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THEMA: Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung

Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 08 Jul 2017 20:46 #16746

Hallo Zusammen,

anlässlich der Entdeckung zweier supermassiver SL, die einander umkreisen und offensichtlich das Ergebnis einer Galaxienkollision sind, will ich diese Beobachtung nochmal zum Anlass nehmen, um die Frage zu diskutieren, ob und wie man die Verschmelzung dieser SL messen kann.
In dem vorliegenden Fall findet die Fusion zwar erst in etwa 1 Mio Jahren statt. Es ist aber davon auszugehen, dass solche Ereignisse keine Seltenheit sind und Gravitationswellen dieser Ereignisse das ganze Universum durchlaufen.
Die LIGO Detektoren sind für die erwarteten Chirpsignale nicht empfindlich. Auch LISA, das Interferometer, das im Weltraum stationiert werden soll, wird diese Gravitationswellencharakteristiken nicht sehen.
Aber, und jetzt kommts: wie wäre es denn, wenn man die Radiostrahlung von Pulsaren als Messinstrument verwenden würde?
Es gibt ganz grob etwa 2500 bekannte Pulsare und etwa 10% davon sind Radiopulsare.
Pulsare sind Neutronensterne von etwa 20 km Durchmesser. Ihre Masse liegt so zwischen 1 und 2 Sonnenmassen. Sie drehen sich unglaublich schnell. Manche 20-30 mal in der Sekunde und andere bis zu 80 mal pro Sekunde. Sie bilden dabei an den Polen Jets aus und wenn diese Jets die Erde überstreichen, empfangen wir ein Signal. Bei Radiopulsaren hätten wir die Chance, mithilfe der installierten Detektoren und deren weltweite Vernetzung jegliche Frequenzmodulation mit hoher Präzision zu messen.
Da die Radiopulse mit einer Präzison bei uns ankommen, die der Ganggenauigkeit von Atomuhren gleich kommt, müsste es doch eigentlich möglich sein, aus den Signalen jede Frequenzmodulation heraus zu filtern.
Ist jetzt eine Gravitationswelle, die von einem Merger der oben geschilderten Superlative stammt, in der Lage, der Pulsarstrahlung eine charakteristische Modulation aufzuprägen und wenn ja, wie müssen die Wellen zueinander laufen, wenn die eine die andere merklich beeinflussen soll?
Ich geb diese Frage mal ans interessierte Publikum und natürlich auch ans Fachpublikum weiter.
Die Kollegen vom Radioastronomischen Institut in Bonn bilden bei der Beantwortung dieser Frage eine natürliche Quelle.
Bin selber gespannt, was die Recherche bringen wird.
Grüße
Thomas

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 08 Jul 2017 21:48 #16749

Hallo!

Ich denke, das ist deshalb nicht möglich, weil die Gravitationswellen um ein Nullniveau herum schwanken. D.h. die Längenänderungen prägen dem Licht auf seinem Weg zu uns keine permanente Wellenlängenänderung auf, sondern verändern nur deren Laufzeit. Es gibt also keine Frequenzmodulation, sondern lediglich eine Phasenmodulation, die bei inkohärenter, polychromatischer Strahlung prinzipiell nicht messbar ist.

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 08 Jul 2017 22:17 #16751

Dass die Frequenz sich nicht ändert, einverstanden! Sind ja beide Transversalwellen.
Da die Radiostrahlung nicht monochromtisch ist, und inkohärent, sticht auch das zweite Argument.
Aber die Laufzeitänderungen, vorausgesetzt die Wellenfronten laufen parallel auf uns zu (maximaler Effekt), sollten sich bemerkbar machen.
Deshalb bleibt die Frage, wie präzise muss die Pulsfrequenz, nicht die Frequenz der Radiostrahlung gemessen werden können, um den Effekt heraus zu kitzeln.
Grüße
Thomas

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 08 Jul 2017 22:41 #16755

Richtig! Ich war davon ausgegangen, dass die Gravitationswelle quer zum Radiopuls läuft.

