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Was sind Gravitationswellen?

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Am 11. Februar 2016 war es soweit – es wurde offiziell bestätigt: es gibt Gravitationswellen. 100 Jahre nach Albert Einsteins Vorhersage. Aber was sind Gravitationswellen eigentlich?

Diese Entdeckung ist für die Wissenschaft die wohl größte Entdeckung der letzten Jahrzehnte und eröffnet eine neue Ära der Gravitationswellen-Astronomie. Außerdem bestätigt dieses Ereignis große Teile der allgemeinen Relativitätstheorie die Albert Einstein schon 1915 vorstellte. Wie genau sah seine Theorie aus?

Allgemeine Releativitätstheorie

Der Mond dreht sich um die Erde. Und beide zusammen drehen sich um die Sonne. Das tun sie, weil sich ihre Massen gegenseitig anziehen. Das nennt man Gravitation. Die selbe die auch dich (glücklicherweise) auch auf der Erde hält.

Albert Einstein packt in seiner Theorie den Raum (Länge, Breite und Höhe) und die Zeit zu einer Raumzeit, die 4. Dimension zusammen. Die Gravitation ist nun eine Veränderung oder auch Krümmung dieser Raumzeit.

Einstein stellt sich die Raumzeit als eine flache Ebene vor. Wie ein aufgespanntes Bettlacken.

Stellt sich nun eine Masse auf das Bett so verändert diese die Ebene und das Lacken bekommt eine Delle. Wenn eine größere Masse sich auch aufs Bett stellt drückt diese das Lacken noch tiefer ein. Eine besonders schwere Masse ist z.B. ein schwarzes Loch. Ist die Delle tief genug werden andere Objekte, die in der nähe, dort abgelenkt – oder anders gesagt: sie werden angezogen – das bezeichnet Einstein als Gravitation. Was würde wohl passieren wenn zwei schwarze Löcher sich treffen?

Gravitationswelle

Genau das passierte vor rund 1,3 Milliarden Jahren, zu einer Zeit wo auf der Erde noch nicht so viel lief. Und zwar wortwörtlich. Es entwickelten sich gerade einmal die ersten mehrzelligen Lebewesen.

Zwei sehr schwere Schwarze Löcher umkreisten sich und wurden immer schneller. Ihre Spitzengeschwindigkeit: Halbe Lichtgeschwindigkeit (1/2 c)! Und mit schwer meine ich WIRKLICH schwer – nämlich jeweils 29 und 36-mal so schwer wie die Sonne.

Laut der allgemeinen Relativitätstheorie verlieren sich einander umkreisende Schwarze Löcher durch die Abgabe von Gravitationswellen Energie, wodurch sie sich über einen Zeitraum von vielen Milliarden Jahren immer mehr einander annähern.

Schließlich schmolzen sie zu einem einzigen schwarzen Loch zusammen. Bei dieser Verschmelzung wurde rund die Masse dreier Sonnen in Gravitationswellen umgewandelt die durch unser Universum schoßen. Vor allem in der letzten Phase, die kürzer als eine 1 Sekunde war, strahlten sie so starke Gravitationswellen ab, das die Messgeräte sie erstmals am 14. September 2015 entdeckten konnten. (neues schwarzes Loch mit 62-facher Sonnenmasse). (http://www.grenzwissenschaft-aktuell.de/wp-content/uploads/2016/02/02105.jpg).

Kurz gesagt heißt das, dass alles was sich mit Masse durch den Raum bewegt eben genau diese Gravitationswellen erzeugt. Diese Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus – dabei strecken und stauchen sie den Raum den sie gerade durchfliegt. (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Gravwav.gif).

Selbst ein in der Luft fliegender Tennisball stößt Gravitationswellen aus. Die sind aber so winzig das sie gar nicht erfasst werden können. Je massereicher und dichter die bewegenden Objekte sind, desto stärkere Gravitationswellen gibt es.

All das hatte Einstein schon vor 100 Jahren vorhergesagt. Krass oder?

Aber wie erfasst man dann solche Gravitationswellen?

Mit einem Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (Gesundheit! – Danke!) kurz LIGO.

Das Prinzip: Ein Laserstrahl wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel in ein zwei Strahlen aufgeteilt. Diese laufen dann senkrecht zu einander in zwei gleichlange Arme. Am jeweiligen Ende werden sie reflektiert und laufen zurück. Diese treffen dann nach ungefähr 75 Wiederholungen auf eine Fotodiode die dann die Licht Intensität misst. Die Spiegel sind dabei so eingestellt das die Lichtstrahlen sich idealerweise auslöschen. Durch quert nun eine strake Gravitationswelle die Erde und damit auch das Interferometer so das ein Arm gedehnt und der andere gestreckt wird – wird das Licht nicht ausgelöscht. Und genau dann kann die Licht Intensität gemessen werden um zu sehen wie stark die Streckung und Dehnung war. durch ist man in der Lage einen Unterschied von 10^-22m zu messen was einem tausendstel (1/1000) eines Protons entspricht!

Ziel ist es dem Universum zu zuhören. Den sehen können wir nur rund 1%. Die Gravitationswelle hat schon gesprochen – sie klingt so: (Sound: http://www.ligo.org/science/GW-Overview/sounds/chirp40-1300Hz.wav).

Dieses Messinstrument ist so empfindlich das irdische Störungen wie Erdbeben, Wellen an entfernten Stränden oder Wind sich auf die Messergebnisse auswirken. Aber durch mehere Messungen an verschiedenen Standpunkten, so z.B. auch in Deutschland, lassen sich irdische Störungen (die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten) ausschließen. Außerdem lässt sich so eine genaue Position der Quelle berechnen.

In Zukunft sollen die Messungen im All gemessen werden um so störungsfreie Signale empfangen zu können. Mehrere Satelliten sollen ein riesiges Laser-Interferometer bilden. Mit Millionen Kilometer Armlänge um so noch genauere Abweichungen messen zu können.

Aber was bringt uns das nun?

 Stellt vor ihr seid Taub und beobachtet einen Wald. Ihr seht die Bäume, die Sonne die scheint. Aber was bleibt alles verborgen was wir aber hören könnten?

Bisher konnte man das sichtbare Universum mit Hilfe von Licht, Gamma und Radiowellen erforschen. Doch dank Gravitationswellen könnten wir in Zukunft die restlichen 99,6% bestehend aus dunkler Materie und dunkler Energie beobachten. Eine neue Welt eröffnet sich uns. Wo mit wir auch die Frage nach dem Ursprung unseres Universums klären können – Dem Urknall.