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Hartmut Abele 1 WDH zum 31.5.06 Äquivalenzprinzip: Schwere Masse gleich träger Masse n schwaches Äquivalenzprinzip n Einsteinsches Äquivalenzprinzip n.

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1 Hartmut Abele 1 WDH zum Äquivalenzprinzip: Schwere Masse gleich träger Masse n schwaches Äquivalenzprinzip n Einsteinsches Äquivalenzprinzip n starkes Äquivalenzprinzip

2 Hartmut Abele 2

3 3 Orbit von S2 um SgrA* Fitkurve = Keplerbahn  Test für das Gravitationsgesetz bei extremen Massen ? ( Sonnenmassen)

4 Hartmut Abele 4

5 5 The Pioneer Anomaly: The Data, Its Meaning, and a Future Test Michael Martin Nieto Los Alamos National Laboratory University of California Physics Dept. Colloquium University of Toronto 29 Sept. 2005

6 Hartmut Abele 6 A) THE DATA Pioneer F (10) at the Cape Pioneer 10: 2 March 1972

7 Hartmut Abele 7 Meanwhile …

8 Hartmut Abele 8 Pioneer 10/11: Main Missions

9 Hartmut Abele 9

10 10 As preparing for 1994 talk on gravity and anti-matter (see Bled Proceedings), John ed: By the way, the biggest systematic in our acceleration residuals is a bias of 8 X 10^-13 km/s 2 directed toward the Sun. This is 8 Angstroms/s 2 !! a N = 5.93 x km/s 2, at 1 AU

11 Hartmut Abele 11 THE EXTERNAL REACTIONS 1)“IT MUST BE A GLITCH THAT WILL GO AWAY WITH TIME. THIS CODE WORKS!” 2)IT DID NOT GO AWAY. “BUT WHO CARES? IT IS SMALL AND THINGS WORK WELL ENOUGH.” 3)THEN WE STARTED STRONLY ASSERTING THAT THE EFFECT REALLY IS IN THE DATA. 4)“WELL, IT MUST BE THE CODE AFTER ALL. DON’T BOTHER US ANY MORE UNLESS YOU SHOW US IT IS NOT THE CODE.” … MUMBLE GRUMBLE 5)FINALLY ANOTHER CODE was used besides ODP… CHASMP.

12 Hartmut Abele 12 From CHASMP (Aerospace)

13 Hartmut Abele 13 Early Data

14 Hartmut Abele 14

15 Hartmut Abele 15 What do we really “know” from the big study? For Pioneer 10: between ~ AU ( ) a P(expt) Pio 10 = (7.84 +/- 0.01) x cm/s 2 For Pioneer 11: between ~ AU ( ) a P(expt) Pio 11 = (8.55 +/- 0.02) x cm/s 2 Analysis for both Pioneers with systematics: a P = (8.74 +/- 1.33) x cm/s 2 SEEN only on these small (~250 kg) craft on hyperbolic orbits. NOT SEEN on large, bound, astronomical bodies. But REMEMBER, this is really a Doppler shift, that is only INTERPRETED as an acceleration.

16 Hartmut Abele 16 What do we only “suspect” or not know? Pioneer 10 shows an “effect” starting only at ~10 AU. Before Saturn encounter (at 10 AU) and the transition to hyperbolic orbit, Pioneer 11 did not show the anomaly. We have no real idea how far out the anomaly goes. a P continues out roughly as a constant from about 10 AU. BUT:

17 Hartmut Abele 17 Onset of the Anomaly? At Saturn Pioneer 11 reached escape velocity and anomaly had big error. Is it a drag turning on or the escape velocity? (Pio 10 escaped at Jupiter.)

18 Hartmut Abele 18 Widerspruch zum planetaren Radioranging (Viking) bei 200 AU

19 Hartmut Abele 19 Lunar Laser Ranging Präzisionsmessungen zur Überprüfung von Gravitationstheorien Apollo 14 – Reflektor: 100 corner cubes, je 3,8cm im Durchmesser auf einem Aluminiumpaneel. Jeder corner cube reflektiert einfallendes Licht wieder zurück zum Herkunftsort Seminarvortrag Peter Krötz

20 Hartmut Abele 20 Apollo 11 Apollo 14 Apollo 15 Lunakhod 1 Lunakhod 2 Positionen der Reflektoren auf der Mondoberfläche Seminarvortrag Peter Krötz