Laufen sie hingegen parallel, haben wir ein ganz anderes Problem: Und zwar bewegen sich ja beide Wellen mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn sie gleichzeitig beim Detektor ankommen, dann verzerrt die Gravitationswelle den Detektor jedoch gerade um denselben Faktor wie sie die Wellenlänge des zu messenden Lichtpakets verändert. Am Detektor selbst ist die Messung der Stärke einer überlagerten Gravitationswelle durch Analyse des eingehenden Lichtstrahls nicht möglich.

Wenn du auf die Pulsfrequenz abzielst, sprichst du von einer Amplitudenmodulation des Intensitätsverlaufs. Die Frequenz des Intensitätsverlaufs liegt bei Pulsaren unterhalb von 1kHz. Wenn eine Gravitationswelle durch die beschriebene Phasenverschiebung nun eine Intensitätsschwankung in dem Puls verursachen sollte, die wir als Oberschwingung auf den Intensitätsverlauf feststellen können sollen, dann müsste das schon eine sehr hochfrequente Gravitationswelle immenser Intensität sein. Und hochfrequente Gravitationswellen inmenser Intensität gibt es nur in der unmittelbaren Umgebung verschmelzender, suppermassiver schwarzer Löcher. Wenn das Licht, das wir untersuchen wollen, einen solchen Bereich durchlaufen haben sollte, wäre es von Strahlung aus der Akkretionsscheibe überlagert und/oder durch den Gravitationslinseneffekt bis zur Unkenntlichkeit verzerrt.

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 08 Jul 2017 23:24 #16758

Nicht das Licht soll untersucht werden, sondern die Pulsfrequenz des Pulsars.
In dem Gedankenexperiment gibt es auch keinen Gravitationslinseneffekt, denn zwischen dem Pulsar als Messinstrument und der Erde soll sich nichts befinden, was diesen Effekt verursachen könnte.
Auch Strahlung aus einer Akretionsscheibe, weder des Pulsars noch aus einer der Merger-SL spielt hier eine Rolle.
Das Mergerereignis liefert eine Gravitationswelle, die einem wie auch immer geartetem Chirpsignal entspricht.
Dieses Chirpsignal läuft in den Raum hinaus und ändert dabei seine Frequenz nicht.
Jetzt trifft es auf einen Pulsar und läuft mit dessen Pulsfrequenz weiter auf die Erde zu.
Das Chirpsignal sollte seine Eigenfrequenz jetzt der Pulsfrequnez des Pulsars überlagern wie du richtig sagst, quasi als Oberschwingung.
Wenn man in der Lage ist, die Pulsfrequenzen des Pulsars zeitlich so weit aufzulösen, wie es der Frequenz des Chirpsignals einer so gearteten Gravitationswelle entspricht, sollte diese Oberschwingung erkennbar werden.
Das ist die Idee.
Also nicht die Gravitationswellen des Mergerereignisses selber, sondern deren Chirpcharakter sollte sich der Pulsarperiode des Pulsars überlagern.
Ne, stimmt nicht, nicht der Pulsarperiode, sondern der Charakteristik des Einzelpulses. Der zeigt nämlich nicht die Charakeristik eines Impulses zum Zeitpunkt t, sondern hat einen zeitabhängigen Impulsverlauf, der einer gausschen Glockenkurve gleich kommt.
Und diesem Kurvenverlauf sollte das Chirpsignal überlagert sein.
Also lange Rede kurzer Sinn: wenn man einen Einzelpuls zeitlich hoch genug auflöst, dann sollte es möglich sein, eine Chirpsignalcharakteristik darin zu finden
Grüße
Thomas

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 09 Jul 2017 01:36 #16761

Ah, verstehe! Du meinst einen Merger, der jenseits(also von uns aus gesehen hinter) einem Pulsar stattfindet. Interessante Idee!

Ich glaube allerdings, dass man mit einer wie auch immer gearteten Messapparatur ausschließlich Gravitationswellen am Ort des Detektors nachweisen kann. Dh. wollte man die Strecke zwischen Pulsar und uns auf Gravitationswellen untersuchen, müsste man dort einen Spiegel aufstellen und die Flugzeit der Lichtstrahlen vermessen, die man dort hin schickt.

