Künstlerische Konzeption eines Doppelpulsars (Quelle: John Rowe Animations/CSIRO Astronomy and Space Science)
Künstlerische Konzeption eines Doppelpulsars (Quelle: John Rowe Animations/CSIRO Astronomy and Space Science)

Neutronensterne sind bizarre Sternenüberreste von Supernovaexplosionen. Der Kern des Sterns bricht nach dem Erlöschen der Kernfusion, die ihn bis dahin mit ihrem Strahlungsdruck stabilisieren konnte, unter dem Gewicht der darüberliegenden Massen zusammen. Der Druck ist dabei so groß, dass die Elektronen in die Atomkerne gedrückt werden und sich mit Protonen unter Aussendung von Neutrinos zu Neutronen umwandeln, so dass die Kernteilchen schließlich so dicht gepackt sind wie in einem gigantischen Atomkern. Übrig bleibt ein Objekt mit der 1,4 bis ca. 2-fachen Masse der Sonne, komprimiert auf einen Durchmesser um die 20 km. Ein Kubikzentimeter Neutronensternmasse würde ungefähr eine Milliarde Tonnen wiegen, soviel wie ein Kubikkilometer Wasser.

Da der Vorläufstern rotierte, rotiert auch der Neutronenstern, und aufgrund des Pirouetteneffekts tut er das mit rasender Geschwindigkeit, bis mehrere Male pro Sekunde. Es gibt sogar Neutronensterne, deren Drehung durch einfließendes Material von einem Begleitstern noch weiter beschleunigt wird, so dass sie sich bis zu hunderte Male pro Sekunde drehen, man spricht dann von Millisekundenpulsaren. Auch das Magnetfeld des Vorläufersterns wird in einem Neutronenstern konserviert, komprimiert und damit immens verstärkt. Wenn er hinreichend schnell rotiert und seine Magnetfeldachse gegen die Rotationsachse geneigt ist, sendet er Radiowellen aus, er wird zum Pulsar. Überstreicht der Ausstrahlungskegel die Erde, so empfangen wir periodische Radiosignale. So wurden die ersten Neutronensterne entdeckt.

 

Gleich und gleich gesellt sich gern

Als wenn ein Neutronenstern nicht schon bizarr genug wäre, gibt es sie gelegentlich sogar im Doppelpack, und solche Doppelneutronensterne sind aus wissenschaftlicher Sicht besonders spannend, weil der anhand der Radiosignale exakt messbare Tanz der beiden Sterne umeinander ein hervorragender Test für die Allgemeine Relativitätstheorie ist. So vergeht die Zeit im Schwerefeld langsamer und beschleunigte Massen sollten Gravitationswellen abstrahlen. Den ersten Hinweis auf Gravitationswellen lieferte dann auch bereits 1981, lange vor der direkten Messung 2015 durch das LIGO-Gravitationswellen-Interferometer, der nach seinen Entdeckern benannte Hulse-Taylor Pulsar PSR1913+16, bei dem zwei Neutronensterne sich umkreisen, von denen einer ein Pulsar ist.

Beobachtete (rote Punkte) vs. von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte (blaue Linie) Verschiebung der Periastron-Durchgangszeiten aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen für den Hulse-Taylor-Pulsar. Bild: Wikimedia.org, gemeinfrei.

Beobachtete (rote Punkte) vs. von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte (blaue Linie) aufsummierte Verschiebung der Umlaufperiode aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen für den Hulse-Taylor-Pulsar. Bild: Wikimedia.org, gemeinfrei.

Natürlich gelingt es nicht, so ein Objekt im Teleskop umeinander kreisen zu sehen; die Umlaufzeit der Neutronensterne kann vielmehr durch Messung der Radiofrequenz des Pulsars exakt bestimmt und beobachtet werden, denn wenn er sich uns nähert, wird seine Frequenz durch die Bewegung in unsere Richtung und den Dopplereffekt ein wenig erhöht, bzw. ein wenig abgesenkt, während er sich von uns entfernt; gleichzeitig kann man so die Geschwindigkeit und die Massensumme der beiden Objekte bestimmen. Wenn man den Umlauf viele Perioden lang beobachtet, kann man die Umlaufzeit auf Sekundenbruchteile genau bestimmen. Und beim Hulse-Taylor-Pulsar fand man genau die durch Abstrahlung von Gravitationswellen erwartete Verringerung der Umlaufzeit, denn wenn die Sterne Energie abstrahlen, rücken sie enger zusammen und kreisen schneller umeinander. Im Bild oben ist zu sehen, wie der Start der Umlaufperiode, z.B. der Durchgang auf der Bahn durch die Sichtlinie zum Beobachter, mit den Jahren zunehmend früher eintritt, weil sich die Umlaufzeit verkürzt. Irgendwann werden sie kollidieren – was LIGO im August 2017 zum ersten Mal bei einem Neutronensternpaar in einer fernen Galaxie nachweisen konnte.

Einen noch besseren Test für die Relativitätstheorie ermöglichte die Entdeckung des bislang einzigen aufgespürten Doppelpulsars PSR J0737-3039, denn da hier beide Neutronensterne Radiosignale aussenden, konnte man  die einzelnen Massen und die genauen Umlaufbahnen bestimmen. Dies erlaubte die Messung von mehreren, von der Relativitätstheorie vorhergesagten Effekten: Apsidendrehung (siehe unten), gravitative Rotverschiebung, Gravitationswellenabstrahlung und die Shapiro-Verzögerung. Außerdem konnte mit seiner Hilfe die Rate von Neutronenstern-Verschmelzungen in der Milchstraße besser abgeschätzt werden.

Das PALFA-Programm

Seit 2004 sucht ein unter der merkwürdigen Abkürzung PALFA (Arecibo L-band Feed Array 1.4 GHz Survey for radio Pulsars) laufendes Kooperationsprogramm mit dem 305-m-Radioteleskop bei Arecibo auf Puerto Rico nach Pulsaren. Das Arecibo-Observatorium kann aufgrund seines festen Einbaus in einem Talkessel nur einen kleinen Teil der Milchstraße beobachten, zwei Zonen die von Puerto Rico aus gesehen durch den Zenit ziehen, und zwar die Bereiche 32°-77° und 158°-214° galaktischer Länge. Im Bereich von ±5° galaktischer Breite sucht man im sogenannten L-Band von ca. 1,4 GHz (21 cm Wellenlänge) diese Zonen nach den Radiosignaturen von Pulsaren ab. Trotz des beschränkten Suchbereichs wurden von PALFA bisher insgesamt 180 neue Pulsare aufgespürt, darunter 22 Millisekundenpulsare und  3 Doppelneutronensterne.

Das PALFA-Projekt verwendet sowohl vollautomatische Suchpipelines, die auf einem Rechner vor Ort in Arecibo und auf dem Guillimin-Rechner der McGill-Universität in Montreal, Kanada laufen, als auch das Citizen-Science-Projekt Einstein@Home, um nach Pulsar-Signalen zu suchen. Die aufgenommenen Daten liegen auf Rechnern der Cornell University in Ithaca, New York und enthalten mehrere Millionen Kandidatensignale, die noch zu untersuchen sind. Es wird erwartet, dass das Projekt 1000 Terabytes an Daten produzieren wird.

 

PSR J1946+2052

In einer in den Astrophysical Journal Letters vom 20. Februar 2018 veröffentlichten Arbeit berichtet eine internationale Forschergruppe um Kevin Stovall, auch unter Beteiligung von Instituten aus Deutschland, von der Entdeckung eines neuen Doppelneutronensterns. Mit der lokalen Rechnerpipeline in Arecibo, welche die Daten beinahe in Echtzeit analysiert, fand man im Juli 2017 die Signatur eines Pulsars mit einer Periode von 17 ms – also eines Millisekunden-Pulsars – der in nur 260 s Beobachtungszeit merklich seine Periode änderte, d.h. er beschleunigte offenbar, was darauf hindeutete, dass er ein anderes Objekt eng umkreiste. Im August und September wurde der Pulsar noch einmal von Arecibo sowie in Green Bank aus mit alternativer Empfänger-Hardware und Software zur Bereinigung des Signals von Ausbreitungseffekten beobachtet. Man suchte dabei auch nach Pulsarsignalen des Begleiters, fand jedoch keine.

Die Auflösung selbst des großen Arecibo-Radioteleskops beträgt nur 3,35 Winkelminuten, was zu ungenau ist, um die Quelle mit anderen möglicherweise optisch bereits katalogisierten Objekten zu identifizieren. Daher wurde das Very Large Array in New Mexico eingesetzt, welches dank Radiointerferometrie eine viel bessere Auflösung und damit Positionsmessung auf 0,09 Bogensekunden genau ermöglichte. Das Objekt befand sich demnach bei Rektaszension α=19h46m14,13s und Deklination δ=+20°52’24,64″, und daraus leitet sich der Name des Pulsars ab. Man suchte in verschiedenen Katalogen von Infrarot- und optischen Objekten nach einer Quelle an der betreffenden Position, fand jedoch nur jeweils den Vermerk über ein ausgedehntes Objekt dicht bei der Position, also eine Galaxie.

