Kategorie: Den Schwarzen Löchern entgegen

Die Reise zu den Schwarzen Löchern, Station 1, Der Mann in der Wanne


Liebe Leser*innen,

Vor einigen Wochen erhielt ich plötzlich eine Mail von meinem alten Schulfreund Oli aus Marburg. Von 1989 – 1992 besuchten wir gemeinsam die Oberstufe der Blindenstudienanstalt in Marburg zwar auf unterschiedlichen Schulzweigen, aber so kam es, dass wir doch manche Kurse gemeinsam belegten. Ganz besonders sind mir die gemeinsamen Physik-Kurse in der 12 und in der 13 in Erinnerung. Ein Kurs drehte sich sogar um Grundlagen der Astronomie, insbesondere der Himmelsmechanik. Oli verschlug es dann in die Psychologie und mich in die Informatik. Ich trieb von uns beiden die Astronomie aber einfach bis heute weiter. Oli gedachte meiner und fragte mich an, ob ich mir vorstellen könne, für die Fachgruppe Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (MINT) des Selbsthilfevereins Deutschen Verein für Blinde und Sehbehinderte in Studium und Beruf (DVBS) einen Astronomie-Vortrag halten würde. Sie wollten gerne mal etwas über das übliche MINT hinaus anbieten. Er schlug das Thema Schwarze Löcher vor. Da ich noch nie einen Vortrag darüber hielt, nahm ich diese Herausforderung gerne an. Für mich war es eine Gelegenheit, mich mal systematisch an dieses Thema heran zu wagen und mich daran zu versuchen, dieses populärwissenschaftlich zu vermitteln. Dazu kam natürlich der Umstand, dass momentan ja noch alles online stattfinden muss. Auch mit Folien konnte ich an dieser Stelle nicht arbeiten, weil viele der teilnehmenden Menschen sie sowieso nicht hätten sehen können. Natürlich habe ich im Laufe meiner 30jährigen Astronomie-Tätigkeit schon einiges über diese schwarzen „Monster“ gelesen, aber ich merkte sehr bald schon, dass es gar nicht so einfach ist, sich dieser Dinger Schritt für Schritt zu nähern.
Mich trieben die Fragen um:

  • Welche Grundlagen sind für das Verständnis nötig?
  • Was kann man voraus setzen?
  • Was muss man erklären?
  • Wie gehe ich den Spagat, so viel Mathematik wie nötig, aber so wenig wie möglich einzusetzen? Den musste ich dringend finden, denn bis auf wenige Tatsachen spreche ich die Sprache der Mathematik selbst zu schlecht, um Einstein in seinen Einzelheiten je verstehen zu können.

Ein grundsätzliches Prinzip meiner Vorträge ist, dass ich nur wenig ansprechen möchte, das ich nur ablesen müsste, weil ich es selbst nicht besser weiß. Somit vermittle ich nur das, was ich selbst verstanden habe und zeige immer an, wo mein Verständnis aufhört. Alles andere wäre unehrlich und unfair. Also stürzte ich mich in mein Archiv, in meine Bücher, auf meine Artikel und suchte zusammen, was passen könnte.

Warum es eine Serie wird

Das Interesse der Teilnehmenden war nach dem Vortrag so groß, dass ich mich dazu breit schlagen ließ, ihnen etwas aus meiner Stichwortliste, mit der ich den Vortrag hielt, anzubieten, damit sie es nochmal nachlesen könnten. Ich ahnte nicht, worauf ich mich da einließ.

Bald schon merkte ich, dass das, was wir in diesen fast drei Stunden streiften, auf keinen Fall in einen einzigen Artikel auf dem Blog passen würde.
Aus diesem Grund entschied ich mich für eine Serie von Artikeln, die die Reise zu den schwarzen Löchern beschreiben wird.
Dies ist nun Station 1.

Fangen wir bei den alten Griechen an.

Die Legende

Alles beginnt mit einem Ausruf.
„Heurek!!!a“ ist altgriechisch und heißt „Ich habe [es] gefunden“. Der Spruch ist vor allem im Zusammenhang mit Archimedes von Syrakus überliefert und bekannt. Er lebte um 200 v. Chr. und war Hofmathematiker am Hofe des Königs Hieron II
Archimedes hatte die Aufgabe, den Goldgehalt einer vom seines Herrscher den Göttern geweihten Krone zu prüfen, ohne sie jedoch zu beschädigen. Der König verdächtigte den Goldschmied, ihn betrogen zu haben.

Archimedes soll der Legende nach die Lösung, das Archimedische Prinzip genannt, beim Baden entdeckt haben. Aus seiner randvollen Wanne sei jene Wassermenge ausgelaufen, die er beim Hineinsteigen ins Bad mit seinem Körpervolumen verdrängte. Glücklich über seine Entdeckung soll er mit oben erwähnten Ausruf „Heureka!“ nackt auf die Straße gelaufen sein.
Ob die Legende stimmt, weiß man nicht genau. Es gibt durchaus Kritiker, die bezweifeln, ob man damals mit den Möglichkeiten der Volumens- und Gewichtsmessung schon auf dieses Archimedische Prinzip hätte kommen können.

