Detektion von Gravitationswellen

Einsteins letztem unbewiesenen Postulat auf der Gravitationsspur
GIZ-Vortrag über den Nachweis von Gravitationswellen

Vor hundert Jahren postulierte Albert Einstein als Folge seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Wellen, die von beschleunigten Massen ausgehen und sich mit Lichtgeschwindigkeit in der Raumzeit ausbreiten. Diese im vierdimensionalen Raum fortlaufenden Wellen waren bis vor kurzem noch graue Theorie, auch wenn Indizienbeweise schon ihre Existenz vermuten ließen. Am 14. September 2014 um 11:30 Uhr und 45 Sekunden unserer Zeit gelang es schließlich, den Beweis ihrer Existenz real zu erbringen und damit Einsteins letztes offenes Postulat experimentell zu untermauern. Zwei moderne Michelson-Morley-Interferometer in den Vereinigten Staaten von Amerika zeichneten ein Ereignis auf, dass durch die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern mit gemeinsam 65 Sonnenmassen vor 1,3 Milliarden Jahren innerhalb 200 Nanosekunden Wellen mit einer Energie von zwei Sonnenmassen in die Raumzeit ausstrahlte. Es war stark genug, um von den Sensoren auf der Erde erstmals erfasst und im Rechenzentrum in Hannover erstmals entdeckt zu werden. Dr. Harald Lück, einer von damals 1004 direkt  beteiligten Wissenschaftlern,  begeisterte deshalb am vergangenen Donnerstag bei einem GIZ-Vortrag mit dem Titel „Detektion von Gravitationswellen“ mit anschaulichen Beispielen und vielen Informationen quasi aus erster Hand die zahlreichen Zuhörer im Vortragsraum des Geodätischen Observatoriums Wettzell.

Freie, bewegte Massen fliegen auf geraden Bahnen und ziehen sich gegenseitig an. Diese Feststellung machte schon Isaac Newton und führte die Gravitationskraft ein. Einstein erkannte 300 Jahre späte, dass die Gravitation nicht zwingend eine Kraft sein muss, wenn man den drei Raumdimensionen mit der Zeit eine weitere hinzufügt. Die Tatsache, dass sich zwei Körper durch Anziehung aufeinander zu bewegen, kann dadurch so erklärt werden, dass es Krümmungen in den vier Dimensionen gibt, entlang denen die Massen fliegen. Dies ist für unseren dreidimensional geprägten Verstand schwer ersichtlich. Doch vergleichbar ist dies, wenn zwei Schiffe entlang zweier Längengrade in die gleiche Richtung fahren. Jedes Schiff fährt auf der zweidimensionalen Kugelfläche immer stets geradeaus, so dass es für jedes Schiff so aussieht, als würde es einen geraden Kurs verfolgen. Trotzdem treffen sich die Schiffe an einem der Pole, da sie sich ja auf der dreidimensionalen Erdkugel bewegen.

Bewegen sich die Massen nicht gleichförmig, sondern werden beschleunigt, breiten sich „Schockwellen“ über den Raum aus. Je größer das Ereignis, desto stärker die transportierte Energie in den Wellen. Obwohl sich hier Energien von mehreren Sonnenmassen ausbreiten, ist ihr Nachweis schwierig, da die Energie der Wellen mit der Materie nur wenig in Wechselwirkung tritt. Trotzdem wird auch der dreidimensionale Raum durch die Wellen gestreckt und gestaucht. Jedoch bedarf es der Detektion von Veränderungen in Dimensionen von Yoctometern, das sind Änderungen eines Meters an der 22-igsten Stelle nach dem Komma.

Dies ist nur noch anhand der Änderungen von Interferenzmustern mit überlagerten Laserlichtstrahlen möglich. Ähnlich den im Schulunterricht gezeigten Interferenzmustern bei Spaltversuchen wird die Verstärkung und Auslöschung von zwei Lichtstrahlen genutzt. Ein starker, sehr stabiler Laserlichtstrahl wird aufgespaltet und über zwei rechtwinklig zueinander angeordneten, mehrere Kilometer lange Röhren gelenkt, an deren Ende je ein Spiegel das Licht zurückspiegelt. Das zurückkommende Licht wird wie im Spaltversuch überlagert. Ändern sich die Distanzen, ändern sich Auslöschungen und Verstärkungen und somit die Helligkeit des überlagerten Lichts. Dieses Michelson-Morley-Interferometer ist so in der Lage, die Änderungen der „Raumzeit“ zu messen, da eine Gravitationswelle die Längen der beiden Röhren ändert. Aktuell braucht es aber schon ein Ereignis, wie dem Verschmelzen zweier massereicher schwarzer Löcher, damit überhaupt ein eindeutiges Signal nachgewiesen werden kann. Dies war im September und im Dezember 2015 möglich, was ein erster Schritt dahin ist, unser Universum nicht nur im sichtbaren Licht sondern auch mit Gravitationswellen „zu sehen“.

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