Darin konnte die Quelle jedoch nicht liegen: Man kann die Entfernung eines Pulsar im Radiobereich anhand der Dispersion des Radiosignals abschätzen: wie Licht in einem Medium werden Radiowellen an Elektronen im Gas der Milchstraße verlangsamt, und diese Verlangsamung ist wellenlängenabhängig, was zu einer Frequenzverbreiterung des Signals führt. Aus dieser Verbreiterung und der ungefähr bekannten Elektronendichte in der Milchstraße kann man auf die Entfernung rückschließen. Diese wurde mit 3,5-4,2 kpc (Kiloparsec) abgeschätzt, das entspricht 11,4 bis 13,7 tausend Lichtjahren und ist damit deutlich innerhalb der Milchstraße.

 

Entstehung des Systems

Aus der Rate, mit der sich die Pulsationsperiode verringert, ließ sich das Alter des Pulsars auf 290 Millionen Jahre abschätzen, und er hat, wie eingangs schon angesprochen, einen unsichtbaren Begleiter, mit dem er um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreist. Darauf deutet auch hin, dass sich seine Pulsationsperiode nur langsam verringert, was typisch für sogenannte “recycelte Pulsare” ist. Das sind Pulsare, deren Rotation sich mit dem Alter durch die Abstrahlung von Radiowellen verlangsamt hat, die aber dann durch einsetzenden anhaltenden Zufluss von Gas eines engen Begleitsterns wieder an Drehmoment gewinnen und so zu Millisekundenpulsaren werden.

Leider lässt sich die Masse der beiden Objekte bisher nur in Summe messen, sie beträgt 2,5 Sonnenmassen. Für den unsichtbaren Begleiter potenziell in Frage käme damit ein Weißer Zwerg oder ein Neutronenstern – ein schwarzes Loch wäre zu massiv, ein gewöhnlicher Stern zu groß und nicht unsichtbar. Ein Weißer Zwerg würde aber eher dazu neigen, die Bahn des Pulsars zu zirkularisieren, also kreisförmig zu machen; beobachtet wurde hingegen, dass die Bahn eine vergleichsweise hohe Exzentrizität hat (also eher elliptisch ist), was für eine frühere Supernova des Begleitsterns spricht, denn die explodieren normalerweise asymmetrisch und geben dem verbleibenden Sternenrest dann einen “Kick” wie ein Raketenantrieb. Damit muss der Begleiter ein Neutronenstern sein: es handelt sich um einen Doppelneutronenstern.

Die beiden Sterne umkreisen sich in einem mittleren Abstand von 346000 km, was nicht ganz der Strecke von der Erde zum Mond entspricht. Die Umlaufzeit beträgt dabei aber nur 1h53min ! Dies ist damit das engste Paar unter den bisher 16 bekannten Doppelneutronensternen.

Die Autoren konnten zurückrechnen, dass das System bei der Entstehung des Pulsars bereits recht eng mit einer Umlaufzeit von rund 4h und die Bahn relativ kreisförmig war. Die Autoren sehen in dem Doppelneutronenstern eine weiter fortentwickelte Kopie des Doppelpulsars J0737-3039. Bei diesem schließt man aus der geringen Eigenbewegung, mit der sich das System durch den Raum fortbewegt, aus der kreisförmigen Bahn und der geringen Diskrepanz zwischen Achsen- und Bahnneigung, dass der “Kick” des zuletzt explodierten Sterns nur gering gewesen sein kann (immerhin 70 km/s). Dies ist wiederum dann zu erwarten, wenn der ältere Neutronensternpartner der angehenden Supernova viel Material abgezogen hat und diese dann bei der Explosion nur einen geringen “Kick” entwickeln konnte. Außerdem entsteht so ein Neutronenstern mit untypisch kleiner Masse von nur 1,25 Sonnenmassen. Bei normalen Supernovae sind die Reste stets schwerer als 1,4 Sonnenmassen, der Chandrasekhar-Grenze zu den Weißen Zwergen. Für PSR  J1946+2052 erwarten die Autoren ebenfalls eine kleine Masse des Begleiters, eine geringe Eigenbewegung des Systems und keine Veränderung des Profils der Pulse aufgrund einer Präzession der Pulsarachse, die bei stärkerer Achsneigung zu erwarten wäre. Dies wollen die Autoren anhand weiterer Beobachtungen überprüfen.

 

Relativistische Effekte

Wie eingangs erwähnt sind Doppelneutronensterne hervorragende natürliche Labore zur Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aus dieser folgen für enge Systeme mit großen Massen sogenannte “Postkeplersche Bahnelemente”, die zusätzlich zu den Keplerelementen gelten, die auf Newtons Gravitationsgesetz beruhen. Eines dieser postkeplerschen Elemente ist die Rate der Apsidendrehung (weitere wurden eingangs beim Doppelpulsar genannt). Einstein hatte einst die Drehung des Merkur-Perihels erfolgreich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklären können.

Drehung der Apsidenlinie. Bild: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Drehung der Apsidenlinie. Bild: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Ein Teil der Periheldrehung des Merkur, die 571,91 Bogensekunden pro Jahrhundert beträgt,  geht auf Störungen der Bahn durch die anderen Planeten zurück, aber ein kleiner Teil von nur 43,11″/Jahrhundert ist auf die Relativitätstheorie zurückzuführen.

J1946+2052 ist das Doppelneutronenstern-System mit der bisher kleinsten bekannten Umlaufzeit, und es zeigt entsprechend die größte Rate der Apsidendrehung. Sie beträgt 25,6° pro Jahr. Aus dieser Rate kann man im Rahmen der Relativitätstheorie darauf schließen, dass der Pulsar höchstens 1,31 Sonnenmassen und der Begleit-Neutronenstern mindestens 1,18 Sonnenmassen haben muss.

Wie sich die 2,5 Sonnenmassen genau auf die beiden Neutronensterne verteilen, kann man erst durch Bestimmung der Shapiro-Laufzeitverzögerung der Pulse im Schwerefeld des Begleiters schließen. Bei exakt gleichen Massen von 1,25 Sonnenmassen würde man eine Verzögerung von 0,262 ms erwarten, bei geringerer Masse des Begleiters demnach etwas weniger. Den Wert wollen die Autoren mit 10% Genauigkeit bis Mitte 2019 und mit 1% Genauigkeit bis Mitte 2025 bestimmt haben. Ebenso soll der Verfall des Orbits durch die Abstrahlung von Gravitationswellen auf 7,5% Genauigkeit bis Mitte 2019 und auf 0,2% bis Mitte 2025 gemessen werden. Die Bestimmung der Verfallsrate der Umlaufzeit soll eine Überprüfung der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einer Genauigkeit von 0,015%  ermöglichen – eine Größenordnung genauer als beim Hulse-Taylor-Pulsar, der bisher genauesten Messung (s.o.).

Aufgrund der geschätzten Verfallsrate der Umlaufzeit sagen die Autoren voraus, dass die beiden Neutronensterne in 46 Millionen Jahren verschmelzen werden, was deutlich kleiner als der für den Doppelpulsar bestimmte Zeitrahmen von 85 Millionen Jahren ist. Bereits jetzt strahlen die Neutronensterne eine Gravitationswellen-Leuchtkraft von 13% der Sonnenleuchtkraft (in elektromagnetischer Strahlung) ab. Beim Doppelpulsar sind es nur 6,2% und der bisherige Rekordhalter PSR J1757-1854 bringt es auf 10,8%.

Angesichts des kleinen Blickfelds des Arecibo-Radioteleskops rechnet man damit, dass es tausende solcher Systeme in der Milchstraße gibt. Durch das Aufspüren und Untersuchen weiterer Exemplare werden wir zukünftig besser verstehen, wie sie entstehen und schließlich miteinander verschmelzen, was wiederum unser Verständnis für die entsprechenden Gravitationswellenereignisse, die wir künftig häufiger beobachten werden, vertiefen wird.

 

Referenzen:

Originalartikel: K. Stovall et. al., “PALFA Discovery of a Highly Relativistic Double Neutron Star Binary“, The Astrophysical Journal Letters, 854:L22, 20. Februar 2018.

Artikel auf AAS Nova: Susanna Kohler, “PALFA Discovers Neutron Stars on a Collision Course“, 26. Februar 2018.

Über PALFA: ALFA Pulsar Studies, The PALFA Survey: Going to great depths to find radio pulsars, PALFA Survey

Kommentare (45)

  1. #1 stone1
    10. März 2018

    Wieder ein beeindruckender Artikel, gute Samstagvormittagsreiselektüre.
    Danke auch für das Erwähnen von Einstein@home, erinnert mich daran dass ich BOINC nach dem frischen Aufsetzen des Hauptrechner-OS im Rahmen des digitalen Frühjahrsputzes noch nicht installiert habe.

