Jörn Müller

Jörn Müller

22.07.2017
Publiziert in News

Am 19. Juli 2017 hat das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik das Ende der am 3. Dezember 2015 gestarteten LISA-Pathfinder-Mission  und damit verbunden den Beginn der Folgemission LISA (LISA = Laser Interferometer Space Antenna) bekanntgegeben. Im Newsbeitrag vom 04.12.2015 haben wir unter der Überschrift „Gravitationswellen“ ausführlich über beide Missionen und deren Technologie berichtet.  

Kurz zur Erinnerung: Um die von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen aufzuspüren, sind seit einiger Zeit mehrere erdgestützte Detektoranlagen in Betrieb. Bis heute konnten damit drei durch die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mittlerer Masse ausgelöste Gravitationswellenereignisse detektiert werden, und zwar am 11. Februar 2016, im Juni 2016 und am 4. Januar 2017. Die zugehörigen Signale hatten eine Frequenz im Bereich um 100 Hertz. Bei der Verschmelzung von supermassiven Schwarzen Löchern erwartet man jedoch Frequenzen im Bereich von 0,0001 bis 1 Hertz. Die erdgestützten Anlagen sind dafür jedoch zu unempfindlich. Man muss daher in den Weltraum, um eine entsprechend sensitive Detektoranlage zu betreiben.

Das von der ESA geplante Gravitationswellen-Observatorium LISA, dessen Start für 2034 vorgesehen ist, soll diese Aufgabe übernehmen. (Bild 1).

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Bild 1: Satellitendreieck des LISA Gravitationswellenobservatoriums
(Quelle: http://www.projectcollision.com/index.php?page=inSpace)

Wie in Bild 1 dargestellt, wird LISA aus drei über Laserstrahlen gekoppelte Satelliten verfügen, die ein gleichseitiges Dreieck mit einer Seitenlänge von 2,5 Millionen Kilometern aufspannen. Das ganze System soll in einem Abstand von rund 50 Millionen Kilometern der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne folgen

In jedem Satelliten befindet sich eine frei schwebende Testmasse, deren Entfernung zu den anderen Massen mit Hilfe von Laserinterferometern kontinuierlich überprüft wird. Zusammenstöße der Satelliten mit dem Staub im Weltraum, mit vereinzelten Protonen oder Mikrometeoriten und der Druck des Sonnenwindes versetzen jedoch die Satellitengehäuse relativ zu den frei schwebenden Testmassen. Um zu verhindern, dass dadurch die Testkörper gegen die Innenwand des Satelliten getrieben werden, haben die Techniker ein ausgeklügeltes System von Positionssensoren und Steuerdüsen vorgesehen, das derartige Verschiebungen korrigieren soll.   

Mit dem Start der Raumsonde LISA-Pathfinder (Bild 2) sollte vorab die Funktionalität dieser Technik getestet werden. Dazu enthielt die Sonde zwei im Abstand von rund 40 Zentimetern frei schwebende Gold-Platin-Würfel, deren Position mit Hilfe eines Laserinterferometers überwacht wurde. Man wollte prüfen, wie gut das System in der Lage ist die Testmassen von externen und internen Kräften oder möglichen Störungen abzuschirmen.

urknall weltall leben LISA Pathfinder   Mission erfüllt 2
Bild 2: Die Sonde LISA-Pathfinder
(Quelle: https://www.elisascience.org/files/imagecache/fullview/images/LPF01.jpg)

Wie die Wissenschaftler nach Ablauf der 16-monatigen Erprobungsphase feststellten, war das Testmodell LISA-Pathfinder außerordentlich erfolgreich. Auch Unterschiede im Gravitationsfeld, die durch die Sonde selbst verursacht werden könnten, waren gleich Null. Die Präzision bei hohen Frequenzen zwischen 0,06 und 1 Hertz übertraf die Erwartungen um das Doppelte, und auch im Frequenzbereich zwischen 0,0001 und 0,06 Hertz waren die Ergebnisse besser als gefordert. Wie Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover sowie einer der verantwortlichen Wissenschaftler der LISA-Pathfinder-Mission betont, kann nun die Arbeit am Bau des größeren und anspruchsvolleren LISA-Weltraum-Gravitationswellen-Observatoriums fortgesetzt werden. „Mit LISA werden wir die Verschmelzungen extrem massereicher Schwarzer Löcher aus dem gesamten Universum belauschen und ihre Eigenschaften erfassen. Damit ergänzen wir die Messungen irdischer Detektoren wie GEO600, LIGO und Virgo und vervollständigen unser lückenhaftes Bild von der dunklen Seite des Universums."