Und zwar präzisestens. Praktisch ist das am einfachsten zu realisieren mit einem Interferometer.

Die Flugzeit der Photonen aus der vom Pulsar ausgehenden Synchrotronstrahlung lässt sich jedoch nicht interferometrisch bestimmen, da sie keine kohärente Quelle ist, und da auch keine zwei unterschiedlichen Lichtwege an demselben Ort zusammengeführt werden. So weit - so klar.

Aber ich gehe noch einen Schritt weiter, und sage, die Flugzeit der Photonen aus einer inkohärenten Quelle sich überhaupt nicht beliebig genau bestimmen lässt. Und zwar aufgrund der Energie/Zeit-Unschärfe: Man kann nicht die Spektralverteilung und Intensität eines Lichtbündels beliebig genau bestimmen. Dazu bedarf es einer gewissen Billanz, die der Pulsar vermutlich nicht erreicht.

Um es sicher zu sagen, müssten wir einige Rechnungen anstellen. Dazu fehlt mir jedoch der nötige mathematische Hintergrund. Darum bleibt es an dieser Stelle bei einer Hypothese.

Aber danke auf jeden Fall für die Anregung!

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 09 Jul 2017 14:59 #16782

Reisender schrieb: Um es sicher zu sagen, müssten wir einige Rechnungen anstellen. Dazu fehlt mir jedoch der nötige mathematische Hintergrund.


Versuch doch wenigstens ansatzweise mal ein paar Rechnungen. Trau dich ruhig. Hab ich ja auch gemacht. Keiner hier wird dich deswegen an den Pranger stellen.

Nachvollziehbare Mathematik ist notwendige Grundlage zur Beurteilung von physikalischen Modellen.
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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 09 Jul 2017 16:50 #16789

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Hallo,

kann man das gleiche Prinzip auf Gravitationslinsen anwenden. Beim flackern des Lichtes z.B.

Bei Gravitationslinsen steckt ja eine Galaxie dahinter und so ergeben sich mehr Möglichkeiten.

Gruß 1234

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 09 Jul 2017 22:07 #16813

Hallo Thomas,

Das LIGO solche Ereignisse nicht detektieren kann hat mich erstmal verblüfft. Liegt das vielleicht daran das die Wellenlänge das Gravitationswellen bei der Masse einfach zu groß wird?

Interessanter Gedanke den du da mit den Pulsaren ins Spiel bringst. Auf die Idee muss man erstmal kommen viele Lichtjahre entfernte Objekte als Detektoren einzusetzen. Meinst du solche Mergerereignisse wären stark genug die Pulsare selbst für einen Moment aus ihrem ansonsten superpräzisen Takt zu bringen?

Oh man, wenn das wirklich geht... das eröffnet Möglichkeiten. Da sag ich einfach WOW! (vorausgesetzt die sind häufig genug das Physiker die zu Lebzeiten häufiger als einmal benutzen können)

Also da wären zum Beispiel: exakte Triangulation über viele Lichtjahre hinweg (soweit wie die Pulsare eben entfernt sind), eventuell sogar bis zum Merger selber!
exakte Entfernungsbestimmung aufgrund der Laufzeitunterschiede, Vielleicht auch eine genauere Bestimmung der Hubblekonstanten? Überprüfung der ART bzw. genaue Bestimmung der Raumzeitkrümmung im Gravitationspotential der Milchstraße... ich muss aufhören, die Fantasie geht grad mit mir durch^^

PS: ich mein, wenn das wirklich geht hätten wir Detektoren über die gesamte Milchstraße verteilt die alle a) zu unterschiedlichen Zeiten ansprechen und b) deren Signal uns zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Das gleiche Ereignis kann also zeiltich weit auseinanderliegend von verschiedenen Pulsaren detektiert und beobachtet werden. Das muss man sich mal vorstellen!

