Die Existenz von Gravitationswellen wurde 1916 von Albert Einstein vorhergesagt nachdem er zuvor eine Frage beantwortet hatte, die Isaac Newton nicht beantworten konnte. Von dieser Vorhersage bis zum ersten Nachweis der Gravitationsstrahlung war es ein weiter und komplizierter Weg. Zuerst musste man mal verstehen, was Gravitationswellen eigentlich sind…
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Sternengeschichten Folge 184: Gravitationswellen
Gravitationswellen gibt es, weil Albert Einstein eine Frage beantwortet hat, die Isaac Newton nicht beantworten konnte. Beziehungsweise gibt es die Gravitationswellen natürlich immer schon, aber wir wissen erst seit Albert Einsteins Arbeit von ihrer Existenz. Im 17. Jahrhundert konnte Isaac Newton als erster mathematisch erklären, wie die Gravitationskraft zwischen Himmelskörpern wirkt.
Seine Theorie war genau genug um die Bewegung von Planeten, Kometen, Asteroiden und anderen Objekten vorherzusagen. Newtons Theorie ist für die allermeisten Fälle auch heute immer noch ausreichend genau. Aber sie hatte und hat ihre Probleme. In manchen Spezialfällen war sie eben leider nicht genau genug. Und Newton konnte damit zwar erklären, wie Gravitation wirkt, aber nicht warum. Ganz besonders konnte er nicht erklären, wie beziehungsweise ob sich die Gravitationskraft ausbreitet. Seiner Theorie nach war Gravitation etwas, das instantan wirkt; etwas, das unendlich schnell sein muss.
Isaac Newton war super. Aber die Gravitatinswellen hat er nicht kommen sehen… (Bild: Wellcome Trust, CC-BY 4.0)
Einsteins berühmte allgemeine Relativitätstheorie war nicht nur wesentlich besser und genauer darin, die Bewegung von Himmelskörpern vorherzusagen. Er konnte auch erklären, warum die Gravitationskraft so wirkt, wie sie wirkt. Einstein beschrieb die Gravitation als Eigenschaft des Raumes (genaugenommen: der Raumzeit) selbst. Objekte bewegen sich auf geraden Linien durch den Raum. Jedes Objekt mit einer Masse krümmt den Raum aber auch und dadurch ändert sich seine Bewegung. Die Kraft, die wir als Gravitation kennen ist laut Einstein also nichts anderes als die Art und Weise, wie wir die Krümmung des Raumes wahrnehmen.
Einstein konnte außerdem zeigen, dass sich Veränderungen in der Gravitationskraft, also Veränderungen in der Krümmung des Raumes nicht unendlich schnell ausbreiten, sondern “nur” mit Lichtgeschwindigkeit. Und genau hier verstecken sich die Gravitationswellen: Sie SIND die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Veränderungen in der Krümmung des Raums.
Wenn ein Objekt – zum Beispiel ein Stern – einfach nur so da sitzt und den Raum krümmt, passiert noch nichts. Der Raum ist gekrümmt und je nachdem wie nah wir uns am Stern befinden und wie stark der Raum an unserer Position gekrümmt ist, spüren wir eine mehr oder weniger starke Gravitationskraft. Selbst wenn der Stern sich gleichmäßig bewegt, tut sich nicht viel. Auch das ist ja eine der Erkenntnisse von Einsteins Relativitätstheorie: Es ist egal, aus welcher Position man ein physikalisches System betrachtet. Ein sich gleichmäßig bewegender Stern und ein ruhender Beobachter oder ein ruhender Stern und sich gleichmäßig bewegender Beobachter führen zum gleichen Ergebnis. Anders sieht die Sache bei beschleunigter Bewegung aus.
Ein System aus beschleunigten Massen verursacht Veränderungen im Gravitationsfeld beziehungsweise Veränderungen in der Krümmung der Raumzeit. Diese Veränderungen breiten sich nicht instantan aus, sondern bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit von den bewegten Massen fort. Oder anders gesagt: Jedes System beschleunigter Massen erzeugt Gravitationswellen.
