Gravitationswelle
Gravitationswellen sind Wellen der Raumzeit und werden von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.
Gravitationswellen entstehen, wenn ein massebehaftetes Objekt eine bestimmte Art der Beschleunigung erfährt, nämlich ein so genanntes Quadrupolmoment besitzt. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dabei verändern sie die Struktur der Raumzeit, die sie durchlaufen; man kann sich anschaulich eine Streckung und Stauchung des Raumes vorstellen. In der klassischen Newtonschen Gravitationstheorie existieren sie nicht.
Die im Folgenden genannten Eigenschaften von Gravitationswellen sind theoretische Schlussfolgerungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie. Bei einer bislang nicht gelungenen quantenfeldtheoretischen Beschreibung der Gravitation sollten Gravitationswellen durch Gravitonen vermittelt werden.
Gravitationswellen sind Transversalwellen. Aus Sicht eines lokalen Beobachters scheinen sie die Raumzeit quer zur Ausbreitungsrichtung zu stauchen und zu strecken.
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Quellen (Ursachen)
Jede Veränderung in der Verteilung von Masse und/oder Energie im Universum, bei der sich mindestens das Quadrupolmoment ändert, führt zur Abstrahlung von Gravitationswellen.
Konkret können Quellen intensiver Gravitationswellen Supernova-Explosionen und umeinander kreisende Paare oder zusammenstoßende Neutronensterne und/oder schwarze Löchern sein. Wellen aus solchen Quellen hofft man in aktuellen Experimenten einfangen zu können. Aufgrund der großen Entfernung derartiger Ereignisse ist die Wirkung dieser Wellen auf der Erde sehr gering, und schwer von lokalen Phänomenen (z. B. Erschütterungen der Erde) zu unterscheiden.
Auch der Urknall könnte Gravitationswellen angeregt haben, deren Frequenz aufgrund der kosmischen Expansion inzwischen jedoch so gering ist, dass erst der geplante Detektor LISA eine Chance hat, sie zu registrieren.
Die Abstrahlung von Gravitationswellen zu berechnen ist sehr aufwändig, aber erforderlich, um Vorhersagen zur Messbarkeit der Wellen machen zu können.
Nachweis von Gravitationswellen
Eine Reihe von Experimenten zum Nachweis von Gravitationswellen sind in Bau oder in Betrieb. Derzeit werden zwei Typen von Gravitationswellendetektoren favorisiert:
Zum einen sind dies Metallkörper, von denen man hofft, dass Gravitationswellen sie zum Schwingen anregen. Solche Versuche wurden bereits 1960 von J. Weber an der Universität Maryland ausgeführt.
Zum anderen werden so genannte Michelson-Interferometer verwendet, die hindurchwandernde Wellen in Echtzeit beobachten sollen, indem die lokalen Änderungen der Raumzeit-Eigenschaften die empfindliche Interferenz zweier Laserstrahlen verändern. Aktuelle Experimente dieser Art sind GEO600 (Deutschland), VIRGO (Italien), TAMA300 (Japan) und LIGO (USA). Diese Experimente benutzen Lichtstrahlen, die in langen Tunneln hin- und herlaufen. Ein Unterschied in der Länge der Laufstrecke, wie er durch eine durchlaufende Gravitationswelle verursacht würde, wird dann mittels Interferenz mit einem Kontrolllichtstrahl nachgewiesen. Das geplante Experiment LISA, soll jedoch im Weltraum stattfinden.
Ein indirekter Nachweis von Gravitationswellen gelang 1978: Die Umlaufbahnen des Doppelpulsars PSR 1913+16 werden im Laufe der Zeit immer enger. Die Energieverluste entsprechen den aus theoretischen Betrachtungen erwarteten Abstrahlungen durch Gravitationswellen. Die Wellen selbst wurden, wie gesagt nicht beobachtet.
Literatur
- Sexl, Roman U.; Urbantke, Helmuth K.: Gravitation und Kosmologie - eine Einführung in die allgemeine Relativitätstheorie; Spektrum Akademischer Verlag.
Weblinks
- (Real Video): Was sind Gravitationswellen? (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
- LIGO-Projekt
- TAMA300-Projekt
- VIRGO-Projekt
- Einstein@Home - Durch verteiltes Rechnen Gravitationswellen von Pulsaren suchen; arbeitet mit dem LIGO-Projekt zusammen.
- Numerical Relativity Group am Albeit-Einstein-Institut Potsdam