    Erst kürzlich bin ich von einem Neffen auf den Begriff “Magnetar” hingewiesen worden, eine bestimmte Art von Pulsaren, von der ich beschämenderweise noch gar nicht gehört hatte.
    Habs natürlich inzwischen nachgeschlagen, ein Grundlagenartikel zu den verschiedenen Erscheinungsformen von Neutronensternen, von Alderamin formuliert, wäre jedenfalls willkommen.

  2. #2 Alderamin
    10. März 2018

    @stone1

    Danke! Einstein@Home hat in der Tat in den PALFA-Daten vor ein paar Jahren (hab’s gerade nicht mehr präsent, wann genau) einen Doppelneutronenstern gefunden.

    Magentare kommen auf jeden Fall auch mal dran, aber bei den Grundlagen arbeite ich mich allmählich hoch, das wird noch ein bisschen dauern. Es sei denn, es gibt etwas Aktuelles zu einem Magnetar zu berichten (wie hier bei dem Doppelneutronenstern).

  3. #3 Das liebenswürdige Scheusal
    11. März 2018

    Alderamin

    So sehr ich deine texte mag. Sie sind einfach zu lang. Mach Serien draus. Erleichtert dir das veröffentlichen und Leuten wie mir, mit kürzerer Aufmerksamkeitsspanne, das Lesen.

  4. #4 stone1
    12. März 2018

    @Das liebenswürdige Scheusal

    Erleichtert dir das veröffentlichen

    Hab zwar selbst nur ein Quäntchen Erfahrung im Bloggen, aber das muss ich doch vehement verneinen. Ein Aufsplitten eines Beitrags erhöht den Aufwand sogar erheblich, die nötigen Mausklicks nimmt dir die Autorensoftware nicht ab. Bloggen besteht nicht nur aus dem Schreiben alleine.
    Von der entstehenden Aufsplitterung der Kommentare zum jeweiligen Thema will ich gar nicht anfangen.

    Ich halte auch das Veröffentlichen eines Beitrags auf mehreren Seiten, die man unter dem Artikel einzeln anklicken kann oder “Auf einer Seite lesen” auswählt, für nicht notwendig. Immerhin wäre das ein weder für den Blogger noch für die Leser besonders aufwändiger Mittelweg.

    Wenn ich längere Artikel nicht in einem Rutsch lesen kann oder will, lass ich einfach die Seite im Browser geöffnet und lese weiter, wenn ich dazu komme.

    Das wäre doch mal eine Frage, worüber man in diesem noch taufrischen Blog eine Leserbefragung durchführen könnte. Nur so als eventuell überlegenswerte Anregung @Alderamin.

  5. #5 Nestiiii
    Linz
    12. März 2018

    @stone1, @Das liebenswürdige Scheusal

    Leserbefragung:
    Was ich mir von einem Wissenschaftsblog erwarte: Details, Tiefe -> Länge.
    Wenn ich Kurzinfos will, kann ich die üblichen “News” lesen…
    Sehr gut gemacht also für mich Alderamin – höchstens an der Formatierung kann man immer noch etwas feilen.

  6. #6 Alderamin
    12. März 2018

    Also, die ersten Artikel über die Ariane, das CCD-Paper und vor allem die Koordinatensysteme sind zugegebenermaßen etwas lang geworden, vor allem letzterer blähte sich beim Schreiben auf wie das Universum. Den hätte ich besser teilen sollen und das wäre auch problemlos möglich gewesen. Aber einen Artikel über ein einzelnes Paper möchte ich eigentlich nicht aufteilen, ich kann dann höchstens Details weglassen oder tabellarisch werden.

    Wenn man mal den AAS Nova Artikel zum Vergleich nimmt, der ist zwar kürzer, der haut den Lesern aber auch die Pulsationskurve unerklärt um die Ohren und zählt nur die wichtigsten Messdaten in kurzer Schlagfolge auf, aber nicht, wie sie gewonnen wurden, warum man nur die Gesamtmasse kennt, wie sich die nichtkeplerschen Effekte zeigen, wie das System entstanden ist usw., was alles im Paper drin stand. Den Nova-Text einfach übersetzen wollte ich nicht, ich wollte das Paper wiedergeben, so komplett ich das den Lesern und mir zumuten konnte (den Teil über die Statistik der Häufigkeit von Pulsaren hatte ich selbst nicht so richtig verstanden und lieber weggelassen).

    Mit dem obigen war ich längenmäßíg eigentlich ganz zufrieden. Da ich noch nichts über Pulsare geschrieben hatte auf das ich hätte verweisen können, habe ich anfangs ein bisschen ausgeholt (gut, hätte einen Artikel von Florian verlinken können). Aber diese Länge ist ungefähr das, was Ihr von mir erwarten könnt (dafür sind es bei mir dann auch weniger Artikel als bei Florian; die Schlagzahl wird sicher noch etwas abnehmen, im Moment sprudelt es noch aus mir heraus). Wer meine Kommentare kennt weiß, dass ich gerne ausführlich bin, das ist mein Stil. Dafür mache ich öfters mal ein Unterkapitel.

    Den Artikel auf mehrere Seiten verteilen möchte ich ungern, ich find’s selbst immer schöner bei anderen Artikeln auf Scienceblogs, wenn man runterscrollen und die Länge auf einen Schlag sehen kann, dann kann man entscheiden, ob man sich gerade dann die Zeit nimmt, ihn zu lesen, oder später.

    Jeder Jeck Blogger ist halt anders. Aber ich versuche künftig mehr darauf zu achten, nicht allzu lang zu werden.

  7. #7 tomW
    12. März 2018

    Hallo Alderamin,

    weiß man eigentlich, wie so ein Neutronenstern aus der Nähe aussehen würde? Würde er leuchten oder eher dunkel sein, haben die Dinger so etwas wie eine Farbe?

  8. #8 Captain E.
    12. März 2018

    @tomW:

    Wenn ich mich nicht sehr irre, müsste ein Neutronenstern ziemlich heiß sein, und somit ein sehr helles Licht abgeben. Für das menschliche Auge müsste das daher weiß aussehen. Die höherfrequentere Strahlung des Neutronensterns dürfte allerdings eine mögliche Beobachterposition zu einem ziemlichen ungemütlichen Ort machen.

  9. #9 Alderamin
    12. März 2018

    @tomW

    Er würde normalerweise leuchten, weil Neutronensterne extrem heiß sind (wenn sie nicht uralt und abgekühlt sind; müsste jetzt recherchieren, wie lange das dauert). Wegen der hohen Temperatur müsste sein Licht blau-weiß sein, etwa wie Rigel im Orion, aber beim Crab-Pulsar finde ich zwei Farbangaben, die nicht so recht zu einem Temperaturstrahler passen, der ist im Visuellen eher gelblich, im Bereich Blau bis UV eher zu kurzen Wellenlängen hin heller, ich nehme an, dass der Lichtkegel des Hot Spots eine andere Farbe als der Rest des Objekts hat (über die Farbinidizes U-B und B-V schreibe ich demnächst mal etwas).

    Da ein Pulsar ziemlich klein ist, hat er aber nicht viel leuchtende Fläche, deswegen ist er im Vergleich zu echten Sternen nicht sehr hell. Der Vela-Pulsar hat 23,6 Größenklassen scheinbare Helligkeit in 250 LJ Entfernung, das wären dann 16,6 Größenklassen in 10 pc = 32 LJ Entfernung; da wäre die Sonne mit 4,8 absoluten Größenklassen ca. 50000mal heller, und die ist eigentlich keine so große Leuchte.

    Das Bild oben über dem Artikel ist jedenfalls keine besonders gute Repräsentation, weder farblich, noch vom Maßstab her. Der Doppelneutronenstern hat einen Abstand von fast dem des Mondes von der Erde, und die beiden Sterne sind nur ein paar km groß. Da würde man aus der Nähe nur zwei extrem helle, blauweiße Punkte sehen, die sich aber recht zügig bewegen würden.

  10. #10 Captain E.
    12. März 2018

    @tomW:

    Apropos “weiß”: Unsere Sonne sieht ja auch ziemlich weiß aus, obwohl sie astronomisch gesehen ein Gelber Zwerg ist, und selbst die viel kleineren Roten Zwerge kämen einem menschlichen Beobachter recht weiß vor. Das hat insgesamt aber mehr mit der Wirkungsweise des menschlichen Auges zu tun als mit dem abgestrahlten Spektrum.

    Die spektakulären astronomischen Fotos sind leider nichts, was man als Mensch mit seinen eigenen Augen sehen könnte, selbst wenn man mit einem überlichtschnellen Science Fiction-Raumschiff näher heranfliegen könnte.

  11. #11 tomW
    12. März 2018

    Alderamin und Captain E.

    Vielen Dank, wieder etwas gelernt.
    Das bringt mich gleich zu einer neuen Frage: Dieses exotische Material, aus dem Neutronensterne bestehen: kann man so etwas auch künstlich herstellen bzw. ist so etwas stabil?

