Schwarze Löcher und Neutronensterne (Kurzvideos)

Mitte März ist es wieder soweit: dann unternehmen Lehramtsstudierende Physik der Universität Heidelberg bei uns im Haus der Astronomie drei Wochen lang einen intensiven Streifzug durch die Welt der Astronomie. Schwarze Löcher, Neutronensterne, Urknall, Exoplaneten – das sind für Schüler*innen nun einmal faszinierende Themen, und wer diese Themen als Physiklehrer*in vermitteln kann, ist klar im Vorteil. Zur Unterstützung erstellen wir Kurzvideos, mit denen sich unsere Studierenden einige Themen bereits vorab aneignen können. Zum Thema Kosmologie hatte ich ja 2017 bereits einige Kurzvideos gedreht, die ihr hier und hier findet.

Da die Videos hoffentlich auch bei Leser*innen dieses Blogs auf Interesse stoßen: Hier sind sie!

Neutronensterne

Im ersten der Videos geht es um Neutronensterne – also jene Sternreste, die bei der Supernovaexplosion eines massereichen Sterns entstehen. Einige davon machen sich durch ein regelmäßiges Blinken bemerkbar. Das sind die sogenannten Pulsare.

Für mich persönlich sind, wenig überraschend, die Doppelpulsare am spannendsten, also zwei sich umkreisende Neutronensterne, von denen mindestens einer ein Pulsar ist. Mit solchen Systemen lässt sich die Allgemeine Relativitätstheorie sehr genau auf die Probe stellen. Aber das ist dann wieder ein Video für sich!

Schwarze Löcher

Im zweiten Video sind Objekte an der Reihe, die noch kompakter sind als die Neutronensterne, nämlich Schwarze Löcher. Das sind im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie regelrechte Raumzeit-Gefängnisse – jedes davon ist ein abgeschlossener Bereich in den Materie zwar hineinfallen, aber niemals wieder entkommen kann:

Bei den Studierenden selbst kommen zu den Videos dann noch schriftliches Begleitmaterial und Möglichkeiten zum Selbsttest hinzu. In den Präsenzphasen werden wir dann ausgewählte Aspekte des Themas diskutieren, einige Dinge praktisch ausprobieren (z.B. das Rotationsexperiment mit dem Drehstuhl) und auch einige Aufgaben rechnen

Viel Spaß beim Anschauen! Fragen gerne hier unter dem Blogbeitrag.

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

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  1. Markus Pössel schrieb (8. Februar 2019):
    > Für mich persönlich sind, wenig überraschend, die Doppelpulsare am spannendsten, also zwei sich umkreisende Neutronensterne, von denen mindestens einer ein Pulsar ist. Mit solchen Systemen lässt sich die Allgemeine Relativitätstheorie sehr genau auf die Probe stellen.

    Andere (wie ich) finden die Allgemeine Relativitätstheorie von vornherein und jedenfalls auch weiterhin nützlich, weil sich damit u.a. die Annahme auf die Probe stellen lässt, dass ein bestimmtes beobachtbares astronomisches Objekt, z.B. ein bestimmter Pulsar, ein Bestandteil eines Systems aus exakt zwei einander umkreisenden Körpern wäre (und nicht stattdessen von weiteren Körpern, Gaswolken, Magnetfeldern oder Ähnlichem “umkreist” bzw. “beeinflusst” bzw. “gestört” wurde).

    > Fragen gerne hier unter dem Blogbeitrag.

    Bitte ergänzen Sie den folgenden Satz:
    “Die Allgemeine Relativitätstheorie hätte die Probe nicht bestanden, falls …”.