Damit hat die Test-Sonde LISA-Pathfinder ausgedient. Am 18. Juli 2017, kurz nach 20:00 Uhr MESZ, haben die Wissenschaftler die Sonde abgeschaltet. Schon im April 2017 wurde LISA-Pathfinder in einen weiten Orbit um die Sonne gehoben. Man will sicher sein, dass zumindest in den nächsten 100 Jahren die Sonde nicht mit erdnahen Satelliten kollidieren kann.

14.06.2017
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Expansion des Universums, negativer Druck des Vakuums und Energieerhaltung

Ich möchte versuchen, ein wenig zur Klärung obiger Begriffe beizutragen, da im Forum immer wieder Fragen hierzu auftreten. Ausgangslage in der modernen Kosmologie:

Wir postulieren:

1.) Auf großen Skalen ist unsere Position im Universum durch nichts ausgezeichnet (sog. Kopernikanisches Prinzip)

2.) Das Universum sieht in alle Richtungen betrachtet gleich aus (wiederum auf ausreichend großen Skalen)

3.) Auf großen Skalen ist die vorherrschende Kraft im Universum die Gravitation, d.h. insbesondere, die Dynamik des Universums kann durch die Allgemeine Relativitätstheorie

beschrieben werden. (Die Reichweite der beiden Kernkräfte ist zu kurz und die elektromagnetische Kraft hebt sich auf großen Skalen durch gleich viele positive wie negative

Ladungen weg.) ...

02.07.2017
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Der kosmische Mikrowellenhintergrund (Teil I)

Frage: Kann man die Hintergrundstrahlung sehen? Antwort: Nein, denn unsere Augen sind für die im Mikrowellenbereich liegenden Wellenlängen dieser Strahlung nicht empfindlich. Doch wer noch ein „altes“ Fernsehgerät besitzt und das Fernsehprogramm analog mit einer Dipolantenne empfängt, der „sieht“, wenn der Tuner auf eine Frequenz zwischen zwei Fernsehkanälen eingestellt ist, auf dem Schirm eine Art Schneegestöber. Zu 99 Prozent ist dieses sogenannte „Weiße Rauschen“ thermischer Natur und wird von den Elektronen in den Bauteilen des Geräts verursacht. Der Rest aber stammt von den 400 Photonen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die in jedem Kubikzentimeter des Universums herumschwirren. Was es mit diesen Photonen auf sich hat und woher sie stammen, soll im Folgenden untersucht werden.

15.06.2017
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Kosmische Inflation auf dem Prüfstand

Die Zweifel mehren sich. Gab es die kosmische Inflation, die das Universum in der kurzen Zeitspanne von 10-32 Sekunden um einen Faktor von mindesten 1030 aufgebläht haben soll, wirklich? Was im Rahmen des kosmologischen Standardmodells die inflationäre Expansion – zumindest bislang – so unangreifbar macht, ist die Tatsache, dass damit einige Gegebenheiten des Kosmos, die unter der Annahme eines linearen Größenwachstums nicht erklärbar sind, zwangsläufig zustande gekommen sein müssen. Dazu gehören insbesondere die Gleichförmigkeit (Isotropie) der kosmischen Hintergrundstrahlung sowie die Lösung des Flachheits- und des Horizontproblems. Ferner erklärt die Inflations-Hypothese die Entstehung der Dichtefluktuationen, aus denen sich die großräumigen Strukturen entwickelt haben, indem die extreme Expansion ursprüngliche Quantenfluktuationen des Inflatonfeldes auf makroskopische Größe gedehnt haben soll. Im Rahmen des Urknallmodells scheint somit die kosmische Inflation eine zwar unbewiesene, aber unverzichtbare Hypothese zu sein. 

Nichtsdestotrotz zeigt die Hypothese der exponentiellen Expansion deutliche Schwächen. Nach Meinung einiger Kosmologen passt das Muster der

Hintergrundstrahlung nicht zur postulierten exponentiellen Expansion.  Insbesondere vermisst man in der Hintergrundstrahlung einen „Fingerabdruck“ von den Gravitationswellen, welche die enorme Expansion ausgelöst haben müsste.