Das hat Albert Einstein in einer Arbeit aus dem Jahr 1916 erstmals öffentlich erklärt. 1918 musste er die damalige Arbeit noch einmal korrigieren, da er zwei Jahre zuvor einen kleinen Rechenfehler gemacht hatte. Ein paar Jahrzehnte später, 1936, schrieb er dann gemeinsam mit einem Kollegen eine weitere Arbeit zu diesem Thema. Diesmal war er allerdings der Meinung, es könne doch keine Gravitationswellen geben; alles sei nur ein mathematischer Effekt aber kein reales Phänomen. Der Gutachter der Fachzeitschrift in der Einstein diese Arbeit veröffentlichen wollte, merkte aber an, dass ein paar Dinge in Einsteins Arbeit mathematisch nicht ganz korrekt zu sein schienen. Einstein war darüber so erbost, dass er den Text zurück zog und erst ein Jahr später in einer anderen Zeitschrift publizierte. Mittlerweile schien ihm aber selbst klar geworden zu sein, dass er sich – ein weiteres Mal – geirrt hatte und in der neuen Arbeit waren die Gravitationswellen wieder real.
Mathematisch waren die Gravitationswellen also selbst für ein Genie wie Einstein schwer zu fassen. Sie praktisch nachzuweisen war dagegen noch viel schwieriger. Einstein selbst war bis zu seinem Tod überzeugt, dass man sie niemals nachweisen würde können. Dafür seien die Auswirkungen viel zu gering.
Eine Gravitationswelle sorgt dafür, dass sich die Metrik des Raums ändert. Mathematisch gesehen ist es eine Fluktuation des “metrischen Tensors”. Anschaulich eine Veränderung von Abständen. Vereinfacht gesagt: Eine Gravitationswelle, die beispielsweise durch unseren Planeten hindurch läuft, streckt die Erde zuerst ein kleines bisschen und staucht sie danach zusammen. Alle Längen, alle Abstände ändern sich, da es ja der Raum selbst ist, der durch die Gravitationswelle verändert wird. Aber merken tut man davon normalerweise nicht viel.
Der Relativitätstheorie zufolge erzeugen zwar wirklich alle beschleunigten Massen Gravitationswellen. Aber die Gravitation ist eine enorme schwache Kraft und der Effekt der Gravitationswellen entsprechend gering. Wenn ich schnell im Kreis herum laufe, dann erzeugt die beschleunigte Bewegung meiner Körpermasse Gravitationswellen. Aber die sind so gering, dass ich mir die Mühe auch gleich sparen könnte. Selbst die Gravitationswellen die von der Bewegung ganzer Planeten erzeugt werden, lassen sich so gut wie unmöglich nachweisen.
Die Raumzeit lässt sich zwar krümmen, aber nur schwer. In vielen Analogien stellen wir uns den Raum ja gerne als Gummituch vor; in Wahrheit ist die Raumzeit aber bei weitem nicht so elastisch sondern schwerer verformbar als jedes Material das wir kennen. Wenn überhaupt die Möglichkeit eines Nachweises besteht, dann nur wenn es sich um Wellen handelt, die von äußerst massereichen Objekten stammen.
Man unterscheidet – je nach Ursprung – drei verschiedene Typen von Gravitationswellen. Da sind zuerst die kontinuierlichen Gravitationswellen. Sie können von rotierenden, extrem kompakten und massereichen Objekten erzeugt werden. Neutronensternen zum Beispiel, den Überresten großer Sterne. Ein Neutronenstern ist schwerer als die Sonne aber nur ein paar Dutzend Kilometer groß. Sie rotieren auch extrem schnell um ihre Achse, typischerweise ein paar hundert Mal pro Sekunde. Wenn ein Neutronenstern perfekt kugelförmig ist, sendet er keine Gravitationswellen aus. Aber schon minimale Abweichungen können für eine unregelmäßige Bewegung sorgen, die Quelle von Gravitationswellen ist. So ein leicht wackelnder Neutronenstern würde kontinuierlich Gravitationswellen mit der gleichen Frequenz und Stärke aussenden.