assume good faith

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assume good faith

Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 09 Jul 2017 22:27 #16815

Hallo Reisender,

jetzt weiß ich nicht mehr, wie ich auf deinen letzte Post antworten soll. Wir brauchen kein Interferometer, keine Spiegel, wir schicken auch keine Lichtstrahlen zum Pulsar und die Unschärferelationen haben hier auch nichts verloren.
Was wir machen, wir zählen die Photonen in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf ihres Eintreffens bezogen auf einen Puls! Sonst machen wir nix! Nur bezogen auf einen Puls.
Laufen nun Gravitationswellen, erzeugt durch einen Supermerger über den Pulsar hinweg in unsere Richtung, dann geht man davon aus, dass die Chirpcharakeristik des Signals, so kurz die Frequenz auch immer sein mag, sich dem Pulsarpuls überlagert.
D.h., wenn man in der Lage ist, das Pulsarsignal zeitlich sehr hoch aufzulösen, und es ist nichts weiter als ein Anschwellen der Photonenzahl und dann wieder ein Abfall derselben, dass man dann eventuell dieses überlagerte Chirpsignal herausfiltern könnte.
Es gibt eine Arbeitsgruppe am Max Plankinstitut für Radioastronomie in Bonn, die sich dieser Fragestellung widmet.
Sie verfügen über ein weltweites Netz an Radioteleskopen und haben etwa 2500 Pulsare in ihrer Beobachtung.
Das Bemühen besteht jetzt darin, die zeitliche Auflösung der Einzelpulse so weit hoch zutreiben, dass man überhaupt eine Chance hat, diese Signale zu sehen.
Vielleicht ist jetzt klarer, um was es mir Eingangs ging.
Grüße
Thomas

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 10 Jul 2017 00:34 #16817

Ja, die Idee habe ich verstanden: Es soll nach Schwankungen in der Amplitude des Intensitätsverlaufs über die Zeit gesucht werden.

Mein Einwand besteht gerade darin, dass die Messgenauigkeit nicht beliebig weit hochgeschraubt werden kann. Selbst unter der Annahme beliebig weit fortgeschrittener Technologie könnte man den Lichtstrom zeitlich ja nur so genau auflösen, wie er auch ausgesandt wird. Am Ende hätten wir eine Liste mit Zeitpunkten und Frequenzen einzeln gemessener Photonen aus der Quelle.

Aber wie soll man aus dieser Liste diskreter Ereignisse auf die Überlagerung einer Gravitationswelle schließen? Das geht nur probabilistisch, also indem ich die bedingte Wahrscheinlichkeit der gesehenen Photonenverteilung vor der Nullhypothese (kein chirp) der Zielhypothese (chirp) gegenüberstelle.

Daraus kann ich dann - wenn ich ein valides Modell der Chirps habe - mit einer gewissen Unsicherheit sagen: "Da könnte jetzt was gewesen sein".

Dunmerweise kann ich so ein Experiment nicht beliebig oft wiederholen, denn dieselben zwei schwarzen Löcher mergen ja nicht soo oft.

Also stehe ich am Ende da, habe da ein Signal, und im ungünstigsten Fall ist die Nullhypothese beinahe ebenso wahrscheinlich wie eine sorgfältig vorausberechnete Zielhypothese.

Die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Chirp die Photonenverteilung korrekterweise (und nicht nur zufälligerweise) für die Zielhypothese spricht, hängt dabei von der Gesamtzahl an Photonen ab, die am Messvorgang beteiligt sind. Außerdem von deren spektraler Verteilung, dem Raumwinkel der Beobachtung und dem Beobachtungszeitraum. Alle diese Parameter sind in der sog. "Brillanz" einer Strahlungsquelle enthalten, die durchs physikalische Verfahren der Strahlerzeugung begrenzt ist. Sie kann auch nicht durch Optiken verbessert werden, und die Zusammenschaltung vieler Radioteleskope ist nichts anderes als eine Optik.

Meine Vermutung ist (und den Beweis mss ich leider vorerst schuldig bleiben), dass die Brillanz der Synchrotronstrahöung aller bekannter Radiopulsare zu gering sein könnte, um Gravitationswellen mit ausreichender Konfidenz überhaupt zu detektieren.
Bzgl der vorgeschlagenen Methode bin ich daher noch skeptisch.