Er entdeckte, dass er mit seinem Körper Wasser verdrängte, weshalb die Wanne überlief. Aus der Tatsache heraus, dass er dennoch nicht unterging, sondern schwamm, schloss er vermutlich, dass die verdrängte Wassermenge genau seinem Körpergewicht entsprechen sollte.
Und da kam ihm die Idee zur Lösung seiner Aufgabe, die er offenbar im Trockenen mit einer normalen Balkenwaage nicht lösen konnte. Die war damals sicherlich schon bekannt, denn man musste für den Handel schon immer Massen verschiedener Güter und deren Mengen miteinander vergleichen und deren Wert gegeneinander aufrechnen. Selbstverständlich war auch bekannt, dass alle Dinge etwas wiegen, also ein Gewicht, eine Masse besitzen. Und das tat Archimedes, um die Krone zu wiegen.

Der Versuch

Der König wusste, zu welchen Anteilen die Krone aus Silber und zu welchen sie aus Gold bestehen musste, denn er hatte sie ja nach seinen Vorgaben bei einem Goldschmied, dem er misstraute in Auftrag gegeben.

Archimedes nahm nun die Krone und jeweils einen Gold- und einen Silberbarren, die beide zusammen dem Gewicht der Krone und dem Mischungsverhältnis des in der Krone enthaltenen Gold und Silbers entsprachen.
Um nun die gestellte Aufgabe zu lösen, tauchte Archimedes zunächst die Krone und dann nacheinander den Gold- und den Silberbarren, die zusammen dem Gewicht der Krone entsprachen in ein randvolles Gefäß mit Wasser.
Nun maß er die Menge des überlaufenden Wassers. Die Krone verdrängte mehr Wasser als die beiden Barren. Dadurch war bewiesen, dass die Krone ein kleineres spezifisches Gewicht hatte und daher nicht ganz aus der Metallmischung gefertigt war, als der König es in Auftrag gegeben hatte.
Vielleicht setzte er auch zum Gegenversuch eine Balkenwaage ins Wasser, auf deren einen Seite die Krone und auf deren anderer Seite die zwei Barren lagen. Krone und Barren wogen also an Land gleich viel. Den Ausschlag für den Fehler gab also das unsichtbare unterschiedliche Volumen.

Ob die Legende jetzt stimmt, oder nicht. Für uns ist sie von höchster Bedeutung.

Masse und Volumen

Sie zeigt uns den Zusammenhang zwischen der Masse eines Körpers und dessen Volumen, der Dichte.
Dass Dinge unterschiedlich viel wiegen, kennen wir aus unserem Alltag. Vergleicht man zwei Körper des selben Materials, so ist klar, dass der schwerere von beiden auch der größere sein muss. Bei der Krone war das eben nicht so klar. Der Rauminhalt einer Krone ist unmöglich mit dem zweier Metallbarren zu vergleichen. Wasser, das sich flüssig um die Körper schmiegt, macht den Vergleich dann doch möglich.
Wegen dieses Vergleichs-Problems, hat man ein Maß (Masse pro Volumen), die Dichte eingeführt, um spezivische Gewichte miteinander vergleichen zu können.
Da Archimedes wusste, aus wieviel Gold und wieviel Silber die Krone bestehen sollte, und seine Waage auf dem Trockenen scheinbar Krone und Barren im Gleichgewicht anzeigte, versuchte er es mit wasser.

Er fand, wir erinnern uns, in seiner Badewanne heraus, dass ein Gegenstand in Wasser geworfen nur so viel Wasser verdrängen kann, das seinem eigenen Gewicht entspricht. Dabei hängt die Verdrängung vom Volumen des Körpers ab. Ein Schiff schwimmt, weil sein Volumen sehr groß ist. Würde man einen Stahlklumpen in Wasser geben, der dem Gewicht des Schiffes entspricht, so ginge er unter, weil sein kompaktes Volumen nicht in der Lage wäre, die Menge Wassers zu verdrängen, die seinem Gewicht entspräche.

Ob etwas schwimmt, schwebt oder sinkt, hängt somit nicht nur von der Masse ab, sondern auch vom Volumen.
Wasser gab man nun die Dichte 1. Ein Liter wasser wiegt ein Kilogramm und nimmt das Volumen von 10 * 10 * 10 =1000 $cm^3$ bei Raumtemperatur ein.
Ein Kubikmeter Luft wiegt dagegen 1,225 kg pro m³, bei Normaldruck und Raumtemperatur.
Der Gasriese Saturn mit seinen schönen Ringen würde mit seiner Dichte von 687 kg/m³ in archimedesens Badewanne schwimmen. Bei Gasen nimmt man oft die Maßeinheiten kg und M*3, weil man sich dadurch viele Nullen hinter dem Dezimalpunkt spart.

Die Volumina aller Körper, ob fest, flüssig oder gasförmig sind abhängig von ihrer Umgebungstemperatur.
Insbesondere Gase dehnen sich pro 1 Kelvin um etwa 1/273 ihres Volumen aus, bzw. ziehen sich zusammen bei Abkühlung.

So weit, so gut. Archimedes konnte jetzt Massen mit Wasser vergleichen. und das irdische Gewicht von Körpern auf der Erde bestimmen. Aber Masse an sich und vor allem über die Schwerkraft wusste er wenig.