Die zweite Art von Gravitationswellen wird “Inspiral” genannt. Sie stammt von dichten, massereichen Objekten, die einander umkreisen. Zwei Neutronensterne zum Beispiel oder zwei schwarze Löcher die gravitativ aneinander gebunden sind und sich umeinander bewegen. Dabei senden sie Gravitationswellen aus, verlieren dadurch aber auch Energie. Je mehr Energie sie verlieren, desto näher kommen sie einander und desto schneller umkreisen sie sich. Je schneller sie sich umkreisen, desto stärker werden die Gravitationswellen und desto größer der Energieverlust. Und so weiter. Man erhält also Gravitationswellen, die zuerst nur schwach sind, dann aber immer stärker werden je näher sich die beiden Objekte kommen und schließlich verschwinden, wenn sie miteinander kollidieren und zu einem einzigen Objekt verschmelzen.
Dann gibt es noch “explosive Gravitationswellen” die von Ereignissen stammen, die sich nur schwer vorhersagen lassen. Supernova-Explosionen oder ähnlich katastrophalen Vorkomnissen zum Beispiel. Da wir noch nicht im Detail verstehen, was dabei abläuft lässt sich auch nicht im Detail vorhersagen, wie die entsprechenden Gravitationswellen aussehen würden.
Theoretisch gibt es auch noch eine vierte Art der Gravitationswellen, eine “gravitative Hintergrundstrahlung” die von all den Objekten überall im Universum stammt, die zu weit entfernt oder zu schwach sind, um einzeln detektiert zu werden.
Das Universum sollte also voll mit Gravitationswellen sein; sie nachzuweisen ist aber enorm schwierig. Ein direkter Nachweis muss auch direkt die durch die Welle verursachte Längeänderung messen können. Das lässt sich mit einem sogenannten “Interferometer” erreichen. Man benutzt dazu eine Laserlichtquelle, die in zwei Strahlen aufgespaltet wird. Der eine Strahl bewegt sich dabei genau im rechten Winkel zum anderen Strahl. Nachdem beide exakt die gleiche Distanz zurück gelegt haben, werden sie an einem Spiegel reflektiert und wieder zurück zu ihrem Ausgangspunkt gelenkt. Wenn beide auch wirklich exakt die gleiche Entfernung zurück gelegt haben, kommen sie dort auch exakt zum gleichen Zeitpunkt an, denn sie bewegen sich ja zwangsläufig immer mit genau der Lichtgeschwindigkeit. Man kann das Interferometer nun so einstellen, dass die beiden Laserstrahlen sich dort gegenseitig auslöschen, also nichts mehr zu sehen ist.
Genau so wie vorhergesagt: Die Erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen mit dem LIGO-Interferometer (Bild: Abbott et al, 2016, CC-BY 3.0)
Wenn nun aber eine Gravitationswelle durch den Detektor läuft, ändern sich die Distanzen. Der eine Laserstrahl legt eine geringfügig andere Distanz zurück als der andere. Sie kommen nicht mehr zum gleichen Zeitpunkt an und löschen sich nicht mehr aus. Das Prinzip hinter so einem Detektor ist einfach; die Umsetzung dagegen enorm schwer. Die ersten Versuche, einen Gravitationswellendetektor zu bauen, fanden in den 1960er Jahren statt. Es hat mehr als 50 Jahre gedauert, bis die Wissenschaftler in der Lage waren, ein ausreichend gutes Gerät zu konstruieren um die ersten Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Obwohl “Gerät” nicht das richtige Wort ist – “Gebäude” wäre passender. Die Laserstrahlen legen darin einen Weg von 4 Kilometern zurück bevor sie reflektiert werden. Damit lassen sich Längenanderungen nachweisen, die tausende Male kleiner sind als der Durchmesser eines Atomkerns. Und trotzdem reicht es nur, um die allerstärksten Gravitationswellen zu detektieren…
Der Weg zum ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen war lang, schwierig und keinesfalls direkt. Es gab jede Menge interessante Umleitungen und Sackgassen. Aber das ist ein Thema für eine andere Folge der Sternengeschichten.
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