    • Wie in allen solchen Fällen wäre das ein umfassender Prozess, und es gibt mehrere Stufen von “nicht bestanden”. Wenn alle Messungen anzeigten, dass es sich tatsächlich um ein isoliertes System ohne viel umgebendes Gas handelte (dem Spektrum nach beurteilt) und die ART-Vorhersagen trotzdem nicht passten, wäre das ein Problem. Wenn die Abweichungen sich in derselben Weise bei allen solchen Systemen zeigten, wäre das ein noch größeres Problem. Wenn die Abweichungen darin bestünden, dass die Beobachtungsdaten (Puls-Zeitabstand-Variation) in eindeutiger Weise von den grundlegenden physikalischen Parametern (zwei Massen, Gesamtenergie) abhängen, aber auf messbar andere Weise als von der ART vorhergesagt, wäre das ein sehr ernstes Problem. Wenn noch hinzukäme, dass sich die Änderungen gut durch die Modellierung von Abweichungen im Bereich starker Gravitation (z.B. wenn das Licht des einen besonders nah am anderen Neutronenstern vorbeistreicht) erklären ließe, wäre das ein fatales Problem.

      Die meisten mit Relativitätstheorie befassten Physiker würden “Probe nicht bestanden” vermutlich zwischen der zweiten und der letzten Stufe ansiedeln. Welche Rückschlüsse daraus auf den Status der Theorie allgemein gezogen würden, würde sicherlich variieren und davon abhängen, was weitere Messungen zeigen. Sobald die Daten darauf hinwiesen, dass der Bereich starker Gravitation das Problem ist (dazu müssten dann insbesondere auch die Gravitationswellenmessungen von verschmelzenden Schwarzen Löchern in das Schema passen), dürfte die Einschätzung, dass die ART genau dort an ihre Grenzen stößt, sich recht bald recht weit verbreiten.

  2. @ Frank Wappler

    Das Gebilde ART ist von vielen Menschen erschaffen worden. Einstein hat seine Gleichungen aufgestellt und Schwarzschild, Kerr und andere haben nach Lösungen für diese Gleichungen gesucht. Einstein selbst war nie von der Korrektheit dieser Lösung überzeugt, denn den Ereignishorizont hat er für physikalisch unmöglich gehalten. Warum wollen Sie die gesamte ART anzweifeln, vielleich sollte man erst einmal untersuchen, ob die Lösungen von Schwarzschild und Kerr korrekt und vollständig sind.

    • @Jürgen Altenbrunn: Soweit ich sehen kann, geht es Herrn Wappler um die noch deutlich tieferliegende Frage, ob einzelne Messungen (evt.: ob Messungen überhaupt?) überhaupt wissenschaftliche Theorien widerlegen können, angesichts des Umstandes, dass Erwartungen für Messergebnisse nie von der Theorie an sich, sondern immer von auf der Theorie basierenden und weiteren Modellen abhängen.

  3. Markus Pössel schrieb (17. Februar 2019 @ 14:12):
    > Soweit ich sehen kann, geht es Herrn Wappler um die noch deutlich tieferliegende Frage, ob einzelne Messungen (evt.: ob Messungen überhaupt?)

    … richtig: sowohl hinsichtlich jeder einzelnen Messung, als auch aller Messungen insgesamt …

    > überhaupt wissenschaftliche Theorien widerlegen können,

    … Stimmt. …

    > angesichts des Umstandes,

    … (eine nochmalige, möglichst kurz-und-bündige Begründung siehe unten) …

    > dass Messergebnisse nie von der Theorie an sich, sondern immer von auf der Theorie basierenden und weiteren Modellen abhängen.

    ???

    Sind wir uns denn immer noch nicht mal darüber einig, was ein “Messergebnis” ist, und wovon dieses folglich abhängt, bzw. nicht abhängt ?!?

    Deshalb gerne nochmal:
    Ein Messwert a ist das Ergebnis der Anwendung eines (von vornherein festgesetzten) Messoperators  auf die gegebenen Beobachtungsdaten ψ eines einzelnen, gültigen Versuchs; die dann ggf. auch als ψ_a bezeichnet werden.

