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Ein kleiner Stein schlägt große Wellen – oder: Was sind Gravitationswellen?

Zum ersten Mal wurden nun sogenannte Gravitationswellen direkt gemessen, die Einsteins Relativitätstheorie wasserdicht bestätigen. Doch was sind eigentlich Gravitationswellen? Welches Potenzial steckt für die Forschung in den Raumzeitkrümmungen und warum bestätigt das Einsteins berühmtes E = m c2?

Die Entdeckung

Gravitationswellen wurden bereits 1974 indirekt bestätigt, und zwar durch die US-amerikanischen Astronomen Huise und Taylor, die beobachteten, dass die Zeit, in der sich zwei Neutronensterne, also sehr massereiche Zentren, umkreisen kontinuierlich gleichmäßig abnimmt. Dieses Phänomen konnten Rechnungen, die Einsteins Konzept von Gravitationswellen als Grundlage nutzen, korrekt und präzise erklären. Deshalb gab es für die beiden Herren 1993 den Physik-Nobelpreis.

Astrophysiker vom LIGO-Observatorium in Hanford und Livingston, USA, gaben am 11. Februar bekannt, erfolgsversprechende Signale erfasst zu haben. Was nun besonders spannend an der Entdeckung vom 11. Februar ist, ist der gelungene direkte Nachweis der Gravitationswellen, den man bis jetzt für nahezu unmöglich gehalten hat, da Gravitationswellen nur einen relativen Wirkungsbereich von 10-18 auf eine Raumdimension haben; d.h. konkret, dass Gravitationswellen – wie in den Observatorien in den USA – eine Länge von 3 km gerade einmal um den Durchmesser eines Protons verzerren. Doch die Messgeräte der Astrophysiker waren sensitiv genug, diese winzige Änderung wahrzunehmen.

Einsteins Relativitätstheorie

Wie ein Stein im Wasser - Zweidimensionale Betrachtung von Gravitationswellen, die von zwei einander umkreisenden Neutronensternen ausgesandt werden. (Gemeinfrei)

Wie ein Stein im Wasser – Zweidimensionale Betrachtung von Gravitationswellen, die von zwei einander umkreisenden Neutronensternen ausgesandt werden. (Gemeinfrei)

Jeder kennt die Formel E = m c2, und bringt sie mit Einsteins Relativitätstheorie schlagwortartig zusammen – allerdings ist die Gleichung nur ein Teil von Einsteins Theorie: die spezielle Relativitätstheorie. Sie sagt aus, dass jedes Teilchen, also jede Masse, hochenergetisch ist. Einstein sagte in seinem Konzept die Existenz von Gravitationswellen voraus, die sich zwangsläufig durch seine Berechnungen aus den von ihm getroffenen Annahmen ergaben. Mit dem Nachweis von Gravitationswellen gelingt also zugleich die Bestätigung der Einsteinschen Theorie!

Was sind Gravitationswellen?

LIGO-Messung von Gravitationswellen (Quelle: Abbott et al. - B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). CC BY-3.0)

LIGO-Messung von Gravitationswellen
(Quelle: Abbott et al. – B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). CC BY-3.0)

Gravitationswellen sind Änderungen der Raumzeitstruktur, die sich mit der Lichtgeschwindigkeit c von jedem Massezentrum, also auch von dir und mir, ausbreiten. – Aber was heißt das eigentlich?

Albert Einstein entwarf das Universum als vierdimensionales Gebilde, bestehend aus den drei Raumdimensionen Länge, Breite und Höhe plus vierter Dimension Zeit, die alle untereinander wechselwirken. Dieses Gebilde nannte er Raumzeit. Änderungen in diesem 4D-Konstrukt sind eben Gravitationswellen, die entstehen, wenn ein massereiches Zentrum die Raumzeit krümmt. Da die Änderung allerdings so winzig ist, verzerrt erst eine sehr große Masse das Kontinuum merklich – große Massen, die beispielsweise Schwarze Löcher oder Supernovae haben. Diese Änderung schwingt in einer bestimmten Entfernung vom Ursprung, d.h. sie nimmt gleichmäßig mit der Zeit zu und ab. Deswegen spricht man von Wellen. Um das Ganze anschaulicher zu gestalten, wird oft folgende 2D-Analogie genutzt: Man stelle sich einen Teich vor, in dem das Wasser absolut ruht und eine perfekte Ebene bildet – das entspricht der ungestörten Raumzeit. Wenn nun ein Stein in die Mitte des Teiches geworfen wird – dieser Stein ist das massereiche Zentrum -, wird die Wasseroberfläche gestört und diese Störung breitet sich wellenartig vom Ursprungsort aus. Diese Wellen entsprechen den Gravitationswellen.

Ausblick

Die Entdeckung freut nicht nur Einstein-Liebhaber oder Theoretiker der Physik, da es nun endlich gelungen ist, die fundamentale Theorie der Physik zu bestätigen, sondern hat auch für Astrophysiker und Astronomen ganz praktische Bedeutung. Denn mit der Kenntnis von Gravitationswellen können nur die bereits bestehenden Messinstrumente auf das Signal hin optimiert werden, sodass kleinere Signale wahrgenommen werden können. Anwendung finden diese Entwicklungen dann vor allem in der Erforschung des Alls außerhalb unseres Sonnensystems, wenn auf dieser Grundlage Teleskope entwickelt werden.

Vielleicht wird mit dieser Technik der Planet weit hinter Neptun bestätigt, der bislang nur als Planet X angenommen wird.

Quellen:

[1]       www.tagesschau.de/ausland/gravitationswellen-nachweis-105.html, 12.02.2016.

[2]       www.geo600.uni-hannover.de/physikjahr/gwwellen.html, 12.02.2016.

 

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