Gravitation – Die Kraft zur Masse

Masse, Volumen und Gravitation sind, wie wir auf unserer Reise zu den Schwarzen Löchern noch sehen werden, eng miteinander verwoben. Deshalb lade ich euch zum Schluss dieses Artikels dazu ein, die zur Masse gehörende würdige Kraft, die heimliche Herrscherin des Universums, näher kennen zu lernen.
Ich empfehle, dass ihr euch mit dieser Dame mit unten stehendem Link etwas vertraut macht,
da wir die Inhalte des Artikels für unsere nächsten Stationen voraussetzen, um nicht alles wiederholen zu müssen.
Zur heimlichen Herrscherin geht es hier lang.

Abspann

Archimedes war auch noch in anderen Disziplinen ein großes Genie. Von Physik, Mathematik, Geometrie und Berechnungen von Volumina bis zum Bau von Flaschenzügen und Kriegsmaschinen befasste er sich quasi mit allem.
„Gib mir einen Punkt, wo ich hintreten kann, und ich bewege die Erde“ – So soll er sein Hebelgesetz veranschaulicht haben, belegt in Pappos „Synagoge“, einer Sammlung mathematischer Abhandlungen.
„Störe meine Kreise nicht“  ist eine Redewendung, die wir bis heute in mehrdeutiger Hinsicht benutzen und die der Legende nach auf Archimedes zurück geht.
Dieser Legende nach war er eines Tages damit beschäftigt, geometrische Figuren in den Sand zu zeichnen, als die Römer anrückten, um ihn festzunehmen. Archimedes war jedoch so sehr in seine Aufgabe versunken, dass er barsch mit dem Satz reagierte: Störe meine Kreise nicht. Dies machte einen der Soldaten so zornig, dass er den alten Mann erschlug.

So, meine lieben, das war die erste Station auf unserer langen Reise zu den schwarzen Löchern. Station 2 wird uns ins vereinigte Königreich und ins Italien des ausgehenden Mittelalters führen.

Dort werden wir u. A. erfahren, wie man Planeten und Sterne wiegt.

Was Einstein vor einhundert Jahren weltberühmt machen sollte


Liebe Leserinnen und Leser,

In diesem Jahr jährt sich ein Ereignis zum hundertsten male, das Albert Einstein auf einen Schlag weltberühmt machen sollte.
Am 14.12.1919 brachte die Berliner ilustrierte Zeitung auf ihrer Titelseite das Portrait Albert Einsteins und schrieb:

„Eine neue Größe der Weltgeschichte, Albert Einstein, dessen Forschungen eine völlige Umwälzung unserer Naturbetrachtung bedeutet, und den Erkenntnissen eines Kopernikus, Kepler und Newton gleichwertig sind,“
Dieser Einstein war in das Interesse der Medien gerückt. Schuld daran war eine Sonnenfinsternis. Aber alles der Reihe nach.

Im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern und den Gravitationswellen, haben wir uns schon dann und wann mit Einsteins Relativitätstheorie beschäftigt.
Diese Theorie besagt, dass Objekte sich nicht anziehen, sondern den Raum so umgestalten, dass sie sich durch ihre Gravitation aufeinander zu bewegen.
Oft wird, um dieses zu erklären, ein Gummituch als Vergleich herangezogen, das sich, wenn man zwei Kugeln auf das gespannte Tuch legt, so eindrückt, dass die leichtere Kugel auf die schwerere Kugel zurollt.
Das sieht dann so aus, als würden sich die beiden Kugeln anziehen.
Wer schon mal mit jemandem eine Luftmadratze oder ein Wasserbett geteilt hat, weiß, was ich meine.

Ändert sich der Raum, dann ändert sich auch dessen Geometrie. In unserem Alltag ist die Raumgeometrie flach. Das bedeutet, dass ein Dreieck eine Winkelsumme von 180 Grad besitzt.
Auf einer Kugel kann man drei Linien sich rechtwinklig so schneiden lassen, dass man ein Dreieck mit drei rechten Winkeln, also 270 Grad als Winkelsumme bekommt.
Stellt euch z. B. einen Globus mit seinem Äquator vor. Nun wählen wir uns einen Längengrad, z. B. den Null-Meridian. Wir führen ihn auf dem Globus weiter, bis sich die Linie schließt. Nun nehmen wir einen weiteren Längengrad, der an den Polen mit dem ersten einen Winkel von 90 Grad bildet. Das tuen die beiden Längengrade mit dem Äquator auch,
Und siehe da. Wir haben Dreiecke mit drei rechten winkeln.
Ein Dreieck auf einer quasi negativ gewölbten Oberfläche, z. B. einem Sattel, hat eine Winkelsumme, die kleiner als 180 Grad ist.
Im flachen Vakuum breitet sich Licht geradlinig mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit (C =300000 km/s) aus. Ist der Raum geometrisch anders gekrümmt, muss sich auch das Licht auf gekrümmten Linien bewegen. Ein Weg von A nach B wird dann von einer Gerade zu einer Geodäten.
Wir empfinden das zwar nicht so, aber ein ewig langer Highway ist keine Gerade, weil er auf die gekrümmte Erdkugel gespannt ist.
Ein auf ihm fahrendes Auto muss dieser Krümmung folgen.