    (Die damit verbundenen Formalitäten:
    a := ⟨ ψ_a | Â ψ_a ⟩ / ⟨ψ_a | ψ_a ⟩
    ,

    sowie
    ⟨ψ | ψ ⟩ > 0

    und

    ⟨ ψ | Â ψ ⟩ * ⟨ ψ | Â ψ ⟩ = ⟨ Â ψ | Â ψ ⟩ * ⟨ψ | ψ ⟩

    sollten doch bekannt und unstrittig sein …)

    Dazu sind ausdrücklich weder Kenntnis von irgendwelchen Ergebnissen eventueller vorausgegangener Versuche erforderlich, noch irgendwelche Erwartungen, welches Ergebnis in diesem Versuch erhalten würde, oder gar welche Ergebnisse in eventuellen folgenden Versuchen noch erhalten werden mögen.

    Außerdem liegt jeder einzelne so gewonnene Messwert zwangsläufig im Wertebereich (Spektrum) des betreffenden, zur Ermittlung dieses Messwertes angewandten Messoperators Â;
    und kann diesen Messoperator folglich nicht “widerlegen“.

    • @Frank Wappler: Ich habe die in der Eile unterschlagenen Worte “Erwartungen für” in meiner vorherigen Antwort ergänzt. Allgemein der Hinweis, dass, wenn Sie Unklarheiten vermuten, eine kurze Nachfrage vermutlich zielführender ist als auf Spekulationen dazu, worin die Unstimmigkeit besteht, gleich längliche und formelgespickte Kommentare aufzubauen…

  4. Markus Pössel schrieb (15. Februar 2019 @ 10:29):
    > […] Wenn […] die Beobachtungsdaten (Puls-Zeitabstand-Variation) in eindeutiger Weise von den grundlegenden physikalischen Parametern (zwei Massen, Gesamtenergie) abhängen, […]

    Die Abhängigkeit ist doch selbstverständlich eindeutig und umgekehrt:

    Die Werte (oder sofern es sich lediglich um Abschätzungen handeln sollte: die Vertrauensbereiche der Werte)
    der relevanten grundlegenden physikalischen Parameter (nämlich Gesamtenergie des betrachteten Systems, sicherlich auch Gesamtdrehimpuls, und wie diese im Systems ggf. auf wie viele einzelne unterscheidbare Konstituenten verteilt sind)
    wird durch aus den genannten Beobachtungsdaten überhaupt erst geschlussfolgert!

    Und zwar in den betreffenden Fällen konkret: durch Anwendung der entsprechenden Messgrößendefinitionen der ART auf diese Beobachtungsdaten!

    > […] Wenn […] es sich tatsächlich um ein isoliertes System ohne viel umgebendes Gas handelte (dem Spektrum nach beurteilt)

    Dann wäre ggf. das Modell auf die Probe gestellt (und hätte ggf. “bestanden”), dass eine solche “spektrale Beurteilung” (wohl insbesondere in Anwendung der Messgrößen der Theorien von elektromagnetischer, schwacher und starker Wechselwirkung) mit der ART-Bewertung übereinstimmt.

    (Offensichtlich wäre das nicht logisch-zwingend bzw. definitionsgemäß der Fall, denn schließlich ist (im Rahmen der Modelle, die die ART-Messwerte zusammenfassen) auch “dunkle Materie” diskutabel;
    bzw. ist es im Gegenzug ganz irrelevant, ob die genannten “Puls-Zeitabstand“-Daten mit irgendwelchen elektro/schwach/stark wahrnehmbaren “Spektrum“-Wahrnehmungen verbunden gewesen wären.)

    > […] und die ART-Vorhersagen trotzdem nicht passten, wäre das ein Problem.

    Die ART enthält aber keinerlei Vorhersage darüber, ob irgendwelche klumpig oder gasartig verteilten Konstituenten “dunkel” gewesen wären, oder inwiefern nicht. Solche Vorhersagen sind stattdessen Gegenstand von astronomischen (bis kosmologischen) Modellen; und diese werden so ggf. auf die Probe gestellt.