  12. #12 Alderamin
    12. März 2018

    @tomW

    Nein und nein. Die Neutronen werden nur durch die gewaltige Schwerkraft zusammengehalten, kleinere Stücke davon würden nicht stabil sein. Selbst die Oberfläche des Neutronensterns ist noch von normalen Atomen bedeckt, nur unter dem Druck im Inneren bleiben die Neutronen gebunden, sonst würden sie sofort ausbrechen.

    Einzelne Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von 10 Minuten wieder zu Protonen. Deswegen entstehen bei Neutronensternverschmelzungen aus den Überresten schwere Elemente wie Gold und Uran, die große Mengen an Neutronen enthalten, wie wir im vergangenen Jahr gelernt haben. (Nachweis von Gravitationswellen eines verschmelzenden Doppelneutronensterns und Beobachtung der Überreste).

  13. #13 Captain E.
    12. März 2018

    @tomW:

    Tja, es ist zugleich völlig normal und zugleich sehr exotisch. Man bezeichnet es auch als “entartete Materie”, und das ist sicherlich nicht politisch zu verstehen. Die Neutronen sind in einem Neutronenstern ähnlich dicht gepackt wie in einem Atomkern, nur sind sie da mit Protonen gemischt und kein dermaßen reines Neutronium (einige Protonen und Elektronen gibt es natürlich immer noch). Und von der Menge her kommen Atomkerne logischerweise auch bei weitem nicht einen Neutronenstern heran. Die Ionen und Elektronen an der Oberfläche kann man aber natürlich herstellen – das nennt sich Plasma. Aber schon etwas tiefer sind die (Eisen-) Ionen dermaßen neutronenreich, dass sie unter irdischen Bedingungen schnell zerfielen. Im Kern könnte es freie Pionen und Kaonen geben, die sonst nur bei bestimmten Zerfallsprozessen auftreten und sehr kurzlebig sind, möglicherweise als “Bose-Einstein-Kondensat”. So etwas lässt sich bis zu einem gewissen Grad sogar im Labor herstellen, aber wohl nicht aus diesen Teilchen. Ganz tief im Innern könnte es sogar ein Quarks-Gluon-Plasma geben, und das bekommt man im Labor meines Wissens gar nicht hin.

    Für alles gilt aber, dass die Gravitation der große Stabilisator ist. Von daher tippe ich darauf, dass die gesamte entartete Materie sich schlagartig verändern würde, könnte man sie extrahieren. Freie Neutronen zerfielen in Protonen, Elektronen und Antineutrinos, Quarks verbänden sich zu Neutronen und Protonen, exotische Eisenisotope würden per Betazerfall zu höheren Ordnungszahlen trasnmutieren, bis stabile Isotope erreicht wären.

  14. #14 Captain E.
    12. März 2018

    @Alderamin:

    Wie muss man sich das vorstellen? In etwa so? Durch den Einfluss der Gravitation des anderen Neutronensterns, vor allem in der Form des Gezeiteneffekts und natürlich auch der Wucht des eigentlichen Zusammenpralls werden schwere Atomkerne aus der Hülle (z.B. Eisen und Nickel) und die freien Neutronen losgeschlagen. Die Atomkerne, soweit sie “zu” neutronenreich sind, mutieren per Betazerfall das Periodensystem hinauf und stehen gleichzeitig unter dem Einfluss eines massiven Neutronenflusses. Die Neutronen lagern sich an die (teils immer noch instabilen) Kerne an und die Betazerfälle gehen weiter und weiter. Nur mal ein par Zahlen: Eisen hat 26 Protonen im Kern, Nickel 28, Gold 79, Uran 92 und Plutonium 94. Da müssen sich also etliche Neutronen umwandeln, um die Ordnungszahl so weit zu erhöhen, und es müssen auch viele von schwereren Kernen eingefangen werden. Freie Neutronen zerfallen ja “nur” zu Wasserstoffkernen (= Protonen).

    Und wenn man es genau bedenkt, hatte die Schwerkraft der Neutronensterne einen Großteil der zuvor im Vorgängerstern erbrüteten Atome wieder zerschlagen und in Neutronen (oder womöglich sogar Quarks-Gluon-Plasma) verwandelt nur kraft der eigenen Gravitation. Die Menge der freigesetzten Gold- oder Uranatome dürfte trotzdem nur eine fast homöopathische Menge der Masse der Neutronensterne ausmachen, oder?

  15. #15 Alderamin
    12. März 2018

    @Captain E.

    Da bin ich kein Experte. Auf Wikipedia steht etwas über den R-Prozess, der da stattfinden soll. Oder frag’ mal bei Hans Zekl nach, der kennt sich damit anscheinend gut aus und hat das Thema in einem Blogartikel angeschnitten.

    Freie Neutronen zerfallen ja “nur” zu Wasserstoffkernen (= Protonen).

    Auch in Kernen mit vielen Neutronen gebundene Neutronen zerfallen zu Protonen (Beta-Minus-Zerfall). Ein Neutronenhaufen wird schnell zu irgendwelchen schweren Elementen mit vielen Protonen zerfallen. Die Kilonova der GW170817 leuchtet noch immer, garantiert wegen der Kernprozesse in der Explosionswolke.

    Die Menge der freigesetzten Gold- oder Uranatome dürfte trotzdem nur eine fast homöopathische Menge der Masse der Neutronensterne ausmachen, oder?

    Ja, aber trotzdem ist sie die vermutlich und überraschenderweise die Hauptquelle aller schweren Elemente.

  16. #16 tomW
    12. März 2018

    Fragestunde:

    Um wieviel langsamer würde eigentlich eine Uhr auf der Oberfläche eines solchen Objektes gehen?

    Und wenn zwei Neutronensterne kollabieren, bilden diese dann ab einer bestimmten Gesamtmasse ein schwarzes Loch?

    Danke für eure überaus verständlichen Antworten!

  17. #17 Captain E.
    12. März 2018

    @Alderamin:

    Da bin ich kein Experte. Auf Wikipedia steht etwas über den R-Prozess, der da stattfinden soll. Oder frag’ mal bei Hans Zekl nach, der kennt sich damit anscheinend gut aus und hat das Thema in einem Blogartikel angeschnitten.

    Wikipedia ist allerdings noch auf dem Stand, dass Supernovae die Hauptakteure seien. Ja, den r-Prozess meinte ich, aber dazu müssen die Neutronen ja erst einmal in ausreichender Dosierung freigesetzt werden. Das Ganze ist ja eine endotherme Reaktion, schluckt also ganz gewaltig Energie.

    Die Entstehung protonenreicher Isotope erklärt so etwas leider noch nicht. Daran arbeitet man wohl noch. Es gibt natürlich die “Photodesintegration”, die eine Erklärung wäre.

    Auch in Kernen mit vielen Neutronen gebundene Neutronen zerfallen zu Protonen (Beta-Minus-Zerfall). Ein Neutronenhaufen wird schnell zu irgendwelchen schweren Elementen mit vielen Protonen zerfallen. Die Kilonova der GW170817 leuchtet noch immer, garantiert wegen der Kernprozesse in der Explosionswolke.

    Richtig, nur tragen einsame Neutronen nichts dazu bei, die ganz schweren Brocken zu synthetisieren. Die bilden einfach nur wieder (in kleinen Mengen) Wasserstoff. Als Teil eines schweren Atoms führt ihr Zerfall halt zur Transmutation: Neutron raus, Proton rein, Ordnungszahl eins hoch und fertig ist ein neues Element.

    Ja, aber trotzdem ist sie die vermutlich und überraschenderweise die Hauptquelle aller schweren Elemente.

    Und das mehr als die üblichen Verdächtigen, die Supernovae. Aber es gilt, was ich oben geschrieben habe: Die Synthetisierung ist endotherm, schluckt also viel Energie. Na ja, nicht so viel wie die Fusion von Wasserstoff oder Helium freisetzt. Die Bindungsenergiekurve verläuft bei diesen Elementen wesentlich flacher. Aber da wird trotzdem einiges an Energie in all den Elementen jenseits von Eisen und Nickel deponiert.

  18. #18 tomW
    12. März 2018

    kollidieren

    sorry

  19. #19 UMa
    12. März 2018

    @Captain E.:
    Nach den Quellen hier werden wohl bei so einer Neutronensternverschmelzung etwa 0,04 Sonnenmassen Materie freigesetzt, davon vielleicht 0,01 Sonnenmassen r-Prozess Elemente.

    https://en.wikipedia.org/wiki/R-process
    https://arxiv.org/abs/1610.09381
    https://arxiv.org/abs/1710.05858
    http://physicstoday.scitation.org/doi/pdf/10.1063/PT.3.3815

  20. #20 Blake
    12. März 2018

    Bitte Artikel nicht aufteilen.
    Ich mag es lang. 😀

  21. #21 Blake
    12. März 2018

    Und unbeschnitten.

