Einsteins Gravitationswellen:von Atomkernen und Neutronensternen
Hendrik van Hees
Goethe University Frankfurt
05. Dezember 2018
CRC - TR
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 1 / 13
Outline
1 Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie
2 Schwarze Löcher und Gravitationswellen
3 Kollidierende Neutronensterne und Kernphysik
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 2 / 13
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]
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 3 / 13
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie
Lichtablenkung durch Gravitation
Lichtablenkung an Sonne um 1,75”
zuerst von Eddington nachgewiesen (1919)
ART korrekt⇒ Einstein „1. Popstar der Physik“
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 4 / 13
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]
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 5 / 13
Gravitationswellen
[Quelle: NASA]
Vorhersage der ART (Einstein 1916):umkreisende Doppelsternsystemesenden Gravitationswellen aus
verlieren Energie⇒Umlaufzeiten werden kürzer
Nobelpreis 1993 für Hulse und Taylor
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 6 / 13
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]
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 7 / 13
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]
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 8 / 13
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]
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 9 / 13
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
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 10 / 13
Neutronensterne
möglicheNeutronensternmassen⇔Zustandsgl. Kernmaterie
Berechnungen: ART +Zustandsgleichung!
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 11 / 13
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]
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 12 / 13
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
Hendrik van Hees (Einstein, Kerne und Sterne) Dileptons in HICs 05. Dezember 2018 13 / 13