Wenn es stimmt, dass große Massen den Raum, bzw. die Raumzeit krümmen, sollte sich das anhand von Licht in der Nähe großer Massen, nachweisen lassen.
Gesucht wurde ein Objekt, das eine große Masse besitzt, aber entweder selbst nicht leuchtet, bzw. dessen Licht durch etwas anderes verdeckt wird.
Eine Sonnenfinsternis schien dazu geeignet, weil die Sonne eine große Masse besitzt und der mond manchmal dazu in der Lage ist, ihren alles überstrahlenden Lichterglanz abzudecken, damit zum Vorschein kommt, was in ihrer unmittelbaren Umgebung leuchtet und normalerweise durch ihren Glanz nicht sichtbar ist. Das sind die Korona und die Sterne am Taghimmel.
Ihr eigenes Licht wird zum Zeitpunkt der Totalität komplett vom Mond verdeckt. Aber ihre im Vergleich zur Erde riesige Masse, sollte das Sternenlicht, das in ihrer Nähe vorbei geht, leicht verzerren, weil in ihrer Nähe durch ihre Masse die Raumzeit oder auch der Raum gekrümmt werden sollte.

Einstein schlug diese Idee des Nachweises vor und gab sogar eine Grad-Zahl an, um wie viel Bruchteile einer Bogensekunde die Sterne zu ihrer sonstigen Position verschoben sein sollten. Er gab zunächst 0,875 Bogensekunden an. Betrachtete man ein Eurostück aus einer Entfernung von fünf Kilometern, betrüge sein Winkel von Rand zu Rand ungefähr diesen Wert.
Dieser Wert entsprach ungefähr dem, welchen man auch mit Newtons Himmelsmechanik berechnen konnte.

Das Schwerkraft Lichtstrahlen krümmen könnte, wurde schon 200 Jahre vor Einstein von dem Englischen gelehrten und Priester John Mitchell, vermutet.
Nachweisen konnte er aber seine Vermutung noch nicht.
Mitchell ging sogar noch weiter. Er rechnete mit Newtons Gravitationsgesetzen herum und schrieb im Jahre 1783 an den Physiker Henry Cavendish:
„Wenn der Halbmesser einer Kugel, welche die gleiche Dichte hat, wie die Sonne, fünfhundert mal so groß ist, wie der Halbmesser der Sonne, dann wird ein Körper, der aus unendlicher Höhe auf sie fallen würde, an ihrer Oberfläche eine Geschwindigkeit besitzen, die größer, als die des Lichtes ist.“
Na, wenn das nicht schon leicht nach einem schwarzen Loch riecht…

Die Idee, dass Licht durch Massen abgelenkt werden könnte, passte auch hervorragend zu Newtons Vorstellung der Beschaffenheit des Lichts. Er dachte, dass Licht aus winzigen farbigen Teilchen bestünde, die man ob ihrer Kleinheit und Schnelligkeit nicht einzeln wahrzunehmen im Stande sei. Diese sollten dann aber auch eine gewisse Masse haben und somit auch von anderen großen Massen auf ihrem geraden Wege, abgelenkt werden.
Auch Newton konnte seine Idee weder beweisen, noch berechnen, weil er nicht wusste, was seine Lichtteilchen wögen und ihm Möglichkeiten fehlten seine Vorstellung wenigstens experimentell zu beweisen.

Soweit also die Idee, die Ablenkung des Lichtes durch große Massen mittels einer Sonnenfinsternis nachweisen zu wollen.
Ob das Licht nun durch große Massen deshalb abgelenkt wird, weil seine Teilchen nach Newton auch Masse tragen, oder durch Einsteins Idee mit der Raumkrümmung in Anwesenheit großer Massen, funktionieren sollte diese Idee mit dem Nachweis durch eine Sonnenfinsternis so oder so, unabhängig davon, welche Vorstellung man zugrunde legt

Diese Beobachtung würde aber noch nicht beweisen, ob Newton, oder Einstein mit ihren Ideen als Grund, richtig lagen.

Die erste Möglichkeit der Beobachtung einer Sonnenfinsternis, ergab sich 1912 in Brasilien. Diese viel aber wegen Wolken und Regen ins Wasser.

Die nächste war am 21.08.1914 in Russland. Doch drei Wochen zuvor brach der erste Weltkrieg aus. Die deutschen Astronomen, die mit ihrem Gerät bereits in Russland waren, wurden interniert und deren Geräte beschlagnahmt.

1915 hatte Albert Einstein seine relativitätstheorie vervollkommnet und bemerkt, dass die Ablenkung ungefähr doppelt so hoch sein könnte.

Die Möglichkeit einer Überprüfung, einsteins neuestem Werts ergab sich am 29.03.1919 von der Insel Principe vor der Küste spanisch Guineas aus.
Wenn man bedenkt, dass der deutsche Einstein für die Engländer ein Feind war, ist es um so bemerkenswerter, dass sie diese Expedition vorbereiteten und durchführten.
Unter der Leitung des großen britischen Astronomen Athur Edington, wurde das Sternenfeld, in welchem die Finsternis stattfinden würde, bereits ein halbes Jahr vor dem Ereignis fotografiert, als es noch am Nachthimmel zu sehen war, um Vergleichsaufnahmen für die während der Finsternis gemachten Bilder zu haben.

Eine weitere englische Expedition beobachtete das Ereignis von Brasilien aus.

Beide Expeditionen fanden die Ablenkung des Sternenlichts und somit Einsteins Theorie bestätigt.
Und so war spätestens im November 1919 Einstein ein berühmter Mann geworden, dass sogar die Newyork Times über seine Entdeckung berichtete.

