Einsteins Gravitationswellen:von Atomkernen und Neutronensternen

Hendrik van Hees

Goethe University Frankfurt

05. Dezember 2018

CRC - TR

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Outline

1 Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie

2 Schwarze Löcher und Gravitationswellen

3 Kollidierende Neutronensterne und Kernphysik

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Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie

Ausgangspunkt: Alle Körper fallen gleich schnell

Äquivalenz von träger und schwerer Masse

Relativitätstheorie⇒ Gravitation = Krümmung der Raumzeit

Energie-Verteilung⇔ Krümmung der Raumzeit

Krümmung der Raumzeit⇔ Bewegung frei fallender (Himmels-)Körper

Newton: Bahnkurven der Planetengeschlossene Ellipsen

Einstein: Perihel (sonnennächster Punkt)dreht sich

bekannt für Merkur seit 19. Jh.43” pro Jahrhundert!

[Wikipedia: Von Stündle and Mpfiz - File:Perihelion precession.svg (PD), CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14536622]

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Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie

Lichtablenkung durch Gravitation

Lichtablenkung an Sonne um 1,75”

zuerst von Eddington nachgewiesen (1919)

ART korrekt⇒ Einstein „1. Popstar der Physik“

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Schwarze Löcher

1916: Karl Schwarzschild: Lösung der Einsteingleichungen fürrotationssymmetrische Massenverteilung

Ereignishorizont: Radius um Masse, ab dem nichts mehr derGravitationsanziehung entkommt

auch nicht das Licht!

[Wikpedia: Von AllenMcC. - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3871398]

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Gravitationswellen

[Quelle: NASA]

Vorhersage der ART (Einstein 1916):umkreisende Doppelsternsystemesenden Gravitationswellen aus

verlieren Energie⇒Umlaufzeiten werden kürzer

Nobelpreis 1993 für Hulse und Taylor

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Breakthrough: Direkter Nachweis von Gravitationswellen

14. September 2015:erster direkter Nachweis eines Gravitationswellensignals!

zwei Detektoren der LIGO-Kollaboration

Gravitationswelle bringt Probemassen zum Schwingen

Nachweis durch Lichtschwankungen im Photodetektor

Nobelpreis 2017 an Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish

test mass

test mass

test mass

test masslight storage arm

light storage arm

photodetector

laser

beamsplitter

[Wikipedia: Von Ligo.gif: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18325956]

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Breakthrough: Direkter Nachweis von Gravitationswellen

Quelle: zwei umkreisende schwarze Löcherstrahlen Gravitationswellen abam Ende Zusammenprall und VereinigungRest: neues schwarzes Loch

Str

ain

(1

0-2

1)

Fre

quency

(H

z)

Hanford, Washington (H1) Livingston, Louisiana (L1)

Time (s) Time (s)

Norm

aliz

ed

am

plit

ud

e

Residual

H1 observed

Residual

Numerical relativity

Reconstructed (wavelet)Reconstructed (template)

Numerical relativity

L1 observed

Reconstructed (wavelet)

H1 observed (shifted, inverted)

Reconstructed (template)

512

256

128

64

0.5

1.0

0.5

32

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

0.0

-0.5

0.0

-0.5

-1.0

0.30 0.35 0.40 0.45 0.30 0.35 0.40 0,45

[Wikipedia: Von B. P. Abbott et al. (LIGO and Virgo Coll.) http://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102]

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Neutronensterne

Sterne (z.B. Sonne):stabil durch Balance zwischen Gravitation und GasdruckEnergieproduktion durch Kernfusion

produziert schwere Atomkerne bis zum Eisen

wenn „Brennstoff“ verbraucht: Kollaps

in bestimmtem Massenbereich: Neutronenstern (Dichte ∼ 4 ·1017kg/m3!)

[Wikipedia: Von Robert Schulze - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11364464]

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Neutronensterne

Masse-Radius-Beziehung⇔ Zustandsgleichung der Kernmaterie

im Labor: relativistische Kollisionen von Atomkernen bei LHC am CERN,RHIC auf Long Island, GSI/FAIR in Darmstadt

Quarks und Gluonen: elementare Bestandteile von Proton und Neutron

0.0µ

N

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

T [

Ge

V] SPS

AGS

SIS

RHIC

Kerne

Hadrongas

〈q̄q〉 6= 0 〈qq〉 6= 0

Quark-Gluon-Plasma

krit.

Punkt

〈q̄q〉 = 〈qq〉 = 0

1

.

O

r

d

n

u

n

g

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Neutronensterne

möglicheNeutronensternmassen⇔Zustandsgl. Kernmaterie

Berechnungen: ART +Zustandsgleichung!

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Neutronensternkollisionen

17.08.2017: Gravitationswellen von Neutronensternkollision („Kilonova“)

Quelle konnte lokalisiert werden

auch elektromagnetische Wellen (Licht, Röntgen-, γ-Strahlen)

„Multimessenger Astronomy“neuer Blick ins UniversumGravitationswellensignal⇔ sensitiv aus Zustandsgleichung der KernmaterieKilonovae⇒Quellen von hochenergetischen „Röntgenblitzen (γ Ray Bursts)“Produktion der schweren Elemente > Eisen, z.B. Goldwird an der Goethe-Uni interdisziplinär erforscht!

[Wikipedia: Von University of Warwick/Mark Garlick, CC-BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63436916]

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Zusammenfassung

Einsteins Gravitationswellen aus Kollisionen von schwarzen Löchernund/oder Neutronensternen

Multimessenger AstronomieHochpräzisionstests der ART bei starken Gravitationsfeldernneue Einsichten über Zustandsgleichung der KernmaterieErklärung für „γ-ray burstsNeutronensternkollisionen („Kilonovae“) Quellen der schweren Elementehochaktuelles internationales Forschungsgebietinterdisziplinär zwischen Astronomie, Gravitations-, Kern- und Teilchenphysik

Goethe-Uni:Theoretische Kern- und Astrophysik; experimentelle Kern-/Schwerionenphysik

Weblinks an der GUInstitut für Theoretische PhysikCRC-TR 211Astro-Physik@GUExperimentelle Astro-PhysikInstitut für Kernphysik

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