Monat: März 2021

Hallo meine neugierigen Leserinnen und Leser

In diesem Blogeintrag werden wir uns mit Gravitationswellen befassen. Folgende Fragen werden dir beantwortet:
-Was sind Gravitationswellen?
-Wie entstehen sie?
-Wie konnten sie nachgewiesen werden?

Gravitationswellen sind Wellen, die von beschleunigter Masse erzeugt werden. Sie bewegen sich durch die Raumzeit. Stell dir 2 massive Schwarze Löcher vor, die sich einander mit grosser Geschwindigkeit umkreisen. Diese Bewegung dieser Schwarzer Löcher sorgt für eine Krümmungsstörung in der Raumzeit. Diese Krümmungsstörung ist die Gravitationswelle. Damit du dir dies besser vorstellen kannst, habe ich hier ein Bild für dich:

Würden diese Wellen unsere Erde treffen, würden sie sie stauchen und strecken. Aber mach dir keine Sorgen die Erde kann nicht von diesen Wellen zerrissen werden. Sie würde die Erde so minimal umformen, dass wir es gar nicht erst bemerken würden. Es würde die Erde um höchstens einer Protonen-Grösse umformen.

Diese Wellen sind in der Astronomie sehr wichtig, denn sie können uns Informationen über die Objekte verschaffen, die diese Wellen verursachen. Gravitationswellenastronomie ist ein Fachgebiet der Astronomie, welches sich genau mit dem beschäftigt.

Man kann sich jetzt die Frage stellen, mit welcher Geschwindigkeit sich die Gravitationswellen verbreiten. Sie verbreiten sich mit der Lichtgeschwindigkeit. Leider werden wir uns in diesem Blog nicht mit der speziellen Relativitätstheorie beschäftigen, denn sie sagt uns mehr über die Lichtgeschwindigkeit. Wichtig zu wissen ist, dass die Lichtgeschwindigkeit paradoxerweise nichts mit Licht zu tun hat. Die Lichtgeschwindigkeit ist auch die Geschwindigkeit der Kausalität. Deswegen können sich Gravitationswellen und alle masselosen Objekte sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Natürlich ist diese Aussage sehr stark vereinfacht und auch unvollständig, aber sie reicht fürs erste. Falls du dich mehr für Lichtgeschwindigkeit interessieren solltest, werde ich dir unten ein paar spannende Videos verlinken.

Die Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 um 5:51 Uhr von beiden Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA aufgenommen. Ich werde auch ein Video zu den Detektoren verlinken, denn es ist ziemlich schwer über diese zu erzählen, ohne es bildlich vor Augen zu haben.
Der Nobelpreis 2017 wurde den Wissenschaftlern Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip S. Thorne verliehen für die Entdeckung der Gravitationswellen.

Ich hoffe, ihr habt was Neues gelernt und wir sehen uns im nächsten Eintrag.

Bis Bald!

Lichtgeschwindigkeit und Kausalität:
https://www.youtube.com/watch?v=msVuCEs8Ydo&t=636s
https://www.youtube.com/watch?v=1YFrISfN7jo

LIGO Detektoren:
https://www.youtube.com/watch?v=trQNpZHL8KM
https://www.youtube.com/watch?v=gw-i_VKd6Wo

Hallo meine neugierigen Leserinnen und Leser

Habt ihr mal in den Sternenhimmel geschaut und euch gefragt ob das Universum statisch ist oder ob es expandiert oder welche Form es hat? Wenn ja, dann wird der heutige Blogeintrag euch antworten liefern und euren Horizont erweitern.

Um eure Frage schnell zu beantworten, Ja, das Universum expandiert. Jetzt stellt sich aber die Frage welche Beweise sind vorhanden, dass wir zu dieser Schlussfolgerung kommen und was hat das mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu tun?

Im Jahr 1917 versuchte Einstein das Universum mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beschreiben. Allerdings kam bei Einsteins Versuch die Feldgleichungen aufzulösen heraus, dass das Universum statisch ist und sich nicht expandiert. 1922 korrigierte Alexander Friedmann, Einsteins gescheiterten Versuch das Universum zu beschreiben. In seiner relativistischen Beschreibung kam ein expandierendes Universum heraus. Die Friedmann Gleichung, mit der er unser Universum beschrieb, sieht folgendermassen aus:

H = Hubble-Parameter
c = Lichtgeschwindigkeit
G = Universelle Gravitationskonstante
R(t) = Skalenfaktor
Λ = Kosmologische Konstante
k = Krümmungsparameter (0, +1, -1) aus der Robertson-Walker-Metrik
ρ = räumlich homogene Massendichte

Vielleicht fragst du dich jetzt ob die Expansion des Universums nur im Bereich der theoretischen Physik bewiesen wurde oder ob es auch experimentelle Nachweise gibt, die auch dafürsprechen? Ja die gibt es. Die Rotverschiebung des Lichtes wäre ein Indikator für die Expansion. Die kosmologische Rotverschiebung betrifft nicht Galaxien und Planeten, weil sich nicht die Objekte voneinander wegbewegen, sondern der Raum selbst expandiert (wie ein Ballon, der aufgepustet wird). Galaxien expandieren nicht, weil sie sind durch ihre Eigengravitation der allgemeinen Expansionsbewegung (die Gleichung oben) abgetrennt. Kurzgesagt Planeten und Galaxien und alles das, bewegen sich nicht weg voneinander, sondern der Raum selbst expandiert. Stellen sie sich vor sie kleben ein paar Sticker auf einen Ballon und jetzt pusten sie diesen Ballon auf. Die Sticker bewegen sich nicht weg voneinander, sondern der Ballon wird einfach grösser und die Konsequenz davon ist, dass die Sticker weiter voneinander weg sind als am Anfang.