Heute, wo wir über wesentlich empfindlichere und bessere Teleskope verfügen, ist auch an anderer Stelle nachgewiesen worden, dass Einstein recht hatte. Muss beispielsweise das Licht einer Galaxie durch eine andere, vor ihr liegenden hindurch, ehe es zu uns gelangt, so krümmt die riesige Masse dieser Galaxie das Licht der dahinter liegenden derart, dass sie wie eine Linse wirkt, und diese heller und verzerrter erscheinen lässt. Das kann sich so stark auswirken, dass sogar Mehrfachbilder davon entstehen können.
Dieser Effekt wird deshalb auch Gravitationslinseneffekt genannt. Der spielt in der Astronomie eine große Rolle.

Um den Kreis zum Eingangszitat zu schließen sei bemerkt, dass Einstein in England und den USA längst schon berühmt war, bis sich deutsche Journalisten endlich herabließen ihn gleichermaßen zu würdigen.

Und damit verabschiede ich mich für heute.
Bis zum nächsten mal
euer Blindnerd.

Ergänzungen zu Gravitation und Gravitationswellen


Es wird unseren Alltag nicht verändern. Wir können nicht sagen: „Nichts ist, wie es vorher war“. Ausnahmsweise ist es keine Katastrophe und niemand kam dadurch ums Leben.
Obwohl sich unsere Medien generell eher weniger für physikalisch-astronomische Entdeckungen interessieren, konnte man es von überall her hören, sehen, lesen, oder sonst wie erfahren.
Sie sind nun direkt nachgewiesen worden, die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen.

Eine der vier fundamentalen Kräfte in unserem Universum ist die Gravitation oder Schwerkraft.
Für das Alltagsverständnis und für das, wie wir mit unseren Sinnen die Welt wahrnehmen, reicht die Vorstellung aus, dass diese misteriöse Kraft einfach zwischen allen Gegenständen wirkt. Alle materiellen Dinge ziehen sich an. Das war die Vorstellung von Gravitation von Johannes Kepler und Isaac Newton, der diese Vorstellung mathematisch fundamentierte.

Man ging davon aus, dass Wirkungen der Schwerkraft sich unmittelbar zeigen, will sagen, sie benötigen keine Zeit zu ihrer Ausbreitung.
Kannte man doch diese Erfahrung vom Licht her. Zündet man eine Lampe an, dann scheint  es sofort und unmittelbar im ganzen Raum hell auf einen Schlag zu werden.
Wir erleben Licht, als benötigte es keine Zeit zu seiner Ausbreitung.

Im Jahr 1676 stellte Ole Rømer, ein Astronom, fest, dass die Zeiten zu welchen der Mond IO seinen Planeten, Jupiter, verdeckt, je nach der Position der Erde zum Jupiter bis zu mehreren Minuten variiert.
Daraus schloss er, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit haben muss,
wenn die Verzögerungen vom Abstand zwischen Jupiter und der Erde abhängig sind.,

Der von Roemer ermittelte Wert für die Geschwindigkeit des Lichtes wich nur um 30 % vom tatsächlichen Wert ab. Die Messmethoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit wurden in der Folgezeit immer genauer.

In einem Artikel über das Vakuum berichtete ich, wie Michelson und Morlay zu beweisen versuchten, dass das Vakuum von einem Äther erfüllt sei.
Wäre dem so, sollte sich das Licht je nach dem, wie man sich selbst relativ zu ihm bewegt, sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten, vergleichbar mit Wasserwellen, durch welche ein Schiff pflügt.
Sie fanden aber heraus, dass es keinen Äther geben kann, denn das Licht breitete sich in alle Richtungen mit konstanter Geschwindigkeit aus, mit 300.000 km/s.

So weit, so gut. Licht ist nicht unendlich schnell. Das heißt aber nicht, dass die Ausbreitung von Gravitation nicht unendlich schnell sein kann, oder?

 

Lange schon bemerkten die Astronomen bei der Bahn des Merkurs um die Sonne eine merkwürdige Verdrehung des Perihels, des sonnennächsten Punkt seiner Elypse.
Diese konnte man sich mit der normalen newtonschen Mechanik alleine nicht erklären.
Es musste irgendwie ein Effekt sein, der sich in der Nähe extremer Massen, wie die Sonne eine darstellt, bemerkbar macht.

Erklärbar wurde dieser erst durch Albert Einsteins Relativitätstheorie.
In ihr ziehen sich die materiellen Dinge nicht gegenseitig an, sondern sie verändern den sie umgebenden Raum derart, dass sich die Objekte aufeinander zu bewegen.
Wer schon mal mit jemandem eine Luftmatratze oder ein Wasserbett geteilt hat, wird bemerkt haben, dass die schwerere Person die leichtere quasi zu sich her zieht, indem sie eine Kuhle erzeugt, in welche die leichtere Person hinein rutscht.
Nicht nur der Raum wird um große Massen herum gekrümmt, sondern die Zeit vergeht auch langsamer.
Wenn sich der Raum um große Massen herum stark krümmt, sollte sich das auch auf die gradlinige Bewegungsrichtung von Licht auswirken. Es sollte abgelenkt werden, wenn es an großen Massen vorbei muss, weil es durch ein Gebiet leicht veränderter Raumgeometrie muss.
Genau dieses wurde 19.19 während einer Sonnenfinsternis bestätigt.
Als die Sonne durch den Mond verdeckt war, konnte man Licht dahinter liegender Sterne erkennen, das an der Sonne vorbei muss und normalerweise von ihr überstrahlt wird.
Dieses Licht war in seinem Spektrum leicht verschoben und zwar genau in der Weise, wie man es nach Einsteins Formeln erwartete.

