Physik

Einfach erklärt: Wie entstehen Gravitationswellen?

Wie entstehen Gravitationswellen und wie können wir sie messen? Wellen sind etwas, mit dem jeder vertraut ist. Wenn man zum Beispiel einen Stein in einen Teich wirft, der ansonsten unbewegt ist, entstehen Wellen.

Die Berechnungen, die Albert Einstein 1915 anstellte, sagten die Existenz von Gravitationswellen voraus. Der direkte Nachweis dieser Wellen erfolgte gegen Ende des Jahres 2015.

Einsteins Relativitätstheorie bewies, dass Raum und Zeit nicht unabhängig voneinander sind, sondern eine Einheit bilden, die als Raumzeit bezeichnet wird. Diese Einheit wurde nach Einstein benannt.

Wenn wir uns vorstellen, dass diese beiden Variablen zusammen eine zweidimensionale, flache, elastische Membran bilden, dann können wir postulieren, dass sich die Raumzeit bei Vorhandensein von Masse genauso „verformt“ wie eine typische Membran, wenn Druck ausgeübt wird, z. B. durch das Gewicht einer Billardkugel.

Jeder andere Gegenstand mit Masse bemerkt die Verformung und wird gezwungen, sich auf anderen Bahnen zu bewegen, als wenn die Membran nicht verformt wäre. Die Schwerkraft ist der Effekt oder das Ergebnis dieser gekrümmten Raum-Zeit-Geometrie, und so erklärt die Relativitätstheorie die berühmte universelle Gravitation von Newton.

Wie entstehen Gravitationswellen??

Beschleunigte große Massen verursachen Wellen im Gefüge der Raumzeit, die sich als Wellen durch den Kosmos bewegen. Dies sind die Gravitationswellen, die Einstein vorausgesehen hat und die nun endlich entdeckt wurden.

Nur außergewöhnliche Ereignisse in massereichen kosmischen Objekten, wie Neutronensternen, Gammastrahlenausbrüchen oder schwarzen Löchern, können Wellen mit ausreichender Energie erzeugen, um nachgewiesen zu werden; so intensive Ereignisse wie eine große Supernova-Explosion oder die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher zum Beispiel.

Gravitationswellen komprimieren die Raumzeit in einer Richtung und dehnen sie in der anderen, und sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Nichts kann sie aufhalten oder spiegeln. Im Gegensatz zu Licht und anderen elektromagnetischen Wellen spielt es daher kaum eine Rolle, wie viele Dinge sich auf ihrem Weg befinden, bevor sie die Erde erreichen.

Warum sind sie so wichtig? Einige kosmische Ereignisse lassen sich nur sehr schwer aus erster Hand beobachten. Man denke zum Beispiel an die Beobachtung von schwarzen Löchern, die kein Licht erzeugen.

Sie können jedoch Gravitationswellen erzeugen, wenn zwei von ihnen aufeinandertreffen und sich verbinden. Genau das geschah, als die Gravitationswellen zum ersten Mal entdeckt wurden.

Sie können sogar erklären, was in der ersten Sekunde des Kosmos, unmittelbar nach dem Urknall, geschah. Es wird angenommen, dass diese Entdeckung zum Verständnis einiger der großen Unbekannten in der Physik und Astronomie beitragen kann.

Wie werden Gravitationswellen nachgewiesen?

Im Jahr 2015 bestand das fortschrittliche laserinterferometrische Gravitationswellenobservatorium LIGO aus zwei Detektoren, die 3.000 Kilometer voneinander entfernt in den Bundesstaaten Washington und Louisiana aufgestellt waren. Jeder Detektor bestand aus zwei Laserstrahlen, die jeweils vier Kilometer lang und rechtwinklig zueinander ausgerichtet waren.

Wenn eine Gravitationswelle erzeugt wird, verlängert sich einer dieser Lichtstrahlen, während der andere kürzer wird. LIGO ist in der Lage, Verschiebungen in der Struktur des Universums zu erkennen, die nur ein Hundertstel des Durchmessers eines Atomkerns betragen.

Das erste Signal wurde von beiden Detektoren am 14. September zum gleichen Zeitpunkt aufgefangen. Es entstand durch die Kollision zweier riesiger schwarzer Löcher, die 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt waren und die 29- bzw. 36-fache Masse der Sonne hatten.

Die Verschmelzung der beiden schwarzen Löcher zu einer Einheit verursachte die Freisetzung von Energie in Form von Gravitationswellen, die drei Sonnenmassen entsprechen.

Als diese Wellen 1,3 Milliarden Jahre später bei uns eintrafen, verursachten sie eine sehr kleine Störung der Raumzeit, die für jedermann unbemerkt blieb, aber für die extrem hohe Empfindlichkeit von LIGO ausreichte.

Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne erhielten den Nobelpreis für Physik 2017 für ihre Arbeit am Gravitationswellendetektor LIGO. Die Jury ehrte sie für eine weltverändernde Entdeckung.

Der Prinzessin-von-Asturien-Preis wurde auch drei amerikanischen Physikern für ihre entscheidende Arbeit bei der Entdeckung dieses Phänomens mit dem Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium verliehen.

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