Gravitationswellen-Astronomie

DPG-Lehrerfortbildung

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Karl-Heinz Lotze (U Jena), Prof. Dr. Andreas Malmendier (Utah State University), Dr. Frank Ohme (MPI für Gravitationsphysik, Hannover), Dr. Gudrun Wanner (Leibniz Universität Hannover) 

im Physikzentrum Bad Honnef
26. bis 30. Juni 2023

gefördert von

 

 

 

Gravitationswellen sind winzige Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreiten. Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zufolge entstehen sie bei einer Vielzahl astronomisch interessanter Prozesse, wie etwa bei der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern, aber auch im frühen Universum kurz nach dem Urknall. Gravitationswellen-Astronomie hat das Ziel, mit Hilfe von Gravitationswellen Informationen über kompakte Himmelskörper wie Schwarze Löcher und Neutronensterne, über Supernovae und über Prozesse im frühen Universum zu gewinnen.
Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist das Ziel grosser internationaler Detektor-Kollaborationen wie LIGO, GEO600 und VIRGO. Die Gravitationswellen-Teleskope sind riesige Michelson-Interferometer, bei denen die modernsten Erkenntnisse der Quantenoptik Anwendung finden. Das LIGO-Konsortium hat zum ersten Mal im September 2015 direkt Gravitationswellen von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern nachweisen können. Im Jahr 2017 wurden Barry Barish, Kip Thorne and Rainer Weiss dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Indirekte Beweise für die Existenz von Gravitationswellen ergaben sich allerdings schon in den Achtziger Jahren durch die Beobachtung eines Doppelpulsars. Theoretisch vorhergesagte Abstrahlungsverluste durch Gravitationswellen müssen eine Verringerung des Abstandes beider Sterne zur Folge haben, was wiederum deren Umlaufdauer reduzieren sollte. Diese Verringerung der Orbitalperiode konnte tatsächlich durch radioastronomische
Beobachtungen bestätigt werden, wofür schon 1993 Joseph Taylor und Russell Hulse mit dem Nobelpreis geehrt wurden.
Die Gravitationswellen-Astronomie bietet auch aus pädagogisch-didaktischer Sicht viel. Fundamentale Theorien der Physik wie Mechanik, Optik, Wellentheorie, Relativitätstheorie und Astronomie verbinden sich hier mit Datenanalyse und einer Vielzahl von Simulationen, Projekten und Lehrplänen, die online zur Verfügung stehen und die Behandlung von Gravitationswellen-Astronomie als multimediales und interaktives Lernprojekt fördern können.
In den Vorträgen und Workshops sollen einige wichtige Konzepte aller Facetten der Gravitationswellen-Astronomie herausgearbeitet und Ideen und Anregungen für den Physikunterricht entwickelt werden. Wir wollen insbesondere fragen, welche neuen astronomischen Erkenntnisse wir den ersten Jahren der direkten Beobachtung von Gravitationswellen verdanken und welche Pläne für den Bau neuer Detektoren es gibt. Auch historische Aspekte sollen eine Rolle spielen.

Themen und Referenten (Stand 14.02.23)

Einführung. Überblick
• Dr. Felicitas Mokler (MPI für Radioastronomie, Bonn): Gravitationswellen - Vorhersage, Entdeckung und ihre Bedeutung in der aktuellen Astrophysik und Kosmologie

Theoretische Grundlagen. Historisches
• Prof. Dr. Bernd Brügmann (Universität Jena): Gravitationswellen – was Einstein noch nicht sehen konnte
• Prof. Dr. Karl-Heinz Lotze (Universität Jena): Gravitationswellenastronomie – eine didaktisch orientierte Einführung in ihre Grundlagen
• Prof. Dr. Andreas Malmendier (Utah State University): Gravitationswellen von Neutronen- und Black-Hole-Doppelsternen – eine elementare Behandlung
• Dr. Markus Pössel (Haus der Astronomie Heidelberg): Gravitationswellen-Nachweis mit Licht – wie geht das eigentlich?
• Prof. Dr. Tilman Sauer (Universität Mainz): Ein Blick in Einsteins Originalarbeiten über Gravitationswellen

Gravitationswellen: Quellen und Detektoren
• Dr. David Champion (MPI Radioastronomie Bonn): Using pulsars to detect supermassive binary black holes
• Prof. Dr. Michèle Heurs (AEI Hannover): Hochtechnologie für die interferometrische Gravitationswellen-Detektion
• Harald Lück (Universität Hannover): Das Einstein Teleskop und die Zukunft der erdgebundenen Gravitationswellendetektoren
• Dr. Gudrun Wanner (Leibniz Universität Hannover): LISA – Gravitationswellenmessungen im Weltraum

Beobachtungen, Astronomische Erkenntnisse
• Dr. Christian Ecker (Universität Frankfurt): Neutronensterne – Beobachtungen und physikalische Eigenschaften (Arbeitstitel)
• Dr. Frank Ohme (AEI Hannover): Signale in verrauschten Daten interpretieren
• Dr. Sebastian Völkel (AEI Potsdam): Gravitationswellen und Tests der Relativitätstheorie

Workshops
• K.-H. Lotze, A. Malmendier: Workshop mit Originaldaten zu den Vorträgen der beiden Autoren
• Ute Kraus und Corvin Zahn (Universität Hildesheim): Die Geometrie von Gravitationswellen
• Prof. Dr. Ronny Nawrodt (Universität Stuttgart) und Dr. Lukas Maczewsky (Universität und Erasmus-Gymnasium Rostock): Hands-on Experimente zur
Gravitationswellendetektion
• PD Dr. Hans-Peter Nollert (Universität Tübingen): Gravitationswellen in der Schule?

Ablauf: Der Kurs beginnt am Montag mit einem gemeinsamen Mittagessen um 12:30 Uhr, und endet nach einem Mittagessen 12:30 - ca. 14:00 Uhr am Freitag.

⇒ Programm

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