Aus der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit und dem Einfluss von Gravitation auf Licht, folgerte Einstein, dass die Ausbreitung gravitativer Ereignisse, auch endlich sein sollte.
Das spricht für eine Wellenbewegung.
Somit breitet sich so ein Ereignis mit Lichtgeschwindigkeit wellenartig aus.
Da der Einfluss von Gravitation auf Licht nicht sehr stark ist, sind auch Gravitationswellen schwach und nur schwer nachweisbar.
Ereignisse, bei welchen große Massen im spiel sind und bewegt werden, können nur astronomischer Natur sein, da es größere Masse nirgendwo gibt.
Stoßen beispielsweise zwei Sterne zusammen, verschmelzen zwei schwarze Löcher, explodiert ein schwerer Stern zu einer Supernova, dann werden enorme Massen bewegt und das Ereignis sollte eine Art Schockwelle aus Gravitation mit Lichtgeschwindigkeit durch das All jagen.

Solch eine Welle verändert auf ihrem Weg, dort, wo sie vorbei kommt, für kurze Zeit und sehr schwach die Raumkrümmung. Das bedeutet, dass sich ganz kurz die Geometrie verändert. Sehr lange Wegstrecken verkürzen sich kurzfristig ganz leicht, um sich nachher wieder auf ihre ursprüngliche Länge zurück zu dehnen.
Das macht auf mehrere Kilometer Länge aber weniger, als ein Atomdurchmesser des Wasserstoffs aus, aber es ist mehr als nichts.

Diese Tatsache machte sich das Messgerät zu nutze, mit welchem die Gravitationswellen im September 2015direkt gemessen wurden.

Es war ein Verbund von Messgeräten (LIGO-Cooperation).
Eines dieser Geräte besteht im wesentlichen aus zwei rechtwinklig verlaufenden Röhren, von denen jede vier Kilometer lang ist. Im rechten Winkel dieser beiden Röhren steht der Detektor.
Nun wird ein Laserstrahl ausgesendet und so aufgefächert, dass in jede Röhre ein Laserstrahl fällt.
Diese rasen nun in ihren luftleer gepumpten Röhren entlang, werden an hochpräzisionsspiegeln an den Enden reflektiert und zurück geworfen.
Am Detektor wird dieses Licht empfangen und beobachtet.
Streift nun eine Gravitationswelle eine unserer Röhren, dann verändert sich kurzfristig ihre Länge. Dieses wiederum führt dazu, dass das Licht sich auch etwas verändert. Diese Interferenz genannte Veränderung kann man messen.

Und das wurde auch gemessen.
Man registrierte, dass eine der beiden Röhren für kurze Zeit um weniger als den Durchmessers eines Wasserstoffatoms kürzer war als die andere. Die Wellen beider Strahlen trafen anders aufeinander.
Das finde ich unglaublich.

Die ESA wird in wenigen Jahrzehnten drei Satelliten ins All starten, die ihrerseits dann ein Dreieck aufspannen mit Kantenlängen von mehreren Mio Kilometern. Dieses große Instrument hat auf Erden keinen Platz. Vakuumröhren benötigt man hier nicht, denn das All ist ein Vakuum.

Ein Vakuum benötigt man dazu, denn ansonsten würde das Licht in alle Richtungen an den Luftteilchen gestreut. Für unser Alltagsleben ist das praktisch, denn nur so ist es tagsüber in alle Richtungen hell.

Indirekt entdeckt wurden Gravitationswellen aber schon deutlich früher. Es gab Mitte der 90er Jahre sogar einen Nobelpreis dafür.
Im Zusammenhang mit meinen Ausführungen über sterbende Sterne, Supernovae, erklärte ich Radiopulsare. Sie sind die präzisesten Taktgeber im Weltall. Man kann sich auf ihre Signale verlassen.
Sie spielten die Hauptrolle im indirekten Nachweis von Gravitationswellen.

Ein indirekter Nachweis von Gravitationswellen gelang Russell Hulse und Joseph Taylor von der Princeton University. Die beiden Physiker konnten durch mehrjährige Beobachtung des 1974 entdeckten Doppelpulsars PSR 1913+16 nachweisen, dass die Umlaufbahnen dieses Systems einander umkreisender Massen im Laufe der Zeit immer enger werden und das System somit Energie verliert.
Wohin verschwindet die Energie?
Sie wird als Gravitationswelle davon getragen.
Sieht man mal von den Gezeiten, Ebbe und Flut, hier auf der Erde ab, dann würde sich mit der Zeit die Umlaufzeiten des Mondes auch ändern, da ganz wenig Energie als Gravitationswelle fort getragen wird.
Die gravitative Bremswirkung des bewegten flüssigen Wassers, den Gezeiten, ist aber deutlich höher.