  22. #22 Captain E.
    13. März 2018

    @UMa:

    Nach den Quellen hier werden wohl bei so einer Neutronensternverschmelzung etwa 0,04 Sonnenmassen Materie freigesetzt, davon vielleicht 0,01 Sonnenmassen r-Prozess Elemente.

    Und die übrigen 0,03 Sonnenmassen? Wie bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern die Rotationsenergie?

  23. #23 UMa
    13. März 2018

    Andere normale baryonische Materie. Die 0,01 Sonnenmassen sind eine grobe Schätzung von mir.
    Mehr als in den Links steht, weiß ich auch nicht.

  24. #24 Alderamin
    13. März 2018

    @tomW

    Und wenn zwei Neutronensterne kollabieren, bilden diese dann ab einer bestimmten Gesamtmasse ein schwarzes Loch?

    Kommt auf die Massen der Neutronensterne an. Die exakte Grenze zwischen Neutronenstern und schwarzem Loch ist nicht genau bekannt, sie liegt wohl irgendwo zwischen 2,2 und 2,8 Sonnenmassen, und es gibt Neutronensterne mit abnormal geringer Masse unter 1,4 Sonnenmassen, es kann also gerade noch reichen (s.o., Massensumme 2,5 Sonnenmassen), dass ein Neutronenstern entsteht, insbesondere wenn er schnell rotiert, was ihn stabilisiert. Für zwei normal schwere Neutronensterne sollte aber eigentlich ein schwarzes Loch herauskommen.

    Um wieviel langsamer würde eigentlich eine Uhr auf der Oberfläche eines solchen Objektes gehen?

    Die Formel zur Berechnung der Zeitdilatation auf einer nicht-rotierenden Kugel (was ein Neutronenstern gerade nicht ist, aber sonst wird’s vermutlich kompliziert; die Formel dürfte dann aber zumindest an den Rotationspolen gelten) findet sich hier.

    Da ich rechenfaul bin, aber weiß, dass der Schwarzschildradius der Sonne rund 3 km ist und er proportional zur Masse ist, setze ich in die hintere Formel rs = 1,4 Sonnenmassen * 3 km / Sonnenmasse ein und komme bei einem Radius von ca. 10 km auf eine Dilatation von 0,76 für einen Neutronenstern von 1,4 Sonnenmassen. Die Zeit läuft also rund 25% langsamer. Wenn die Masse gegen die eines Schwarzen Lochs geht, muss sie natürlich noch langsamer gehen, beim Schwarzen Loch steht sie von außen besehen still am Schwarzschildradius.

  25. #25 scilo
    14. März 2018

    Ich mag deine Texte und sie sind mir nicht zu lang.
    Und wenn doch dann lese ich sie einfach auf Raten :-)

  26. #26 Jakalu
    15. März 2018

    Toller Artikel, toller Block. Freue mich echt das du dich entschlossen hast den Block zu starten. Vielleicht kommen ja auch mal größere Artikel zu ART oder sonstigen vielleicht eher populären Astronomie Themen?

  27. #27 Alderamin
    15. März 2018

    Danke. Kosmologie, SRT, ART kommen irgendwann auf jeden Fall mal dran, an Themen mangelt es aber noch nicht, bitte um Geduld. Zuerst mal die Grundlagen.

  28. #28 Frank Wappler
    https://www.google.de/search?q=%22lorentzian+distance%22+%22time-separation%22
    19. Juni 2018

    Alderamin schrieb (10. März 2018):
    > Doppelneutronensterne sind aus wissenschaftlicher Sicht besonders spannend, weil der anhand der Radiosignale exakt messbare Tanz der beiden Sterne umeinander ein hervorragender Test für die Allgemeine Relativitätstheorie ist.

    > […] der nach seinen Entdeckern benannte Hulse-Taylor Pulsar PSR1913+16, bei dem zwei Neutronensterne sich umkreisen, von denen einer ein Pulsar ist.

    > […] Wenn man den Umlauf viele Perioden lang beobachtet, kann man die Umlauf[dauer] auf Sekundenbruchteile genau bestimmen. Und beim Hulse-Taylor-Pulsar fand man genau die durch Abstrahlung von Gravitationswellen erwartete Verringerung der Umlauf[dauer], denn wenn die Sterne Energie abstrahlen, rücken sie enger zusammen und kreisen schneller umeinander.

    Damit wurde allerdings das Modell getestet, dass es sich bei dem beobachteten Hulse-Taylor Pulsar PSR1913+16 mit hoher Genauigkeit und durchwegs um ein System aus genau zwei Neutronensternen und nichts wesentlich sonst handelte.
    Die Definitionen der relevanten Messgrößen (“Umkreisung“, “Umlaufdauer”, “Energie“, “Enge” …), also die zugrundegelegte Theorie, wurden doch nicht getestet, sondern von vornherein vorausgesetzt und festgehalten, und wären auch dann noch nachvollziehbar geblieben, falls sich das genannte Modell (von PSR1913+16 als einem Binärsystem) als falsch herausgestellt hätte, oder sich noch als falsch herausstellen würde.

    > Einen noch besseren Test für die Relativitätstheorie ermöglichte die Entdeckung des bislang einzigen aufgespürten Doppelpulsars PSR J0737-3039, denn da hier beide Neutronensterne Radiosignale aussenden, konnte man die einzelnen Massen und die genauen Umlaufbahnen bestimmen. Dies erlaubte die Messung von mehreren, von der Relativitätstheorie vorhergesagten Effekten: Apsidendrehung (siehe unten), gravitative Rotverschiebung, Gravitationswellenabstrahlung und die Shapiro-Verzögerung.

    Damit wurde allerdings das Modell getestet, dass es sich bei dem beobachteten Doppelpulsars PSR J0737-3039 mit hoher Genauigkeit und durchwegs um ein System aus genau zwei Neutronensternen und nichts wesentlich sonst handelte.
    Die Definitionen der relevanten Messgrößen (neben den schon genannten offenbar außerdem: “Masse“, “Apsidendrehung“, “gravitative Rotverschiebung“, “Shapiro-Verzögerung” …), also die zugrundegelegte Theorie, wurden doch nicht getestet, sondern von vornherein vorausgesetzt und festgehalten, und wären auch dann noch nachvollziehbar geblieben, falls sich das genannte Modell (von PSR J0737-3039 als einem Binärsystem) als falsch herausgestellt hätte, oder sich noch als falsch herausstellen würde.

    p.s.
    Alderamin schrieb (#27, 15. März 2018):
    > […] SRT, ART kommen irgendwann auf jeden Fall mal dran

    Dem sehe ich mit freudiger Gespanntheit entgegen.
    (Dass insbesondere diese Theorien vorher “experimentell getestet und für falsch befunden” und deshalb verworfen würden, lässt sich ja ausschließen; im Gegensatz zu diversen Modellen, natürlich, die unter Verwendung ihrer Begriffe formuliert wurden, oder noch formuliert werden könnten.)

  29. #29 Alderamin
    19. Juni 2018

    Damit wurde allerdings das Modell getestet, dass es sich bei dem beobachteten Hulse-Taylor Pulsar PSR1913+16 mit hoher Genauigkeit und durchwegs um ein System aus genau zwei Neutronensternen und nichts wesentlich sonst handelte.

    Gibt’s denn daran ernsthafte Zweifel von irgendeiner Seite? Gibt’s eine Arbeit dazu? Die Abnahme der Umlaufzeit ist nicht periodisch, also kann’s kein naher Planet oder Stern sein. Ferne Objekte sollten auf den engen Doppelneutronenstern keinen Einfluss haben. Eine Abbremsung durch Gas scheidet aus, weil das eine Akkretionsscheibe bilden würde, die strahlen müsste. Außerdem sollte die Abbremsung durch ein Medium einen anderen Verlauf haben als durch Gravitationswellen, die mit geringer werdendem Abstand stärker werden. Ich bin sicher, das könnte man unterscheiden.

    Die Definitionen der relevanten Messgrößen (“Umkreisung“, “Umlaufdauer”, “Energie“, “Enge” …), also die zugrundegelegte Theorie, wurden doch nicht getestet, sondern von vornherein vorausgesetzt und festgehalten,

    Man testet die Vorhersage der Theorie für das betrachtete Modell. Selbstverständlich muss man die Theorie, deren Vorhersage man testet, zunächst einmal voraussetzen. Wenn das vorhergesagte Verhalten nicht eintritt, war dann entweder die Theorie oder das Modell falsch, und es muss die Ursache geprüft werden. Das vorhergesagte Verhalten wurde aber glänzend bestätigt (Taylor und Hulse bekamen sogar einen Nobelpreis dafür). Dass dies zufällig der Fall sein sollte, weil Modell und Theorie beide falsch sind, aber in einer Weise, dass insgesamt das vorhergesagte Verhalten trotzdem eintritt, wäre mehr als ungewöhnlich. Zumal Gravitationswellen mittlerweile direkt gemessen und damit unabhängig bestätigt wurden (LIGO).

