Gravitationswellen: Schwingungen im kosmischen Gewebe

Was ist eine Welle?

Eine Welle ist ein physikalisches Phänomen der Ausbreitung einer Störung in einem materiellen Medium oder im Vakuum. Es transportiert Energie ohne Nettotransport von Materie. Je nach Art und Ausbreitungsmedium gibt es verschiedene Arten von Wellen.

Mechanische Wellen, beispielsweise Wellen auf der Wasseroberfläche oder seismische Wellen, benötigen einen materiellen Träger (flüssig, fest, gasförmig). Sie werden durch eine Amplitude, eine Wellenlänge \(\lambda\), eine Frequenz \(f\) und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit \(v\) charakterisiert, verknüpft durch die Grundbeziehung \(v = \lambda f\).

Elektromagnetische Wellen, wie sichtbares Licht, Radiowellen o.ä

Schließlich gehören Gravitationswellen zu einer anderen Kategorie: Sie sind keine Schwingungen eines materiellen Mediums, sondern Störungen der Metrik der Raumzeit selbst. Sie unterscheiden sich dadurch von klassischen Wellen, dass sie die gemessenen Abstände zwischen freien Objekten direkt verändern.

Hinweis: :
Aphysikalisches Phänomenist ein beobachtbares und messbares Ereignis, das durch physikalische Gesetze beschrieben werden kann, beispielsweise der Fall von Körpern, die Ausbreitung einer Welle oder die Emission von Licht. Im Fall vonGravitationswellenEs handelt sich um eine Störung der Raumzeit selbst und nicht um eine Schwingung eines materiellen Mediums.

Was ist eine Gravitationswelle?

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit (Cosmic Fabric), vorhergesagt im Jahr 1916 vonAlbert Einstein(1879-1955) im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie (1915). Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit \((c)\) aus und entstehen durch extrem energiereiche kosmische Ereignisse, wie zum Beispiel die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher oder Neutronensterne.

Gravitationswellen bieten eine neue Möglichkeit, das Universum zu erforschen. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen (Radio, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen) werden sie nicht von Materie absorbiert. Dies ermöglicht die Untersuchung bisher unzugänglicher Regionen, etwa des Inneren von Supernovae oder der allerersten Sekunden nach dem Urknall.

Eine wichtige experimentelle Entdeckung

Am 14. September 2015 beobachtete das LIGO-Interferometer erstmals direkt eine Gravitationswelle, die aus der Verschmelzung zweier 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernter Schwarzer Löcher entstand. Das gemessene Signal entsprach einer relativen Längenänderung \(\Delta L / L \ approx 10^{-21}\), was darauf hinausläuft, eine Verformung kleiner als der Durchmesser eines Protons auf Armen von 4 km Länge zu detektieren.

Wie misst man eine Verformung, die kleiner als der Durchmesser eines Protons ist?

Die Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren wie LIGO und Virgo beruht auf der Laserinterferometrie. Das Prinzip besteht darin, mit äußerster Präzision die Länge zweier senkrechter Arme von jeweils 4 km Länge zu vergleichen, indem ein Laserstrahl in zwei Teile geteilt und nach Reflexion an pendelartig aufgehängten Spiegeln unter Ultrahochvakuum, das als natürlicher mechanischer Filter fungiert, wieder vereint wird.

Wenn eine Gravitationswelle das Instrument durchquert, verursacht sie eine relative Längenänderung \(\Delta L / L \ca. 10^{-21}\) oder eine absolute Änderung \(\Delta L \ca. 4 \times 10^{-18}\ \text{m}\). Dieser Wert ist etwa hundertmal kleiner als der Durchmesser eines Protons (\(\sim 10^{-15}\ \text{m}\)).

Um eine solche Präzision zu erreichen, werden mehrere Techniken verwendet:

• Fabry-Pérot-Hohlräume:Die Arme enthalten Spiegel, die den Strahl hunderte Male reflektieren und so die effektive Empfindlichkeit erhöhen.
• Aktive Federungen:Die Spiegel sind dank Pendelsystemen und aktiven Dämpfern von seismischen Vibrationen isoliert.
• Ultravakuum:Die Strahlen breiten sich in Röhren aus, die bei \(\sim 10^{-9}\ \text{atm}\ gehalten werden, wodurch Luftstörungen vermieden werden.
• Verstärkte optische Leistung:Laser mit mehreren zehn Watt werden recycelt, um die Anzahl der Photonen zu erhöhen, die die Interferenz messen.
• Quantentechniken:Durch die Verwendung von komprimiertem Licht („Squeezed Light“) wird das Quantenrauschen des Vakuums reduziert, was die Hochfrequenzmessung einschränkt.

Dank dieser kombinierten Methoden erreichen Interferometer eine beispiellose Präzision und sind in der Lage, eine Variation kleiner als der Durchmesser eines Protons über eine makroskopische Entfernung von mehreren Kilometern zu erfassen.

Quellen:Wissenschaftliche Zusammenarbeit mit LIGO – GW150914, Jungfrau-Zusammenarbeit, Wissenschaftliche Zusammenarbeit mit LIGO – GW190521.

Kontroversen über die Detektion von Gravitationswellen

Obwohl die wissenschaftliche Gemeinschaft heute die Entdeckung von Gravitationswellen als gesicherte Tatsache ansieht, haben einige kritische Studien, insbesondere bei den ersten Ankündigungen, Zweifel geweckt. Diese Arbeit stellt nicht unbedingt die allgemeine Relativitätstheorie in Frage, sondern stellt die Robustheit der Datenanalyse in Frage.

Beispielsweise veröffentlichte ein unabhängiges Team (J. Creswell et al., Universität Kopenhagen) im Jahr 2016 eine Analyse, die unerwartete Korrelationen im LIGO-Detektorrauschen hervorhob. Ihren Erkenntnissen zufolge könnte das GW150914-Signal, das einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern zugeschrieben wird, Signaturen aufweisen, die eher auf instrumentelle Artefakte als auf eine echte Gravitationswelle schließen lassen.

Diese Kritikpunkte beziehen sich hauptsächlich auf:

• die extreme Schwierigkeit, ein Signal \(\Delta L / L \sim 10^{-21}\) von instrumentellem Rauschen zu unterscheiden,
• Abhängigkeit von ausgefeilten numerischen Modellen binärer Verschmelzungen,
• die Möglichkeit von Korrelationen, die durch Verarbeitungs- und Kalibrierungssysteme hervorgerufen werden.

Angesichts dieser Einwände reagierte die LIGO-Virgo-Kollaboration, indem sie ihre Kreuzvalidierungsmethoden verstärkte, detaillierte Analysen veröffentlichte und mehrere andere unabhängige Ereignisse bestätigte (wie etwa GW170817, begleitet von einem elektromagnetischen Signal, das von Teleskopen beobachtet wurde). Diese Multi-Messenger-Konkordanz sorgt für eine starke Validierung der Erkennungen.

Selbst wenn es also immer noch gewisse kritische Stimmen gibt, macht die Anhäufung kohärenter und vielfältiger Beobachtungen eine rein instrumentelle Erklärung der aufgezeichneten Signale äußerst unwahrscheinlich.