Ganz ähnliche Nachweise konnten bei einem System zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher und einem Doppelzwerg-System in den letzten Jahren gewonnen werden.
Aber eben. das waren halt nur indirekte Nachweise. Man wollte aber den Effekt direkt erleben
und sich nicht von jemandem oder etwas anderem davon erzählen lassen.

Nun ist es endlich gelungen, durch obigen Versuchsaufbau Gravitationswellen direkt nachzuweisen.
Künftig wird man durch größere Detektoren direkt „zuhören“ können, wenn ein Stern explodiert, wenn schwere Massen ineinander stürzen oder wenn ein schwarzes Loch schmatzend einen Stern verspeist.

Es müssen noch Gravitationswellen durch das All vagabundieren, die direkt oder bald nach dem Urknall entstanden sein müssen.
Solten wir einst derartige empfangen, werden sie uns viel Aufschluss über die Entstehung unseres Universums liefern.

Hier ist der Link zur Veröffentlichung des Nachweises.
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102
HTML-Version hier:
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102#fulltext
12.02.

 

Verschmelzung zweier Neutronensterne


Seid herzlich gegrüßt,

mit großer Spannung wurde Anfang Oktober die Pressekonferenz der Wissenschaftler der Gravitations-Wellen-Detektoren erwartet. Ihre Veröffentlichungen haben es sogar in Funk und Fernsehen geschafft.
Schon länger gehen Gerüchte um, das der Amerikanische Detektor Ligo die Verschmelzung zweier Neutronensterne nachgewiesen haben soll.
es ist nun offiziell. Ja, der Nachweis ist stichhaltig und die Signatur der Signale zeigt einen „Fingerabdruck“, den die mathematischen Modelle für ein derartiges Ereignis, vorausberechneten.
Was ist hier geschehen und wieso sind alle so aufgeregt?

Da muss man sich zuerst mal fragen, was ein Neutronenstern überhaupt ist.
Das Lebensende eines Sternes, das dann eintrifft, wenn er seinen Wasserstoffvorrat zu Helium verbacken hat, füllt einen eigenen Artikel. Deshalb nur ganz kurz. Ein möglicher Sternentod ist ein Neutronenstern. Diese haben einen Durchmesser von nur wenigen Kilometern und vereinen einige wenige Sonnenmassen in sich.
Das bedeutet, dass sie unheimlich dicht und schwer sind. 1 Zuckerwürfel dieses Materials wöge hier auf Erden mehrere Milliarden Tonnen.
Es handelt sich aber noch um Materie, wenngleich sie auch entartet ist.
Sowohl Lichtwellen, als auch Elektronen, können einen Neutronenstern noch verlassen. Das können wir bei Pulsaren, deren periodische Radiowellen wir empfangen, erleben.
Denen widmen wir uns auch ein anderes Mal, damit es nicht zuviel wird.

Woraus ein schwarzes Loch besteht, darüber gibt es schon jahrzehnte lang Unklarheit. Vor allem deshalb, weil man sich nicht sicher ist, was mit der Information dessen, was hineingefallen ist, geschieht.
Ein großer Name in dieser Diskussion ist auf jeden Fall Steeven Hawking.

Hach, das scheint mir ein Beitrag der Vertröstungen zu werden, denn auch dieses interessante Thema müssen wir vertagen, wenn der Artikel nicht aus dem Ruder laufen soll…

Bei den Neutronensternen und Pulsaren schließt sich allerdings ein Kreis. In den 70er Jahren wurden anhand von Pulsaren und deren Signallaufzeiten Gravitationswellen zum ersten Mal indirekt nachgewiesen. Auch dafür gab es in den 90er Jahren einen Nobelpreis.

Für den direkten Nachweiß der Gravitationswellen mit Ligo ist der Nobelpreis der Physik 2017 vergeben worden.
Für die Podcast-hörenden unter uns:
@Minkorrekt hat bereits seine Nobelpreis-Folge veröffentlicht. Könnte interessant sein, da mal reinzuhören. Ich machs auf jeden Fall.
Und nun verschmelzen quasi noch im Rahmen dieser Feierlichkeiten, zwei Neutronensterne miteinander.
OK, stimmt zeitlich nicht so ganz, ist aber einfach schön…

Gravitationswellen sind Erschütterungen der Raumzeit. Ich schrieb im Februar 2016 in meinen Artikeln  Gravitationswellen und in „Die schwächste Kraft, oder die heimliche Herrscherin des Universums“ sehr länglich und ausführlich darüber. Grundsätzlich entstehen Gravitationswellen immer dann, wenn Massen gegeneinander bewegt werden. In unserem Alltag sind sie nicht nachweisbar. Erst bei so schweren Dingen, wie Neutronensternen oder schwarzen Löchern, machen sie sich bemerkbar, indem sie die Raumzeit krümmen.

OK, was ist passiert.
In einer Entfernung von ungefähr 150 Mio Lichtjahren existierte einst ein Doppelsternsystem, wie es sie viele im Universum gibt. Das ist für astronomische Distanzen noch recht nahe.
Wie  es sich genau zugetragen hat, weiß ich nicht und vermutlich niemand. Auf jeden Fall sind beide dieser Sterne letztendlich zu Neutronensternen kollabiert, von denen jeder zwischen 1,4 und 4 Sonnenmassen in sich vereinen dürfte.