21 Hartmut Abele 21 ‚corner cube prism‘ drei zueinander senkrechte, reflektierende Ebenen werfen das Licht wieder in die Ursprungsrichtung zurück (Fahrrad-Katzenauge) Apollo 15 Reflektor: 300 corner cubes, 3,8cm Durchmesser Wegen 3x größerer Fläche der ‚beliebteste‘ Reflektor Seminarvortrag Peter Krötz

22 Hartmut Abele 22 Link Efficiency: größte Verlustquelle: Divergenz der Laserstrahlen: -Atmosphärisches Seeing 1''  2km auf Mond -Ungenauigkeiten im Reflektor: 7-10''  18km auf Erde dazu Teleskop-, Empfänger- und Quanteneffizienz, ergibt totale Effizienz von. Bei einem 115mJ Laserpuls Photonen) erhält man also 5 Photonen pro Puls. Seminarvortrag Peter Krötz

23 Hartmut Abele 23 Schwierigkeiten: - Relativgeschwindigkeiten durch Erddrehung von ~ 400 m/s - Radialgeschwindigkeiten durchElliptizität der Mondbahn von ~50m/s - Atmosphärischer Brechungsindex 1  Verspätung des Lasers um 1,6m - Temperatur-, Druck- und Luftfeuchtigkeitsmessungen um atmosph. Störungen zu modellieren (Modellungenauigkeit 3mm bei <10° Höhe, submm bei über 25° über Horizont - Messungen zu 3 verschiedenen Reflektoren um genaue Orientierung zu erlangen - Gezeitenkräfte verzerren Oberfläche: Mond ~10cm Erde ~35cm alle 12 Stunden;  Gravimetermessungen mit 0,1mm Genauigkeit - Hochdruck und starker Regen können die Kruste um weitere Millimeter verzerren Seminarvortrag Peter Krötz

24 Hartmut Abele 24

25 Hartmut Abele 25 AUFBAU  hinge reibungsloses Scharnier (Feder), bietet Schutz vor Beschädigung durch Stöße  zero length spring Aufhängung, Justierverbindung zur Messablesung  levers Justierhebel  micrometer Präzisionsschraube  gear box Übersetzungsgetriebe  mass Testmasse EXPERIMENT – AUFBAU: ERLÄUTERUNG b Seminarvortrag Christoffer Heinz

26 Hartmut Abele 26 Über die auf einer Kugel bekannten Potentialverteilungen – innerhalb eines bestimmten Raumwinkels – lässt sich nach Jackson (1975), S. 63 das Potential eines Punktes außerhalb dieser Kugel berechnen. In Analogie wurde der g-Faktor über eine Verteilung bekannter g-Faktoren auf unserer Erdoberfläche berechnet. Die Erde konnte dabei hinsichtlich der vorherigen Modifizierungen der Ortsfaktoren kugelförmig angenommen werden: Skizze II Seminarvortrag Christoffer Heinz

27 Hartmut Abele 27

28 Hartmut Abele 28 Eöt-Wash Apparatur n Apparatur besteht aus einer kontinuierlich rotierenden Torsions- waage und einem mitrotierenden optischen System, alles auf einem Drehtisch installiert. n Periodendauer: min n Draht und Pendel im Vakuum. Draht auf konstanter Temperatur, da  T;  T=-1,3  4,8 µK n Helmholtzspulen sorgen für homogenes Magnetfeld Seminarvortrag W. Unger

29 Hartmut Abele 29 Eöt-Wash Autokollimator n Eckspiegel sorgt dafür, dass nur die horizontale Komponente gemessen werden muss. n /4 Plättchen dreht Polarisationsebene, damit nur das gespiegelte Licht in den Photodetektor gelangt. n Das Vakuum-Fenster ist verkippt, damit keine Totalreflexion in Strahlrichtung auftritt. Seminarvortrag W. Unger

30 Hartmut Abele 30 Das Eöt-Wash Experiment Verbesserungen TILT-Correction: n Durch Gezeitenkräfte und Seismische Einflüsse verkippt der Erdboden um wenige µRad (TILT) n Dies verursachte einen systematischen Fehler von -31,3  0,6  n Er konnte behoben werden, indem die Verkippung durch Gegensteuern nicht größer als 0,1 µRad sein darf. Hierzu wurde der Drehtisch auf kleinen Kugeln gelagert, die wiederum auf durch Erwärmen in der Höhe stuerbaren Klötzen standen. n Vakuum kleiner als Torr (Ionenpumpe) n Auslesen des Pendels wurde verbessert durch Ersetzen einer LED durch einen 780 nm laser, bzw des Strahlteilers durch eine Polarisations- empfindliche Einheit.  Höhere Konstanz der Rotationsrate Seminarvortrag W. Unger