    Damit wurde allerdings das Modell getestet, dass es sich bei dem beobachteten Doppelpulsars PSR J0737-3039 mit hoher Genauigkeit und durchwegs um ein System aus genau zwei Neutronensternen und nichts wesentlich sonst handelte.

    Hier gilt das oben Gesagte entsprechend.

  30. #30 Frank Wappler
    https://scilogs.spektrum.de/relativ-einfach/gravitationswellen-nachweis-durch-ligo-und-virgo/#comment-25551
    19. Juni 2018

    Alderamin schrieb (#29, 19. Juni 2018):
    > [ … das Modell von PSR J0737-3039 als einem Binärsystem] Gibt’s denn daran ernsthafte Zweifel von irgendeiner Seite?

    Hinsichtlich des Versuchs, von dem Beobachtungsdaten auf der Erde in den Jahren ca. 1979 – 2004 aufgezeichnet wurden: wohl kaum.
    Hinsichtlich anderer, vorausgegangener oder anschließender Versuche: selbstverständlich.

    > Gibt’s eine Arbeit dazu?

    Eigentlich J.M. Weisberg, J.H. Taylor, “Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis”.
    Aber: anstatt zu betonen, dass dadurch das o.g. Modell getestet (und für zutreffend befunden) wurde,
    und es dabei zu belassen, die Messwerte der entsprechenden Modellparameter (Table 1 und folgend) zu präsentieren,
    schreiben die Autoren zugegebenermaßen auch von “test of gravitation theory“.

    > Die Abnahme der Umlauf[dauer] ist […]

    … in Fig. 1 dargestellt; und offenbar sehr genau so, wie es für ein Binärsystem (nach Definition der Allgemeinen Relativitätstheorie) zu erwarten wäre, d.h. selbstverständlich einschließlich der allmählichen und beschleunigten Abnahme/Dämpfung der Umlaufdauer wegen der Abstrahlung von Gravitationswellen.

    Falls (unter Anwendung der selben, nachvollziehbaren Messmethodik) andere Messwerte gefunden worden wären, und insbesondere solche, die die Modell-Annahme (von Pulsar B1913+16 als Binärsystem) widerlegt hätten, dann wären eben jene anderen Modelle gültig geblieben, die die Messwerte zusammenfassen (einschl. denkbarer “Akkretionsscheiben-Strahlung“, usw. usf.).

    > […] Ich bin sicher, das könnte man unterscheiden.

    Ich auch. …
    Das (bloße) offenbare Ausbleiben von nachweisbarer/signifikanter “Akkretionsscheiben-Strahlung“, um bei diesem Beispiel zu bleiben, ist jedenfalls kein Ersatz für die präsentierten Messwerte.
    Und das gegenteilig denkbare Auftreten und Detektieren solcher Strahlung wäre auch kein Ersatz für Messwerte (gewesen), sondern lediglich ein weiterer Anlass, damit eventuell verbundene “Abbremsung” (oder “Beschleunigung”?) der Pulsar-Umlaufdauer zu modellieren.

    > Man testet die Vorhersage der Theorie für das betrachtete Modell.

    Man formuliert Modelle mit den Begriffen und Werten aus den Wertebereichen der Messgrößen, die jeweils eine bestimmte, nachvollziehbare, festhaltbare Theorie zur Verfügung gestellt hat.
    Man sammelt Beobachtungsdaten und ermittelt Messwerte entsprechend der zugrundeliegenden Messgrößen-Definition(en).
    Und erst damit/dann testet man die Vorhersagen des einen oder anderen Modells durch Vergleich mit den Messwerten.

    > Wenn das vorhergesagte Verhalten nicht eintritt, war dann entweder die Theorie oder das Modell falsch […]

    Nein: dann sind (nur) alle Modelle falsch/falsifiziert, die die ermittelten Messwerte nicht vorhersagten bzw. zusammenfassten.
    Alle anderen Modelle verbleiben (dadurch korroboriert); bis auf Weiteres.
    Und die Theorie (Begriffe, Definitionen, Theoreme) bleibt in jedem Falle so, wie schon von vornherein war.

    p.s.
    > Zumal Gravitationswellen mittlerweile direkt gemessen und damit unabhängig bestätigt wurden (LIGO).

    Wurde denn tatsächlich und direkt gemessen, dass die LIGO-Pendel-Endstufen (jeweils bestehend aus “Test”- und “Reaktions”-Massen) sich bei Aufzeichnung der bekannten “(quasi-periodic) oscillating strain”-Signale “horizontal frei bewegten”, und dabei nicht signifikant “geschubst” wurden ?? — Das darf wohl (immer noch) ernsthaft bezweifelt werden. …

  31. #31 Spritkopf
    20. Juni 2018

    und dabei nicht signifikant “geschubst” wurden ??

    Genau! Neben dem ETM-Spiegel in Livingston stand nämlich einer der Experimentatoren und hat ihn mit einem kleinen Stöckchen angestupst. Und er hatte ein Handy am Ohr, damit er zeitgleich mit seinem Kollegen in Hanford stupst.

  32. #32 Frank Wappler
    http://never.attribute.to.sarcasm--what.more.patronizingly.may.be.construed.as.booze-headedness
    20. Juni 2018

    Spritkopf schrieb (#31, 20. Juni 2018):
    > Neben dem ETM-Spiegel in Livingston stand nämlich einer der Experimentatoren und hat ihn mit einem kleinen Stöckchen angestupst.

    Jeweils (mindestens) ein ETM-Spiegel wurde bisweilen tatsächlich (mittelbar) von den LIGO-Experimentatoren zu Testzwecken angestupst;
    allerdings mit geeignet “fortschrittlichen Stöckchen” (vgl. astro-ph/1608.05055).

    Was zumindest belegt, dass sich die LIGO-Spiegel so anstupsen lassen,

    – dass sich anhand des dabei aufgezeichneten “strain”-Signals nicht unterscheiden lässt, ob (“horizontal frei beweglichen Spiegeln”) eine Gravitationswelle passierte, oder ob die Spiegel (“in einer Region konstanter Krümmung”, “geeignet”) geschubst wurden; und

    – dass die ebenfalls umherstehenden WILCOXON™-Beschleunigungsmesser nicht “Alarm” schlagen.

    Und weshalb sich (wieder und immer noch) die Frage stellt, ob und wie gemessen wurde.

    p.s.
    > Und er hatte ein Handy am Ohr, damit er zeitgleich mit seinem Kollegen in Hanford stupst.

    Oder es gab z.B. eine bestimmte (“hinreichend weit entfernte und entsprechend starke”) astro-physikalische Stups-Quelle, deren Stups-Signal-Front alle “geeignet” angeschubst hätte … (Aber genug von solchen “Modellbau”-Spekulationen; bleiben wir beim Messen! ;)

  33. #33 Spritkopf
    20. Juni 2018

    @Wappler
    Dass die Spiegel über Photon calibrators gesteuert und damit in der Position der maximalen Auslöschung gehalten werden – was auch dazu verwendet werden kann, Gravitationswellen zu simulieren -, ist mir bekannt.

    Das, was Sie hier machen, hat allerdings eine ganz andere Dimension: Sie unterstellen den Physikern am LIGO, dass sie über die Spiegelsteuerung die beobachteten Gravitationswellenereignisse gefälscht hätten. Und das wirft die Frage auf, ob Sie für diesen schweren Vorwurf irgendwelche Belege haben. Haben Sie?

  34. #34 Alderamin
    20. Juni 2018

    > Man testet die Vorhersage der Theorie für das betrachtete Modell.

    Man formuliert Modelle mit den Begriffen und Werten aus den Wertebereichen der Messgrößen, die jeweils eine bestimmte, nachvollziehbare, festhaltbare Theorie zur Verfügung gestellt hat.
    Man sammelt Beobachtungsdaten und ermittelt Messwerte entsprechend der zugrundeliegenden Messgrößen-Definition(en).
    Und erst damit/dann testet man die Vorhersagen des einen oder anderen Modells durch Vergleich mit den Messwerten.

    Ob man das Modell “Doppelpulsar” vorher formuliert hat, weiß ich nicht (könnte es mir aber gut vorstellen, Einstein hatte ja Gravitationswellen vorhergesagt, und nach der Entdeckung der Pulsare dürfte klar gewesen sein, dass diese im engen Doppelpack eine Möglichkeit zur Überprüfung der Abstrahlung von Gravitationswellen bieten würden). Man kann in der Astronomie allerdings kein Experiment aufbauen, man muss nehmen, was der Himmel einem bietet. Der Hulse-Taylor-Pulsar wurde gefunden und dann wurden die Pulse über längere Zeit gemessen. Und dann mit der Vorhersage der Gravitationswellenabstrahlung verglichen. Sehe ich als ziemlich saubere Vorgehensweise an. Zumal, wie gesagt, Planeten und abbremsendes Gas sich durch unterschiedliche Signaturen in der Veränderung der Umlaufzeit verraten würden.