Als solche umkreisten sie sich und näherten sich langsam einander an, weil sie sich gegenseitig durch die Abgabe von Gravitationswellen abbremsten. Das System Mond-Erde bremst sich auch unter Abgabe von Gravitationswellen ab, aber der Effekt ist so schwach, dass er nichts ausmacht. Viel mehr schlägt hier die Abbremsung zu Buche, die dadurch entsteht, dass der Mond Ebbe und Flut erzeugt, und einmal täglich zwei Flutberge um die ganze Erde zieht.

Nun ja, die beiden kamen sich näher und näher, kreisten immer schneller umeinander und dann stürzten sie ineinander.
Es ist eindeutig, dass es Neutronensterne und nicht, wie beim ersten Mal zwei schwarze Löcher waren. Sonifiziert man die Daten der Verschmelzung, dann kann man hören, dass die Kurven verschmelzender Schwarzer Löcher deutlich rascher ansteigen, als die zweier Neutronensterne.
Das hängt damit zusammen, dass schwarze Löcher sehr viel schwerer sind und dazu einfach grundsätzlich etwas anderes, als normale Materie darstellen. Es hat mit Abständen und der Eigenschaft, dass die Gravitation im Quadrat zum Abstand abnimmt zu tun. Ersparen wir uns das, vor allem an der Grenze der Newtonschen Mechanik, wo eher relativistische Eigenschaften von Gravitation und Raumzeit zuschlagen.

Dank eines guten Freundes,  können wir uns diesen Unterschied anhören.

Der erste Link führt zum Ligo-Signal von vor zwei Jahren, als zwei schwarze Löcher miteinander verschmolzen und das Ligo quasi im Testbetrieb empfangen durfte.
Es ist ein kleines Wupp, das mehrfach hintereinander abgespielt wird, damit man es überhaupt wahrnimmt.
https://www.dropbox.com/s/mvldfpb7c9nnjrd/LIGO%20Gravitational%20Wave%20Chirp.mp3?dl=0

Das nächste Signal ist die aktuell gemessene Verschmelzung zweier Neutronensterne, dass er für uns mittels der veröffentlichten Rohdaten, hörbar gemacht hat. Es empfiehlt sich, dieses Signal mit einem Headset anzuhören.
Achten wir hier auf ein im Gegensatz zum vorigen Signal langgezogenes und ansteigendes „Uuuuoooooaaaaa“.
https://www.dropbox.com/s/enznq4fkmwlcv23/GW170817-HL.mp3?dl=0

Das Dritte signal kommt vom Italienischen Detektor, Virgo. Und das ist der springende Punkt. Man hört außer einem Rauschen nichts. Das Signal überstrich einen „blinden Fleck“ des detektors.
Genau diese Tatsache, machte eine Ortsbestimmung, woher das Signal ungefähr gekommen sein könnte, möglich.
Aus diesem Grunde hat auch dieses „Nicht-Signal“ die Sache im Grunde bestätigt.
https://www.dropbox.com/s/my6aqg2rlhx37wm/GW170817-V.mp3?dl=0

Und jetzt kommt der Oberhammer der Geschichte.

Mit einem dafür empfindlichen Messinstrument wurde quasi zeitgleich ein Gamma-Blitz aus der selben Richtung empfangen, wo das Ereignis stattfand.
Und das ist eine Sensation.
* Ohne Blitz wär’s halt einfach eine Gravitationswelle zweier Neutronensterne.
* Ohne Gravitationswelle ist der Gammaausbruch einer von vielen, für deren Entstehung man derzeit nur sehr wage Erklärungsansätze hat.
* Ist es aber beides, so kann man Aussagen darüber treffen, was zum einen während der Vereinigung passierte und zum anderen, was nach der Vereinigung übrig geblieben ist. Meines Wissens nach, ein schwarzes Loch.

Neutronensterne bestehen aus entarteter Materie. Bei der Verschmelzung vermutet man, und das hat sich in Verbindung mit dem Blitz durchaus bestätigt, dass kleinere Atome sich mit Neutronen anreichern, die es dort in Hülle und Fülle gibt, die sich dann in Protonen und Elektronen verwandeln  und somit für die Entstehung schwererer Kerne sorgen würden.

Neben der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium laufen parallel oder nacheinander noch weitere Verschmelzungsprozesse im Leben eines Sterns ab, z. B. zu Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff bis hin zu Eisen.
Danach ist aber in Sternen Schluss, weil man für alle weiteren schweren Elemente keine Energie mehr bekommt, indem leichtere  verschmelzen, sondern, man muss welche hinein stecken.
Nur in sehr starken Supernova-Explosionen ist vorstellbar, dass schwerere Elemente, als Eisen, „gebacken“ werden.
Wahrscheinlich ist es aber nun so, dass am Ort zweier verschmelzender Neutronensterne derartige Bedingungen herrschen, dass auch hier alle schweren Elemente des Periodensystems entstehen können. Die Energie liefert hier die Gravitation.
Dass diese schweren Elemente  existieren, daran gibt es  keinen zweifel, denn wir sind aus ihnen, dem Sternenstaub, gemacht und sind daher Kinder des Feuers.

Durch den Gammablitz konnte man quasi zusehen, wie die „Teilchenbäckerei“ funktioniert.

So, ich denke, das reicht für heute.
Ich hoffe, es hat etwas Freude gemacht.

Es grüßt euch ganz herzlich

Euer Gerhard.