Gravitationswellen - Gezeiten des Universums

Zwei Körper mit Masse üben eine Anziehungskraft aufeinander aus, das ist die wesentliche Aussage des Newtonschen Schwerkraftgesetzes. Lange Zeit ging man davon aus, dass es sich bei der Schwerkraft um eine Sofortwirkung handeln würde - d.h. sie wirkt ohne Zeitverzögerung - bis Einstein gezeigt hat, dass sich auch diese Wechselwirkung nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Ist der eine wesentlich schwerer als der andere, kann man sich die Raumzeit um den schweren Körper wie eine Mulde in einem Gummituch vorstellen, in der sich der leichte Körper bewegt.

Er folgt dabei nicht einer Geraden, die in diesem verzerrten Raum nicht mehr die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten darstellt, sondern einer sogenannten Geodäte - die man sich leicht anschauen kann, wenn man Murmeln durch eine Erdmulde kollern lässt. Die Murmel wird sich nicht gerade durch Mulde bewegen, sondern je nach Winkel und Geschwindigkeit abgelenkt werden. Auf einem Zylinder ist die Geodäte im Allgemeinen eine Spirale und auf einer Kugel ist es eine Kreisbahn, auf komplizierteren Oberflächen nimmt auch die Geodäte kompliziertere Formen an. Auf diese Weise wird der leichte Körper von seiner ursprünglichen Bahn abgelenkt und manchmal von schweren Körpern in eine Umlaufbahn gezwungen oder, falls die Mulde zu tief oder die Geschwindigkeit zu gering ist, schlägt er auf der Oberfläche ein.

Solange die schwere Masse im Zentrum still hält kann man sich das mit der Mulde noch gut vorstellen. Leider ist das im Grunde nie der Fall, denn selbst der kleinste mit Masse behaftete Körper verzerrt die Raumzeit und zwingt auch den schweren in eine andere Bahn. Letzteres macht sich um so stärker bemerkbar je mehr sich die Massen der Körper angleichen.

Wenn man sich nun zwei Sterne hernimmt, die umeinander kreisen stellt man fest, dass sie sich auf Bahnen um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Das trifft auch auf die Erde und den Mond zu und ist der Grund dafür, dass die Gezeiten auf beiden Seiten der Erde gleichermaßen auftreten, auf der einen Seite zieht der Mond mit seiner Anziehungskraft auf der gegenüberliegenden Seite macht sich die Zentrifugalkraft bemerkbar. Und jeder dieser Sterne, bzw. auch Mond und Erde, schleppt sein Gravitationsfeld hinter sich her.

Eine Gravitationswelle breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und zwingt der Raumzeit ein kompliziertes Muster auf, ähnlich wie Wasserwellen von Schiffen.

Wissenschaftler versuchen die Existenz dieser Gravitationswellen nachzuweisen, das ist zur Zeit selbst bei Doppelsternsystemen noch jenseits der technischen Möglichkeiten aber vielleicht findet man ein paar schwarze Löcher die entweder einen großen Stern oder ein anderes Schwarzes Loch zum Begleiter haben, das könnte ausreichend sein. Aber auch die gewaltige Eruption einer Super Nova könnte ein interessanter Kandidat für die ersten direkten Nachweise von Gravitationswellen sein.

Auf einem Umweg wurden die gravitativen verzerrungen die von einem Doppelpulsar ausgehen von J. Taylor und R. Hulse nachgewiesen - wofür sie 1993 den Nobelpreis erhielten. Man hat festgestellt, dass die Umlaufperiode pro Jahr um 75,6 Millionstel Sekunden abnimmt, wahrscheinlich deshalb, weil die ausgesandten Gravitationswellen dem System Energie entziehen, wie auch die Erzeugung von Wasserwellen Energie erfordert. Der direkte Nachweis steht allerdings noch aus.

In Computersimulationen kann man diese Gravitationswellen berechnen und ihre Ausbreitung im Weltraum vorhersagen. An diesen Modellrechnungen kann man sich jetzt orientieren, wenn man anfängt einen Gravitationswellen-Detektor zu bauen.