In letzter Zeit beschäftigen sich daher einige Kosmologen mit der Entwicklung alternativer Modelle. Einiges, was da angedacht wird, ist z.B. in der Zeitschrift „Spektrum der Wissenschaft“, Heft 6.17, nachzulesen. Vor kurzem wurde auch über Experimente berichtet, die geeignet erscheinen, die Inflationshypothese entweder zu bestärken oder weiter in Zweifel zu ziehen. Das Experiment beruht auf der Idee, wie zum Higgsfeld ein Teilchen gehört, das Higgs-Teilchen, auch zum Inflatonfeld ein Teilchen gehören muss, das Inflaton. Im Prinzip sind diese Teilchen nichts anderes als angeregte Zustände des jeweiligen Feldes und somit nachweisbar. 

Im Rahmen von Modellen, die sogenannte versteckte Teilchenbereiche (Hidden Dark Sector Model) thematisieren, haben Forscher am LHC (Large Hadron Collider) in Zusammenarbeit mit der dortigen LHCb-Collaboration (eine Gruppe, die sich vornehmlich mit Teilchenzerfällen beschäftigt, die ein bottom-Quark enthalten) nach einem langlebigen Skalar-Teilchen, d.h. einem Teilchen mit Spin = 0, gesucht, das als das Inflaton-Teilchen des Inflatonfeldes angesehen werden kann. Dabei bezieht sich der Begriff „Hidden Dark Sector“ auf Bereiche, die neuartige, leichte, schwach gebundene Teilchen umfassen, die nicht mit den drei bekannten Fundamentalkräften, der starken, der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung, interagieren. In der Natur kommen viele dieser Hidden Dark Sector(en) vor, alle mit individueller Struktur und individuellen Teilchen. Dazu gehören beispielsweise auch die vermuteten Dunkle-Materie-Teilchen. Möglicherweise führt die Erforschung derartiger Teilchen sogar zu einer neuartigen Physik.

Um dem besagten Inflaton auf die Spur zu kommen, haben die Forscher am LHC  durch Proton-Proton-Kollisionen erzeugte B+-Mesonen untersucht (das B steht für den Begriff „beauty“). Diese Mesonen bestehen aus einem up- und einem Antibottom-Quark. Wie Bild 1 zeigt, zerfällt das B+-Meson in ein Kaon K+ und ein ?-Teilchen, das gesuchte hypothetische Inflaton. Bei diesem Prozess koppelt das Inflaton über ein Higgs-Boson an ein top-Quark, das seinerseits über ein W--Boson den Übergang des B+-Mesons in das K+-Kaon vermittelt. Anschließend zerfällt das ?-Teilchen in ein Myon µ- und ein Anti-Myon µ+ (siehe Bild 1). 

urknall weltall leben kosmische inflation auf dem pruefstand Bplus Zerfall Feynman Diagramm 

Bild 1: Feynman-Diagramm des Zerfalls des Beauty-Mesons
(Quelle: Physical Review D 95, 071101(R) (2017))

Entsprechend der Theorie soll die Lebensdauer des ?-Teilchens im Bereich von 0,1 bis etwa 1000 Picosekunden und seine Masse im Bereich von  250 bis 4700 MeV/c2 liegen. Erfolgt der Zerfall entsprechend Bild 1, so sollte sich das in einem Überschuss von Myonen und Anti-Myonen über den erwarteten allgemeinen Myonen-Hintergrund bemerkbar machen. 

Wie die Forscher berichten, haben die Untersuchungen jedoch kein derartiges „Überschuss-Signal“ geliefert. Das muss nicht heißen, dass es das Inflaton nicht gibt. Vielleicht hat es ja eine Masse jenseits des untersuchten Bereichs von  250 bis 4700 MeV/c2. Dennoch schränkt das Ergebnis die Theorie der Existenz eines skalaren Inflatons stark ein. 

Muss man nun nach einer neuen Theorie hinsichtlich der inflationären Expansion des Kosmos suchen? Vielleicht ja. Doch solange man kein neues, schlüssiges Konzept vorweisen kann, sollte man die alte Theorie nicht verdammen. In Ermangelung einer besseren Alternative bleibt das Urknallmodell und die exponentielle Expansion das bevorzugte Konzept zur Erklärung der kosmologischen Entwicklung. In diesem Sinne soll der Kosmologe Alan Guth gesagt haben: Die Inflation, wenn sie denn wahr ist, ist nicht das Ende der Erforschung der kosmischen Ursprünge, sondern nur ihr Anfang.