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Pulsar Timing Arrays und Nanohertz-Gravitationswellen verstehen

Pulsar Timing Arrays vergleichen die präzisen Pulse vieler Neutronensterne über lange Zeiträume. Gemeinsame, winkelabhängige Timingresiduen können Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen liefern.

Die Aufgaben passen besonders zu Klasse 11–12 und verbinden Pulsartiming, Dispersion, Ephemeriden, Rauschen, Hellings-Downs-Korrelation, supermassive Schwarze-Loch-Paare und Galaxienentwicklung.

So löst du Aufgaben zu Pulsar Timing Arrays

  1. Bestimme Pulsperiode, Beobachtungsdauer, Frequenzbereich und Timingresiduen.
  2. Unterscheide gemeinsames Signal, pulsarspezifisches Rauschen, Dispersion und Ephemeridenfehler.
  3. Prüfe Winkelabstände, Korrelation, Zeitspannen und Einheiten.
  4. Bewerte einzelne Quellen, stochastischen Hintergrund und astrophysikalische Modelle gemeinsam.

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Pulsar Timing Arrays online üben

Test 7 zu Pulsartiming, Nanohertz-Gravitationswellen, Korrelationen, Rauschen und kosmischen Quellen mit 5 Aufgaben und Lösungen.

Wähle eine Antwort. Achte auf Zeitreihen, Frequenz, Korrelation, Rauschen, Pulsare und Einheiten.

5 Fragen
0/5 Fragen0 %
Richtig 0
Falsch 0
Offen 5
1. FrageMultiple Choice

Eine PTA-Zeitreihe umfasst 20 Jahre. Wie groß ist die niedrigste direkt zugängliche Frequenzordnung ungefähr?

Bitte wähle zuerst eine Antwort aus.

Richtige Antwort: C

Die richtige Antwort ist: Etwa 1,6·10^-9 Hz.

  1. Messsystem und Quelle bestimmen: Ordne die Aufgabe Pulsar Timing Array, Timingresidual, Gravitationswellenquelle, Korrelation oder Rauschmodell zu.
  2. Physikalischen Zusammenhang anwenden: 20 Jahre sind ungefähr 6,3·10^8 s. Mit f ungefähr gleich 1/T ergibt sich etwa 1,6·10^-9 Hz.
  3. Ergebnis prüfen: Das Ergebnis lautet Etwa 1,6·10^-9 Hz. Prüfe Frequenz, Zeitspanne, Pulsare, Winkel, Korrelation und Einheiten.

20 Jahre sind ungefähr 6,3·10^8 s. Mit f ungefähr gleich 1/T ergibt sich etwa 1,6·10^-9 Hz.

2. FrageMultiple Choice

Ein Timing-Residual beträgt 100 ns. Wie viele Sekunden sind das?

Bitte wähle zuerst eine Antwort aus.

Richtige Antwort: B

Die richtige Antwort ist: 10^-7 s.

  1. Messsystem und Quelle bestimmen: Ordne die Aufgabe Pulsar Timing Array, Timingresidual, Gravitationswellenquelle, Korrelation oder Rauschmodell zu.
  2. Physikalischen Zusammenhang anwenden: Eine Nanosekunde sind 10^-9 s; 100 ns entsprechen 100·10^-9 s = 10^-7 s.
  3. Ergebnis prüfen: Das Ergebnis lautet 10^-7 s. Prüfe Frequenz, Zeitspanne, Pulsare, Winkel, Korrelation und Einheiten.

Eine Nanosekunde sind 10^-9 s; 100 ns entsprechen 100·10^-9 s = 10^-7 s.

3. FrageMultiple Choice

Ein Pulsar besitzt eine Periodendauer von 0,005 s. Wie viele Pulse pro Sekunde werden idealisiert beobachtet?

Bitte wähle zuerst eine Antwort aus.

Richtige Antwort: A

Die richtige Antwort ist: 200 Pulse pro Sekunde.

  1. Messsystem und Quelle bestimmen: Ordne die Aufgabe Pulsar Timing Array, Timingresidual, Gravitationswellenquelle, Korrelation oder Rauschmodell zu.
  2. Physikalischen Zusammenhang anwenden: Die Frequenz ist f = 1/T = 1/0,005 s = 200 Hz.
  3. Ergebnis prüfen: Das Ergebnis lautet 200 Pulse pro Sekunde. Prüfe Frequenz, Zeitspanne, Pulsare, Winkel, Korrelation und Einheiten.

Die Frequenz ist f = 1/T = 1/0,005 s = 200 Hz.

4. FrageMultiple Choice

Ein Gravitationswellensignal verändert einen Pulsarresidual um 50 ns. Wie groß ist die Zeitänderung in Metern Lichtlaufstrecke?

Bitte wähle zuerst eine Antwort aus.

Richtige Antwort: D

Die richtige Antwort ist: Etwa 15 m.

  1. Messsystem und Quelle bestimmen: Ordne die Aufgabe Pulsar Timing Array, Timingresidual, Gravitationswellenquelle, Korrelation oder Rauschmodell zu.
  2. Physikalischen Zusammenhang anwenden: Mit s = c·t und 50 ns = 5·10^-8 s ergibt sich 3·10^8 m/s · 5·10^-8 s = 15 m.
  3. Ergebnis prüfen: Das Ergebnis lautet Etwa 15 m. Prüfe Frequenz, Zeitspanne, Pulsare, Winkel, Korrelation und Einheiten.

Mit s = c·t und 50 ns = 5·10^-8 s ergibt sich 3·10^8 m/s · 5·10^-8 s = 15 m.

5. FrageMultiple Choice

Eine PTA beobachtet 30 Pulsare. Wie viele unterschiedliche Pulsarpaare gibt es?

Bitte wähle zuerst eine Antwort aus.

Richtige Antwort: C

Die richtige Antwort ist: 435 Paare.

  1. Messsystem und Quelle bestimmen: Ordne die Aufgabe Pulsar Timing Array, Timingresidual, Gravitationswellenquelle, Korrelation oder Rauschmodell zu.
  2. Physikalischen Zusammenhang anwenden: Die Zahl der Paare ist n·(n-1)/2 = 30·29/2 = 435.
  3. Ergebnis prüfen: Das Ergebnis lautet 435 Paare. Prüfe Frequenz, Zeitspanne, Pulsare, Winkel, Korrelation und Einheiten.

Die Zahl der Paare ist n·(n-1)/2 = 30·29/2 = 435.

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Pulsar Timing Arrays FAQ

Was ist ein Pulsar Timing Array?

Ein Verbund präzise beobachteter Pulsare, deren Pulsankunftszeiten über viele Jahre verglichen werden.

Welche Gravitationswellen werden gesucht?

Vor allem sehr niederfrequente Nanohertz-Wellen, etwa aus Populationen supermassiver Schwarzer-Loch-Paare.

Was ist die Hellings-Downs-Korrelation?

Ein winkelabhängiges Korrelationsmuster, das ein gemeinsames Gravitationswellensignal in den Timingresiduen charakterisieren kann.

Gibt es Lösungen zu allen Aufgaben?

Ja. Jede Aufgabe enthält eine richtige Antwort, eine Erklärung und drei nachvollziehbare Lösungsschritte.