31 Hartmut Abele 31 Das Eöt-Wash Experiment Resonanzkurve n Resonanz- frequenz des Pendels: 1,2 mHz n Spitzen bei Vielfache von 0,9mHz durch Gradienten n Interne Dämpfung durch Verlust am Faden n 1/f Rauschen durch Gitter- schwingungen, kTV Draht Seminarvortrag W. Unger

32 Hartmut Abele 32 1/r Test

33 Hartmut Abele 33

34 Hartmut Abele 34

35 Hartmut Abele 35

36 Hartmut Abele 36 Ergebnisse

37 Hartmut Abele 37 Das Eöt-Wash Experiment Testmassen n Beide Testkörper haben ein Gewicht von g n Beide Testmassen haben die gleichen Abmessungen.Die Testmassen sind innen hohl. n EK-Testkörper: rostfreier Stahl Legierung, genaustens demagnetisiert. n MM-Testkörper: Quartz und Magnesium-Legierung n Die Massenverteilung der Testkörper ist so gestaltet, dass die Multipole l=2 unbedeutend klein sind und l=4 bei beiden Massen identisch sind. Seminarvortrag W. Unger

38 Hartmut Abele 38 Das Eöt-Wash Experiment Pendel n Alles wurde vergoldet, um Elektrostatische Effekte auszuschließen. n Torsionswaage spricht nur auf Horizontalkomponente von Differenzbeschleunigung an. n Es ist nötig, den Winkel zwischen Torsionspendel und Attraktor zu modulieren. n Zwei Möglichkeiten: Pendel rotiert, oder Attraktor rotiert um Instrument herum (z.B. bei 238 U) n Eine Verletzung des WEP würde auf das Pendel ein sinusförmig moduliertes Drehmoment ausüben. Seminarvortrag W. Unger

39 Hartmut Abele 39 Das Eöt-Wash Experiment Ergebnisse Das WEP (genauer UFF) wurde unter folgenden Umständen getestet: n Die Erde als Attraktor; Be, Al, Cu und Si Testkörper. n Die Sonne als Attraktor; Be, Al, Cu und Si Testkörper. Mit diesem Ergebnis wurde das Lunar Laser Ranging ergänzt. n Das Zentrum der Galaxie als Attraktor; Be, Al, Cu and Si Testkörper attracted toward the center of our Galaxy. Ziel dieses Experiments war es zu testen, ob Gravitation die einzige Wechselwirkung zwischen dunkler und gewöhnlicher Materie ist. Das Ergebnis bestätigt dies für galaktische dunkle Materie. Es wird ein Eöt-Wash III Instrument entwickelt, mit dem dies auch für kosmologische dunkle Materie überprüft werden soll. (Die wirksamen Beschleunigungen sind noch kleiner, daher müssen die Geräte empfindlicher sein.) n 3 Tonen massives 238 U als Attraktor, Cu and Pb Testkörper. Ziel war es, das UFF auf kleinen Distanzen zu prüfen (bis auf 1 cm) und hierbei einen Attraktor zu wählen mit einem ganz anderen Verhältnis N/Z als die Erde. Seminarvortrag W. Unger

40 Hartmut Abele 40 Das Lunar Laser Ranging Der Nordtvedt-Effekt n Das Lunar Laser Ranging wurde von Baierlein vorgeschlagen um die ART zu testen. n Nordtvedt erkannte die Möglichkeit, damit insbesondere das Äquivalenzprinzip zu testen.

41 Hartmut Abele 41 Rb Atoms Bouncing in a Stable Gravitatonial Cavity E. Hinds et al., Yale, Imperial College London E. Hinds et al., Yale, Imperial College

42 Hartmut Abele 42 Dipole Traps on Atom Chip Bloch Oscillations on an Chip

43 Hartmut Abele 43 Dipole Trap on Atom Chip 1d magnetic chip trap Create a dipole trap on an atom chip by reflecting a laser beam off the chip surface 2d tap with  trans ~120 kHz,  plane ~100Hz Gallego, Schmiedmayer et al.

44 Hartmut Abele 44 Bloch Oszillation on Chip bouncing BEC Look at the evolution of a BEC in the standing wave depending on the hold time position hold time Gallego, Schmiedmayer et al.


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