Denoch bin ich sicher, dass die Kollegen vom MPI irgendwas finden werden, wenn sie die Telekope nur zusammenschalten und lange genug horchen. Ich bin auch schon sehr gespannt darauf, welche Erkenntnisse sie dabei letztendlich gewinnen!

LG
Reisender

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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 10 Jul 2017 09:05 #16828

Reisender schrieb: Dunmerweise kann ich so ein Experiment nicht beliebig oft wiederholen, denn dieselben zwei schwarzen Löcher mergen ja nicht soo oft.

Das nicht aber verschieden weit entfernte Pulsare könnten ein "Detektorsignal" zu uns senden. Es wäre also mit sehr akribischer Buchhaltung durchaus möglich das gleiche Ereignis mehrfach zu beobachten. Das Problem: da liegen nicht Millisekunden sondern vielleicht Jahre oder Jahrhunderte dazwischen was eine Zuordnung erschwert.

Ich hätte eine Frage zur Klarstellung: Entsteht der Effekt an der Quelle (also am Pulsar) oder auf dem Weg zwischen Pulsar und Erde?

assume good faith

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assume good faith

Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 11 Jul 2017 00:27 #16891

Hallo Merilix,

auf deine Frage, ob der Effekt am Pulsar entsteht oder auf dem Weg zu uns, kann ich nur mit einer Vermutung antworten, da ich das auch nicht genau weiß.
Aber nehmen wir mal an, dass die entstehenden Mergersignale nicht kugelförmig vom Ereignis weg laufen, sondern eher gerichtet, dann schränkt das schon mal die Trefferquote, dass Gravitationswellen auf laufende Pulsarsignale treffen,deutlich ein. Da kenne ich leider keine Häufigkeitsprognose.
Treffen die GW ziemlich genau seitlich, dürfte es keinen Effekt geben.
Laufen die GW aber in Ausbreitungsrichtung der Pulsarsignale oder nur in kleinen Winkeln davon abweichend, dann sollten sich die starken Amplituden der letzten Sekundenbruchteile des Chirps dem Pulsarsignal aufprägen, weil dadurch die Lichtlaufzeiten ein ganz klein wenig beeinflusst werden.
Das Licht der Pulse kommt mit Lichtgeschwindigkeit zu uns, die Pulsfrequenz eines Pulsars ist langsamer. Das würde bedeuten, wenn eine GW leicht schräg auf die Pulsarsignale in vergleichbarer Ausbreitungsrichtung zu uns auf die Pulse trifft, dass dann viele Pulse betroffen wären, mit am Anfang nur leichter Aufprägung auf die Einzelpulse, dann erreicht die Aufprägung ein Maximum und fällt dann wieder ab.
So stelle ich mir das vor.
Trifft eine GW einen Pulsar exakt von hinten, von uns aus gesehen, dann sollte es so sein, dass die Wellenfront in das Gravitationspotential des Neutronensterns hineinläuft und auf der uns zugewandten Seite wieder heraus kommt. Welche Form das Signal dann hat, weiß ich nicht. Und dass es sich dann auf einen Pulsarpuls setzt und diesen beeinflusst?
Dieses Ereignis ist mit einer so geringen Wahrscheinlichkeit verbunden, dass man das wahrscheinlich nicht beobachten wird.
Es setzt ja wirklich voraus, dass es beim Herauskommen aus dem Potential zeitgleich auf einen Pulsarpuls trifft. Passt das zeitlich nicht zusammen, dann laufen beide Signale mit LG, aber getrennt auf uns zu.
Wohlgemerkt, das ist jetzt meine Sicht der Dinge, ohne Anspruch auf Richtigkeit.
Grüße
Thomas
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Gravitationswellen und ihre Wirkung auf Radiopulsarstrahlung 11 Jul 2017 01:42 #16895

  • Chris
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Das Passt, kann ich unterschreiben, jedoch muss dieser Pulsar Göttlich positioniert und ausgerichtet werden, zum wohl unser Detektoren.
Dieser Effekt erinnert mich sehr an Strukturfarben also in der Natur gern Schemochrome bezeichnet.

Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

Man muss noch Chaos in sich haben, um einen tanzenden Stern gebären zu können.
**Der Friedrich**

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Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

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