Nun muss man sich aber ein Verfahren ausdenken, mit dem man die Krümmung der Raumzeit nachweisen kann das ist im Prinzip auch gar nicht so schwierig, man muss nur messen, wie eine Wegstrecke durch die Gravitationswellen gedehnt und gestreckt wird. Das ist genau das Prinzip nach dem derzeit verschiedene Versuchsanlagen in Deutschland und den USA in Betrieb genommen werden. Ein französisch-italienisches Projekt soll 2004 in Betrieb gehen. Diese Abstandsänderungen betragen allerdings nur ein Hunderttausendstel des Durchmessers eines Atomkerns.

In den genannten Projekten schickt man einen Laserstrahl durch zwei senkrecht zueinander liegende Röhren und mißt anhand der Interferenz ob sich die Abstände zwischen den Probemassen an den Enden der Röhren relativ zueinander verändern. Man teilt dazu den Laserstrahl und schickt jeweils einen Teil des Strahls in jede Röhre. Im GEO 600 sind das 600m wie der Name schon sagt, im amerikanischen LIGO 4km, aber LIGOs Detektoren sind nicht so empfindlich wie die des GEO 600 so dass die Qualität der Ergebnisse nicht groß von einander abweichen wird. Am Ende der Röhre werden die Strahlen mit spiegeln zurückgeworfen und schließlich wieder überlagert. Wenn jetzt eine Gravitationswelle einen Arm im Verhältnis zum anderen verkürzt oder verlängert verändert sich die Intensität des überlagerten Signals. Die Messung der schwer zu fassenden Gravitationswellen wird also mittels der Interferenz auf die Laufzeitunterschiede in den beiden Armen des Detektors zurückgeführt.

Die Röhren in denen der Laser läuft sind evakuiert worden und möglichst erschütterungsfrei aufgehängt, und das Gerät ist so empfindlich, dass selbst die Brandung der Nordsee in 200km Entfernung noch Störungen verursachen würde, wenn man die Anordnung nicht schwingungsfrei gelagert hätte. Trotz der Empfindlichkeit des Systems sind die erwarteten Signale sehr schwach und nur starke Quellen von Gravitationswellen werden mit diesen ersten Systemen nachweisbar sein.

Laut Planung sollen LIGO und GEO 600 Ende 2002 in Betrieb gehen und könnten in dieser Verbindung wie ein Gravitationsteleskop benutzt werden, um den Himmel im Spektrum der Gravitationswellen zu betrachten. Da die Empfindlichkeit dieser Projekte sehr begrenzt sind, plant man aber auch schon ein neues Gravitationswellen-Interferometer geplant. LISA soll 2011 in den Weltraum geschossen werden, um unabhängig von irdischen Störquellen und mit viel größerer Armlänge auch schwächere Gravitationswellen detektieren zu können.

Die Suche nach den Wellen der Gravitation ist aber mehr als nur ein Versuch die Einsteinsche Relativitätstheorie in einem weiteren Punkt zu bestätigen. Die Beobachtung des Weltraums im Spektrum der Gravitationswellen wird den Astronomen entscheidende Hinweise auf die Verteilung der Materie im Kosmos geben und vielleicht Rückschlüsse auf den Verbleib der vielen dunklen Materie geben, die die Ausdehnung des Universums bremst.

Bei dieser Dunklen Materie handelt es sich nicht unbedingt um ein exotisches Element, das man noch nicht kennt, sondern um Staub, Gas und Sterne, die nicht genug Masse haben, um das Nukleare Brennen zu entfachen und deshalb Braune Zwerge bleiben. Diese Materie strahlt nicht im elektromagnetischen Spektrum - Licht- oder Radiowellen - und stellt die Astronomen deshalb vor einige Rätsel. Aber da jeder Körper über die Anziehungskraft mit dem Universum wechselwirkt müsste mit ausreichend empfindlichen Gravitationswellen-Interferometern endlich Hinweise auf Zusammensetzung und Aufbau der mysteriösen dunklen Materie gefunden werden.

Außerdem erhofft man sich Hinweise auf den Urknall, bei schließlich auch gewaltige Massen bewegt worden sind. Die damals entstandenen Gravitationswellen müssten eigentlich bis heute durch das Universum wandern.

 

Nachtrag: Im September 2002 ist erstmals ein Experiment zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation durchgeführt worden. Astronomen von der Universität von Missouri haben die Lichtablenkung eines Quasars gemessen, der Anfang September dicht am Jupiter vorbeizog. Sie stimmt im Rahmen der Messgenauigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit überein: First speed of gravity measurement revealed New Scientist, 07.01.2003.


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