zu erfahren, dass parallel um 16:30 MEZ gleich an 4(!) Orten – in den USA (Washington), in Italien (beim VIRGO-Experiment nahe Pisa), in Großbritannien (London) und in Deutschland (Hannover) – Neuigkeiten zur Suche nach Gravitationswellen vorgestellt werden sollen.

08.02.2016

Wann wird man „Planet 9“ entdecken?

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Caltech, Robert Hurt (IPAC)

Seit gestern Nachmittag ist bei Twitter und Facebook die „Entdeckungsmeldung“ eines angeblichen neuen bzw. neunten Planeten das Thema überhaupt. Auch wenn die Medien wie leider so oft alles überzogen darstellen, muss man ganz einfach sagen: Fakt ist, dass man nichts beobachtet hat, sondern nur eine sorgfältig und überzeugend wissenschaftlich begündete Hypothese veröffentlicht hat. Mehr nicht. Damit unterscheidet sich diese Arbeit schon einmal von den sonstigen Meldungen um einen angeblichen Planeten X jenseits des Neptun, die seit Jahrzehnten immer wieder aus der Schublade geholt werden. Ohne die üblichen medialen Übertreibungen wird der Stand der Dinge u.a. sehr schön bei „Abenteuer Astronomie“ („Ein dicker Planet weit draußen im Sonnensystem?“) und im Blog von Astronom Florian Freistetter („Einige Informationen zur Entdeckung des „neuen“ Planeten in unserem Sonnensystem“) zusammengefasst.

Zwei Forscher untersuchten die Umlaufbahnen einige der fernsten Objekte, die bislang im Sonnensystem bekannt sind und fanden schließlich, dass sie seltsamerweise alle in eine Richtung zeigen (wie in der Grafik oben und hier zu sehen). Dieser Fund ist die Grundlage dieser neuen Theorie. Wie die beiden Autoren in ihrer Veröffentlichung schreiben, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit (eine echte Entdeckung ist dennoch nicht) so eine merkwürdige Ausrichtung der Umlaufbahnen nicht mit Zufall erklärbar und postulieren deshalb einen dynamischen Ursprung mit einem neuen Planeten als Verursacher. Es wurde die Orientierung und ungefähr die Ausdehnung der Umlaufbahn dieses „Planeten 9“ sowie seine etwaige Masse (um 10 Erdmassen) abgeleitet. Demnach befindet sich der vermutete Planet genau wie die anderen Objekte dieser Untersuchung sehr weit jenseits des Neptun bzw. des Kuiper-Gürtel genannten äußeren Asteroidengürtels. Während Neptun einen Abstand von 30 Astronomischen Einheiten (AE = 150 Milliaren Kilometer) zur Sonne hat, wäre „Planet 9“ um die 700 AE von ihr entfernt. Ein Umlauf um unseren Heimatstern würde somit zwischen 10.000 und 20.000 Jahren dauern. Das ist auch so ziemlich alles, was man bisher über das hypothetische Objekt sagen kann. Man weiß also weder, ob es ein Gesteinsplanet oder ein Gasplanet ist, noch welche Helligkeit es hat (von 18 bis 24mag ist alles möglich) oder wo es herkommt.

Kann man überhaupt solch eine eisige Welt so weit draußen im Sonnensystem entdecken? Mit den heutigen Mitteln ist das wohl sehr unwahrscheinlich, also müssen neue Instrumente her. Zu dieser Suche äußert sich Mike Brown, einer der Autoren dieser Arbeit, sehr ausführlich in diesem Artikel. Darin schätzt er die Größe von „Planet 9“ auf den 2- bis 4-fachen Durchmesser der Erde. „Such an object seems likely to be an ejected ice giant core, thus we assume that the size of Planet Nine is between about 2 times the radius of the Earth and 4 times the radius of the Earth, in keeping with observations of exoplanets of similar mass. We further assume that Planet Nine looks like Neptune and has a similar albedo.“ Außerdem geht er darauf ein, warum mit aktuellen Projekten wie WISE, PanSTARRS oder Catalina nichts gefunden wurde. Ein Nachweis mit heutiger Technik wäre am ehesten möglich, wenn sich der äußerst lichtschwache „Planet 9“ am sonnennähsten Punkt seiner Umlaufbahn befindet. Wenn er sich eher am sonnenfernsten Punkt, der sich zudem im Milchstraßenband befindet, aufhält, ist es nicht sehr wahrscheinlich, dass man das Objekt in den nächsten Jahren oder sogar Jahrzehnten finden wird. Problematisch ist aber nicht nur die sehr geringe Helligkeit, sondern auch die äußerst geringe Bewegung (bei weniger als 1 Bogensekunde pro Stunde sehen die meisten Durchmusterungen deshalb nur einen stationären Stern).