    Wurde denn tatsächlich und direkt gemessen, dass die LIGO-Pendel-Endstufen (jeweils bestehend aus “Test”- und “Reaktions”-Massen) sich bei Aufzeichnung der bekannten “(quasi-periodic) oscillating strain”-Signale “horizontal frei bewegten”, und dabei nicht signifikant “geschubst” wurden ?? — Das darf wohl (immer noch) ernsthaft bezweifelt werden. …

    Dass am 17. August 2017 Geräte an drei verschiedenen Orten (2x LIGO, 1x VIRGO) gleichzeitig (mit Lichtlaufzeitunterschied) ansprachen und man 2s später in Richtung der Quelle der Gravitationswellen einen Gammaburst registrierte, von dessen Position bis heute noch elektromagnetische Strahlung einer Kilonova ausgeht, war dann ein unglaublicher Zufall? Also wirklich…!

  35. #35 Frank Wappler
    20. Juni 2018

    Alderamin schrieb (#31, 20. Juni 2018):
    > Der Hulse-Taylor-Pulsar wurde gefunden und dann wurden die Pulse über längere Zeit gemessen.

    Richtig.

    > Und dann mit der Vorhersage der Gravitationswellenabstrahlung verglichen.

    Die konkrete Vorhersage beruht auf der konkreten Modell-Annahme, dass es sich beim Hulse-Taylor-Pulsar in hinreichender Näherung um ein (ansonsten im Sinne der ART weitgehend abgeschlossenes) Zwei-Körper-System handelt (mit der Pulsar-Quelle als einer der beiden wesentlichen Komponenten).

    > Sehe ich als ziemlich saubere Vorgehensweise an. Zumal, wie gesagt, Planeten und abbremsendes Gas sich durch unterschiedliche Signaturen in der Veränderung der Umlaufzeit verraten würden.

    Eben.
    Getestet wurde somit die o.g. Modell-Annahme: dass es sich beim Hulse-Taylor-Pulsar im wesentlichen um ein Zwei-Körper-System gehandelt hat; zumindest hinsichtlich desjenigen Abschnitts des Daseins des Hulse-Taylor-Pulsars, der von Hulse, Taylor et al. von 1975 – 2004 beobachtet wurde.

    Diesen Befund aber außerdem als “experimentellen Test von Begriffen, Definitionen oder Theoremen” auszulegen, ist … aufgebauscht.

    > Dass am 17. August 2017 Geräte an drei verschiedenen Orten (2x LIGO, 1x VIRGO) gleichzeitig (mit Lichtlaufzeitunterschied) ansprachen und man 2s später in Richtung der Quelle […] einen Gammaburst registrierte, [und] bis heute noch elektromagnetische Strahlung einer Kilonova ausgeht, war dann ein unglaublicher Zufall?

    Das behaupte ich jedenfalls nicht. Im Gegenteil: die Signale der drei genannten Detektoren erscheinen gut korreliert ( https://en.wikipedia.org/wiki/File:GW170817_spectrograms.svg ); und ich bezweifle nicht, dass die besagte Gammaburst- und EM-Quelle auch die Quelle der von LIGO/VIRGO aufgezeichneten Signale war.

    Aber: …

    > Quelle der Gravitationswellen

    … Wurde denn gemessen, dass die LIGO/VIRGO-Detektoren bei Beobachtung der Signale vom 17. August 2017 von einer von der o.g. Quelle ausgehenden Gravitationswelle passiert wurden und deswegen korrelierte “strain”-Signale aufwiesen ?

    Wurde gemessen, dass die Spiegel dabei hinreichend “frei-hängend/schwingend” geblieben waren,
    und dass sie nicht (wegen und im Zusammenhang mit genau dem genannten Burst-Signal genau der o.g. Quelle) korreliert “geschubst/geführt/angetrieben” wurden ??

    LISA (in Ausbaustufen mit mindestens fünf Satelliten) wird diese Messung zumindest im Prinzip leisten können.
    LIGO/VIRGO kann das, so weit ich verstehe, nicht.

  36. #36 Alderamin
    20. Juni 2018

    Diesen Befund aber außerdem als “experimentellen Test von Begriffen, Definitionen oder Theoremen” auszulegen, ist … aufgebauscht.

    Na ja, dem Nobel-Komitee hat’s offenbar gereicht.

    > Quelle der Gravitationswellen

    … Wurde denn gemessen, dass die LIGO/VIRGO-Detektoren bei Beobachtung der Signale vom 17. August 2017 von einer von der o.g. Quelle ausgehenden Gravitationswelle passiert wurden und deswegen korrelierte “strain”-Signale aufwiesen ?

    Es wurde der Zeitversatz der Signale an drei Orten gemessen und daraus kann man eine Richtung am Himmel ableiten (so ähnlich wie bei GPS auf der Erde). Die Richtung ist um ein paar Grad ungenau, aber im passenden Bereich wurde auch der nur 2s später detektierte Gamma-Burst verortet, und schließlich auch Strahlung in anderen Wellenlängen, die den Ort sehr genau messen ließen – in einer Galaxie, die ca. 130 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Die Entfernung passt wiederum zu derjenigen, die aus der “Gravitationswellenleuchtkraft” ermittelt wurde (wie das genau funktioniert, darüber fehlen mir die Kenntnisse, aber bei allen Gravitationswellenereignissen konnte aus dem Pegel eine ungefähre Entfernung geschlossen werden). Gemessen wurde der Zeitversatz der Gravitationswellen und ihre Intensität, aber dass die Richtung und Entfernung zu den Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum passen, ist ein mehr als ein starkes Indiz.

    In der Astronomie kann man keine Experimente machen. Der Erkenntnisgewinn erfolgt dort oft über Koinzidenzen oder Statistik. Noch nie hat ein Mensch gesehen, wie sich ein Stern entwickelt, und dennoch können wir aus der Beobachtung des scheinbar statischen Zustands vieler Sterne auf die Entwicklung schließen und die Lebenserwartung unserer Sonne berechnen. Oder anhand winziger Helligkeitsveränderungen auf Planeten schließen, die wir direkt niemals abbilden könnten.

    Wurde gemessen, dass die Spiegel dabei hinreichend “frei-hängend/schwingend” geblieben waren,
    und dass sie nicht (wegen und im Zusammenhang mit genau dem genannten Burst-Signal genau der o.g. Quelle) korreliert “geschubst/geführt/angetrieben” wurden ??

    Der Burst war 2s nach dem GW-Signal. Wenn wir Kausalität annehmen, ist es ausgeschlossen, dass der Gamma-Burst (der nicht einmal besonders stark war) die Spiegel beeinflusst haben könnte (was ohnehin auszuschließen ist, diese befinden sich in Metallröhren). Gammabursts noch viel stärkerer Intensität werden außerdem alle paar Tage im Weltall beobachtet, die lösen auch keine GW-Detektion aus. Und bei den GW-Ereignissen zuvor, die auf die Verschmelzung Schwarzer Löcher zurückgeführt werden, gab es keinen Gamma-Burst, was für diesen Fall auch nicht erwartet wird – es kann keine Materie beschleunigt werden, weil sämtliche beteiligte Masse hinter Ereignishorizonten verborgen ist. Was wiederum ein starkes Indiz dafür ist, dass Schwarze Löcher tatsächlich Ereignishorizonte haben und nicht einfach supermassive Sterne sind.

    LIGO/VIRGO kann das, so weit ich verstehe, nicht.

    Wieviel Evidenz braucht es denn, um Sie zu überzeugen, dass ebendies bei GW170817 der Fall war? In der Astronomie wurde das Ereignis als Durchbruch gefeiert.

  37. #37 Niels
    20. Juni 2018

    @Alderamin

    Ich mische mich bei so etwas wirklich ungern ein, aber glaubst du wirklich, dass auch nur der Hauch einer Chance besteht, dass eine Diskussion mit Frank Wappler zu irgendeiner Form von Erkenntnisgewinn führen könnte?

    Eine Meinungsänderung auf seiner Seite oder auch nur ein Eingeständnis, dass eine seiner Behauptungen vielleicht nicht hundertprozentig der Weisheit letzter Schluss sein könnte, ist ja schon einmal undenkbar.
    Gilt natürlich nicht nur für diese spezielle Debatte an dieser Stelle.

    Wie gesagt, ich halte mich bei so etwas eigentlich immer raus.
    Aber zu sehen, wie mit deinen extrem geduldigen und äußerst ausführlichen Antworten deine Zeit verschwendest, tut mir beinahe körperlich weh.

    Das Argument, dass eigentlich für den stillen Mitleser geantwortet wird,verfängt hier meiner Meinung nach auch nicht.
    So wie Frank Wappler schreibt, kann ich mir nämlich wirklich nicht vorstellen, dass jemand mehr als höchstens zwei seiner Kommentare überhaupt liest.