    > Wenn alle Messungen anzeigten, dass […]
    > Wenn die Abweichungen sich in derselben Weise bei allen solchen Systemen zeigten, […]

    Die obige Argumentation gilt in und für jeden einzelnen Versuch, in dem Beobachtungsdaten (Puls-Zeitabstand-Variation) gesammelt und die Werte der relevanten grundlegenden physikalischen Parameter (einschl. deren wahrscheinlichster Verteilung im betreffenden System) daraus ermittelt würden.

    Falls die Ergebnisse aus mehreren solchen Versuchen in Zusammenhang gebracht werden sollen, dann handelt es sich dabei erst recht um (astronomische bis kosmologische) Modelle, die “auf der Probe stünden”.
    Die Messoperationen, die versuch für Versuch eingesetzt wurden, also die (operativen) Definitionen der betreffenden Messgrößen an sich, stehen dabei aber nicht auf der Probe, sondern waren und bleiben nachvollziehbar.
    (Damit soll auch Markus Pössels Kommentar 18. Februar 2019 @ 14:14 beantwortet sein.)

    • Beobachtungsdaten und Modellparameter: Nein, die Abhängigkeit verläuft zunächst einmal von den Modellparametern zu den erwarteten Beobachtungsdaten-Werten. Diese Abhängigkeit verwendet man dann z.B. im Rahmen einer bayesianischen Abschätzung, um aus den tatsächlichen Beobachtungsdaten auf die tatsächlichen Werte für die Modellparameter zu schließen. (Wobei man dann zusätzlich noch ein Modell für die Fehler benötigt; die Fehler sorgen dazu, dass die Zuordnung von beobachteten Beobachtungsdaten-Werten zu Modellparameter-Werten eben nicht eindeutig ist.)

      ART-Vorhersagen: Sobald ich mich (auf die geschilderte Weise) überzeugt habe, dass es sich in der Tat um ein isoliertes System handelt, sagt die ART bestimmte Beziehungen zwischen Beobachtungseffekten und Parameterwerten (Massen, Umlaufzeit etc.) vorher. Wenn meine Beobachtungsdaten die nicht erfüllen, und insbesondere wenn sich eine systematische, alle entsprechend modellierten Systeme in gleicher Weise betreffende Abweichung ergibt, dann wird das als starkes Indiz gewertet werden, dass das Problem bei der zugrundeliegenden Theorie liegen könnte. Die Systematik der Abweichung ist dabei wichtig. Wenn beispielsweise das ART-basierte Modell jeweils Lichtablenkung und Shapiro-Effekt gut vorhersagen würde, aber die erschlossene Gravitationswellen-Leistung systematisch (sagen wir: in allen betrachteten Fällen um denselben Faktor 1.5) danebenläge, dann ist das nicht schnell mal durch ein paar lichtschwache Gasklumpen wegerklärt.

      Modell vs. Theorie: Nein, was Sie sagen ist in der Praxis falsch. Das ist zwar durchaus kein einfacher Schwarz-Weiß-Prozess, bei dem ein einziges widersprechendes Ergebnis die Theorie zu Fall bringt, aber wenn es mit vertretbaren Modellen für die beobachteten Situationen systematisch und wiederholt nicht möglich ist, im Rahmen einer bestimmten zugrundegelegten Theorie zutreffende Vorhersagen für Beobachtungswerte zu treffen, dann wird das als Evidenz gegen die zugrundeliegende Theorie gewertet werden. Und die Theorie ggf. durch eine bessere ersetzt. Wenn Sie diesen Prozess nicht beschreiben können, dann geht ihre Auffassung der Wechselbeziehung von Modell und Theorie in einem wichtigen Punkt an der Wirklichkeit des Wissenschaftsbetriebs vorbei.

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