So bleibt vorerst festzuhalten: „So where is it? Probably distant. 500 AU+. Probably fainter than 22nd magnitude. Very possibly in the middle of the Milky Way galaxy.“

21.01.2016

[Nachtrag] Das auf Hawaii stehende 8 Meter große Subaru-Teleskop, das mit der leistungsfähigen HSC-Kamera (Hyper Suprime Cam) ausgestattet ist, hält sich für die weitere Suche bereit. Denn bisher wurde damit nichts gefunden, wie Mike Brown berichtet: „Brown und Batygin haben nach ihrem Ziel mit dem Subaru-Teleskop auf Hawaii gesucht – bislang erfolglos. Mit dem Large Synoptic Survey Telescope (LSST) in Chile bestünden allerdings gute Chance, ihn zu erfassen, wenn das Instrument in wenigen Jahren in Betrieb geht, so Brown.“ Die wissenschaftliche Arbeit mit dem LSST soll allerdings erst 2022 anlaufen.

Mit „Pale Red Dot“ live bei einer Exoplaneten-Jagd dabei

Pale Red Dot

20 Jahre ist es nun her, dass erstmals Planeten um andere sonnenähnliche Sterne – sog. extrasolare Planeten oder kurz Exoplaneten – entdeckt wurden. Dazu befasst sich übrigens auch meine Titelgeschichte „Ein Himmel voller Planeten“ für Ausgabe 1 von „Abenteuer Astronomie“, die am 22. Januar erscheint. Oft wird bei diesem populären Thema gefragt, wie man Exoplaneten eigentlich findet und beobachtet, da sie doch um viele Größenklassen von der Helligkeit ihrer Heimatsonne hoffnungslos überstrahlt werden. Mit welchen Techniken gehen Astronomen heute auf die Suche nach Exoplaneten? Dazu hat sich die ESO, die führende europäische Organisation für astronomische Forschung, eine Kampagne ausgedacht, die am gestrigen 15. Januar startete und bis Anfang April laufen soll. In Anlehnung an das bekannte Foto „Pale Blue Dot“ wurde das ESO-Projekt „Pale Red Dot“ genannt. Ziel dieser Kampagne ist es, auf die Suche nach einem Exoplaneten zu gehen und die Öffentlichkeit live daran teil haben zu lassen. Über Social Media (bei Facebook und bei Twitter inkl. Hashtag #PaleRedDot) und Beiträgen in einem Projektblog unter der Adresse www.palereddot.org kann jeder bei einer echten Planetenjagd dabei zu sein. Projektkoordinator Guillem Anglada-Escude erklärt: „Wir wollen das Spannende an der Suche mit den Leuten teilen und ihnen zeigen, wie Wisenschaft hinter den Kulissen funktioniert, den Prozess von Versuch und Irrtum und die Anstrengungen, die notwendig sind, um zu Entdeckungen zu kommen, von denen die Leute normalerweise in den Nachrichten hören.“

Das Ziel dieser einzigartigen Beobachtungskampagne lautet Proxima Centauri, mit 4,25 Lichtjahren Entfernung der nächste Stern überhaupt. Dabei handelt es sich um einen kleinen roten Zwergstern (0,12 Sonnenmassen, Durchmesser: 200.000 Kilometer (halber Abstand Erde-Mond)), der über die nächsten Wochen und Monate beobachtet werden soll; abschließend werden die Ergebnisse Ende des Jahres in einem Fachartikel veröffentlicht. Die Suche wird mit dem 3,6-Meter-Teleskop des La Silla Observatory mit dem leistungsfähigen HARPS-Spektrografen zusammen mit weiteren Instrumenten zweier Teleskopnetzwerke (BOOTES und LCOGT) durchgeführt. Im Vordergrund dieses Projekts steht nicht so sehr die Entdeckung eines Exoplaneten, sondern das Motto: Der Weg ist das Ziel. Denn immerhin besteht die Möglichkeit, dass auch nichts gefunden wird und das ist auch den Astronomen bewusst. Aber so wird schließlich Forschung gemacht, was dieses Vorhaben zeigen soll. Beispielsweise hätte es ja auch genauso gut sein können, dass selbst mit dem gigantischen Teilchenbeschleuniger LHC am CERN kein Higgs-Teilchen nachgewiesen wird. „Wir gehen das Risiko ein, die Öffentlichkeit zu beteiligen, noch bevor wir überhaupt wissen, was uns die Beobachtungen sagen werden – wir können die Daten nicht in Echtzeit analysieren und bewerten“, so der Projektkoordinator weiter. Wie das Resultat von Proxima Centauri aussieht, werden wir also erst Ende 2016 erfahren. Spannend ist es auf jeden Fall auf diese Weise einmal Astronomen bei einer Beobachtungskampagne zuzuschauen – egal was dabei rauskommt. Morgen beginnen die Beobachtungen mit dem 3,6-Meter-Teleskop.

16.01.2016


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