    Das klingt jetzt natürlich arg gönnerhaft und es ist natürlich völlig deine Sache, mit wem du was diskutierst.
    Du steckst allerdings momentan offensichtlich extrem viele Stunden in deinen Blog. Wäre wirklich extrem bedauerlich, wenn diese meiner Ansicht nach völlig sinnlose Zusatzbelastung der eine Tropfen ist, der dir die Lust an der ganzen Sache verleidet.

    Soweit ich es mitbekommen habe, wärst du auch bei weitem nicht der einzige Scienceblogger, der Frank Wappler einfach ignoriert.

    Vielleicht liege ich auch ganz falsch und deine Stammkommentatoren können sich mal dazu äußern.
    Wer weiß, vielleicht bringen ihnen die Diskussionen mit Wappler ja doch etwas und sie lesen doch seine Beiträge?

    Na ja, entschuldige jedenfalls bitte diesen Meta-Kommentar.
    Bitte lösche ihn, wenn du ihn auch nur als ein kleines bisschen störend empfindest.

  38. #38 Frank Wappler
    21. Juni 2018

    Alderamin schrieb (#36, 20. Juni 2018):
    > […] Gemessen wurde der Zeitversatz der Gravitationswellen und ihre Intensität […]

    Die in der schon oben verlinkten Darstellung der GW170817-Messwerte so bezeichnete “Normalized amplitude” ist die (bzgl. “noise amplitude spectral density”) normalisierte Amplitude der Spektraldichte der Messgröße “strain”; d.h. letztlich des Unterschieds der beiden “Armlängen” des Interferometers, bzw. des Frequenzspektrums der (eventuellen) Veränderung dieses Unterschieds.

    Messungen von “(Veränderung von) strain” alleine können schlicht nicht unterscheiden, ob

    – “strain-Veränderung” wegen/mit (quasi-periodisch) veränderlicher Krümmung der Detektor-Region (in anderen Worten: wegen Passage einer Gravitationswelle) mit “(horizontal) frei-beweglichen” relevanten Detektor-Komponenten (bei LIGO/VIRGO: insbesondere das sogenannte “4th pendulum”, bestehend aus “test mass” und “reaction mass”), oder

    – “strain-Veränderung” wegen/mit (quasi-periodisch) veränderlicher Beschleunigung relevanten Detektor-Komponenten (d.h. insbesondere jeweils eines oder jeweils beider “4th pendula”)

    gemessen wurde.

    > Wieviel Evidenz braucht es denn […] ?

    Ich finde es ja auffallend respektabel, wenigstens diese Frage zu stellen.
    Die relevante Frage wäre allerdings:

    Ungeachtet irgendwelcher Indizien, wie wäre denn “Krümmung” (einschl. ihrer eventuellen quasi-periodischen Variation) an sich definitionsgemäß und im Prinzip überhaupt zu messen ??

    Und die meiner bescheidenen Auffassung nach relevante Antwort (die denjenigen offenbar weitgehend unbebekannt erscheint, die mir Gelegenheit bieten, darauf öffentlich hinzuweisen) ist:
    ein sogenannter five-point curvature detector nach J. L. Synge (“Relativity. The general theory”, chap. IX, § 8),
    bzw. die entsprechende “Fünf-Punkt-Zehn-Arm-Interferometer”-Implementierung (z.B. als Ausbaustufe von LISA).

  39. #39 Frank Wappler
    http://wo.X.draufsteht--und.X.drin.ist--und.X.hineinkommt--muss.nicht.unbedingt.nur.X.herauskommen
    21. Juni 2018

    Frank Wappler schrieb (#38, 21. Juni 2018):
    > […] ein sogenannter five-point curvature detector nach J. L. Synge (“Relativity. The general theory”, chap. IX, § 8), […]

    Sollte stattdessen sein: chap. XI, § 8.

  40. #40 Alderamin
    21. Juni 2018

    Keine Sorge, Niels, solange Gespräche in freundlichem Ton stattfinden, habe ich keine Probleme damit, und bei mir auf dem Blog war das bisher der Fall (bis auf eine Ausnahme, die dann im Killfile landete).

    Das Schreiben verleiden würde mir höchstens, wenn keiner meine Artikel mehr liest. Interessanterweise sind es oft die Artikel, die in 2-3h erstellt sind, die die meiste Resonanz finden. Das Durchwälzen der Gaia-Papers ist hingegen ziemlich aufwändig, ich bin ja kein Wissenschaftler, der täglich mit diesen Methoden und Abkürzungen arbeitet. Kann schon mal 8-10h dauern. Der Asteroiden-Artikel neulich wurde 20mal öfter gelesen, als der letzte Gaia-Artikel (und 3mal öfters, als der Spitzenreiter zuvor). Auf den Mix kommt es an.

  41. #41 Alderamin
    21. Juni 2018

    oder

    – “strain-Veränderung” wegen/mit (quasi-periodisch) veränderlicher Beschleunigung relevanten Detektor-Komponenten (d.h. insbesondere jeweils eines oder jeweils beider “4th pendula”)

    gemessen wurde.

    Was könnte die Beschleunigung denn außer einer Gravitationswelle auslösen? An drei weit voneinander getrennten Standorten?

    bzw. die entsprechende “Fünf-Punkt-Zehn-Arm-Interferometer”-Implementierung (z.B. als Ausbaustufe von LISA).

    Immerhin waren ja schon 6 Arme an der letzten Detektion beteiligt (und durch den Versatz auf der Erdkugel lagen diese auch nicht in einer Ebene). In Indien sollen bald zwei weitere LIGO-Arme hinzu kommen. Es werden sicherlich noch weitere solcher Anlagen entstehen und die Ortung der Quellen von Gravitationswellenereignissen verbessern.

  42. #42 Spritkopf
    21. Juni 2018

    Was könnte die Beschleunigung denn außer einer Gravitationswelle auslösen? An drei weit voneinander getrennten Standorten?

    Exakt diese Diskussion ist schon drüben bei Markus Pössel geführt worden. Mit etwa dem Ausgang, wie ihn Niels oben prognostiziert hat.

  43. #43 Alderamin
    21. Juni 2018

    Danke. Da die Diskussion dort offenbar schon in aller Ausführlichkeit geführt wurde und Markus ohnehin weitaus sachkundiger in der RT ist als ich, verweise ich auf Deinen Link und beschließe den Gesprächsfaden an dieser Stelle. Ich bin ja (glaube ich) für meine Geduld bei Scienceblogs bekannt, aber die Geduld von Herrn Pössel ist offenbar noch ein bis zwei Größenordnungen größer als meine…

  44. #44 Frank Wappler
    http://your.mileage.may.vary
    21. Juni 2018

    Alderamin schrieb (#40, 21. Juni 2018):
    > Was könnte die Beschleunigung denn außer einer Gravitationswelle auslösen? An drei weit voneinander getrennten Standorten?

    Solche Fragen lassen die Experimentalphysik kalt. Es interessiert allein:
    Wurden Beschleunigungen ausgelöst, Standort für Standort, Versuch für Versuch ? — Ja oder Nein?.

    Ansonsten: zwar ist mir (mittelbar) von mindestens einem Signal einer (dadurch) bestimmten astro-physikalischen Quelle bekannt, das an weit voneinander getrennten Detektoren für erhebliche und korrelierte Impulse sorgte (genannt SN 1987A).
    Aber solche Modelleien gehen sehr weit an meinem Interesse vorbei, wie man überhaupt misst bzw. testet, und was von Behauptungen zu halten wäre, es ließe sich experimentell testen, wie man misst bzw. testet.

    > [ “Fünf-Punkt-Zehn-Arm-Interferometer”-Implementierung (z.B. als Ausbaustufe von LISA).] Immerhin waren ja schon 6 Arme an der letzten Detektion beteiligt […]

    Ich stelle fest, dass (noch) nicht ganz erfasst wurde, wie wesentlich der Unterschied zwischen einem “Fünf-Punkt-Zehn-Arm-Interferometer” und drei (oder meinetwegen fünf oder noch mehr) einzelnen (Drei-Punkt-)Zwei-Arm-Interferometern ist;

    bzw. der Unterschied zwischen eine Syngeschen “five-point-curvature-detector”, und zehn oder noch mehr einfachen Paaren, von denen jeweils der eine den anderen sehen konnte (ruhig nochmal Synge, “Rel. Gen. Th.”, ch. xi, §8, S. 408 ff. nachlesen);

    oder z.B. (auch wenn mich diese Analogie etwas verlegen macht) der Unterschied zwischen fünf Fahrrädern und einem Fünfachser

  45. #45 Karl-Heinz
    21. Juni 2018

    @Frank Wappler

    Was könnte die Beschleunigung denn außer einer Gravitationswelle auslösen? An drei weit voneinander getrennten Standorten?

    Solche Fragen lassen die Experimentalphysik kalt. Es interessiert allein:
    Wurden Beschleunigungen ausgelöst, Standort für Standort, Versuch für Versuch ? — Ja oder Nein?.

    Du hast keine Ahnung von Physik und wagst es in deren Namen zu sprechen, na sowas . :-(