So jetzt wieder zum experimentellen Nachweis. Ein Lichtstrahl, der sich frei durch die ausdehnende Raumzeit rumtreibt, wird von der Expansionsbewegung getroffen. Wenn sich die Raumzeit vergrössert während der Laufzeit des Lichtes, so vergrössert sich auch die die Wellenlänge des Lichtes. Genau diese Rotverschiebung konnte experimentell nachgewiesen werden.

Hoffe ihr habt etwas gelernt wir sehen uns im nächsten Blogeintrag!

In diesem Blogeintrag werden wir Schwarze Löcher genauer unter die Lupe nehmen. Bestimmt hast du schon mal von diesen mysteriösen Objekten gehört, sei es entweder in Science-Fiction Filmen oder in populärwissenschaftlichen Artikeln. Hast du dich aber jemals gefragt was ein schwarzes Loch wirklich ist? Wie entstehen Schwarze Löcher überhaupt? Was befindet sich in einem Schwarzen Loch? Mit diesen Fragen befassen sich theoretische Physiker heute und zu manchen Fragen gibt es immer noch keine Antwort. Ich werde aber probieren dir heute eine kleine Einführung in das Gebiet der schwarzen Löcher zu geben. Vielleicht bist du der nächste der eine dieser Fragen beantworten kann.

Was ist ein Schwarzes Loch?
Wie im vorherigen Blogeintrag schon besprochen, ist Gravitation eigentlich nur die Krümmung von Raum und Zeit. Ein schwarzes Loch ist ein Objekt, dass den Raum so stark krümmt, dass nicht mal Licht mehr entkommen kann, deswegen auch der Name „Schwarzes Loch“. Um beispielsweise dem Gravitationsfeld der Erde zu entkommen, müsste man sich mit einer Geschwindigkeit von 11.2 km/s sich von der Erde wegbewegen. Dies nennt man auch die „Fluchtgeschwindigkeit“. Wenn man aber versucht dem Gravitationsfeld eines Schwarzen Loches zu entkommen, müsste man mit Überlichtgeschwindigkeit reisen. Die spezielle Relativitätstheorie sagt aus das, sich nichts mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen kann, deswegen kann niemand dem gravitativen Einfluss eines Schwarzen Loches entkommen.

Wie entsteht ein Schwarzes Loch?
Schwarze Löcher sind die auferstandenen Leichen massereicher Sterne. Damit ein Schwarzes Loch überhaupt entstehen kann, braucht es einen Stern, der mindestens das achtfache der Masse unserer Sonne aufweist. Im Kern der Sterne findet ein Prozess statt mit dem Namen „Kernfusion“. Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schweren Atomkernen. Dieser Prozess kann nur an Orten mit hoher Temperatur und grossem Druck stattfinden. Dabei wird Energie freigesetzt, vor allem in Form von Strahlungsenergie.

Auf einen Stern wirken zwei Kräfte. Die Gravitationskraft die nach innen wirkt und der Strahlungsdruck, der der Gravitationskraft entgegenwirkt. Wenn ein Stern anfängt im Kern Eisen zu fusionieren, dann ist der am Ende seiner Tage. Es herrscht kein Strahlungsdruck mehr, der der Gravitationskraft entgegenwirkt. Der Stern kollabiert in sich selbst. Ein Stern der Massereich genug ist, explodiert in einer gewaltigen Supernova. Die Überreste des Sternes „verwandeln“ sich entweder in einen Neutronenstern oder in ein Schwarzes Loch, dies hängt von der Masse ab.

Die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs konzentriert sich in einem einzigen Punkt mit unendlich hoher Dichte und unendlich starkem Gravitationsfeld. Diesen Punkt nennt man auch Singularität.

Anatomie eines Schwarzen Lochs:

Relativistischer Jet: Wenn ein Schwarzes Loch Materie verschlingt, dann entstehen Gasströme.

Singularität: Die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs konzentriert sich in einem einzigen Punkt mit unendlich hoher Dichte und unendlich starkem Gravitationsfeld. Diesen Punkt nennt man auch Singularität.

Akkretionsscheibe: Diese Scheibe dreht sich ständig um das Schwarze Loch herum und transportiert so Materie in das Schwarze Loch hinein. Ohne Akkretion kann die Materie das Schwarze Loch problemlos umkreisen. Wenn Materie verschluckt wird vom Schwarzen Loch setzt sie Energie in Form von Hitze und Strahlung frei.

Innerste stabile Umlaufbahn: Das ist die Umlaufbahn, die die Materie umkreisen kann, ohne in den Eventhorizont reinzufallen.

Ereignishorizont: Das ist der Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt. Was den Eventhorizont betritt verlässt in auch nicht mehr. Man kann den Radius des Eventhorizonts mit dieser Formel berechnen.

Wobei R der Schwarzschild Radius ist. G die universelle Gravitationskonstante. M ist die Masse des Körpers die zu einem Schwarzen Loch komprimiert werden soll. c stellt die Lichtgeschwindigkeit dar.

Photonensphäre: Es ist die perfekte Umlaufbahn für Photonen um das Schwarze Loch, aber er ist instabil.

Im nächsten Blogeintrag werden wir uns wahrscheinlich die Einsteinschen Feldgleichungen anschauen. Vielleicht werden wir aber zuerst noch über Gravitationswellen sprechen, ich weiss es noch nicht. Bis zum nächsten mal!