Als Teil seiner allgemeinen Relativitätstheorie sagte Einstein voraus, dass die Masse Gravitationswellen aussenden sollte. Es sollte in der Lage sein, die stärksten Gravitationswellen beim Durchgang durch die Erde zu erfassen. Und ein für 2015 geplantes weltraumgestütztes Observatorium namens LISA sollte noch stärker sein.
Wissenschaftler sind nahe daran, Gravitationswellen tatsächlich zu sehen. Bildnachweis: NASA
Die Schwerkraft ist eine vertraute Kraft. Es ist der Grund für Höhenangst. Es hält den Mond an die Erde, die Erde an die Sonne. Es verhindert, dass Bier aus unseren Gläsern schwimmt.
Aber wie? Sendet die Erde geheime Botschaften an den Mond?
Na ja - irgendwie.
Eanna Flanagan, Associate Professor für Physik und Astronomie bei Cornell, hat sein Leben dem Verständnis der Schwerkraft gewidmet, seit er Student am University College Dublin in seiner Heimat Irland war. Jetzt, fast zwei Jahrzehnte nachdem er Irland verlassen hat, um am berühmten Relativisten Kip Thorne am California Institute of Technology zu promovieren, konzentriert sich seine Arbeit auf die Vorhersage der Größe und Form von Gravitationswellen - ein schwer fassbares Phänomen, das von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1916 vorhergesagt wird die aber noch nie direkt erkannt wurden.
1974 maßen die Astronomen Russell Hulse und Joseph H. Taylor Jr. von der Princeton University indirekt den Einfluss von Gravitationswellen auf gemeinsam umlaufende Neutronensterne, eine Entdeckung, die ihnen 1993 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Dank der jüngsten Arbeit von Flanagan und seinen Kollegen stehen Wissenschaftler nun kurz davor, die ersten Gravitationswellen direkt zu sehen.
Schall kann nicht im luftleeren Raum existieren. Es benötigt ein Medium wie Luft oder Wasser, über das die Botschaft übermittelt werden kann. Ebenso kann die Schwerkraft nicht im Nichts existieren. Auch sie braucht ein Medium, um ihre Botschaft zu übermitteln. Einstein theoretisierte, dass dieses Medium Raum und Zeit oder das „Raumzeitgewebe“ ist.
Druckänderungen - ein Schlag auf eine Trommel, ein vibrierendes Stimmband - erzeugen Schallwellen, Wellen in der Luft. Nach Einsteins Theorie erzeugen Massenänderungen - die Kollision zweier Sterne, die Landung von Staub auf einem Bücherregal - Gravitationswellen und Wellen in der Raumzeit.
Da die meisten Alltagsgegenstände Masse haben, sollten Gravitationswellen überall um uns herum sein. Warum können wir keine finden?
"Die stärksten Gravitationswellen verursachen messbare Störungen auf der Erde, die 1000-mal kleiner sind als ein Atomkern", erklärte Flanagan. "Sie zu erkennen ist eine große technische Herausforderung."
Die Antwort auf diese Herausforderung ist LIGO, das Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium, ein kolossales Experiment, an dem mehr als 300 Wissenschaftler zusammenarbeiten.
LIGO besteht aus zwei Installationen, die fast 2.000 Meilen voneinander entfernt sind - eine in Hanford, Washington, und eine in Livingston, La. Jede Anlage hat die Form eines riesigen „L“ mit zwei 2,5 Meilen langen Armen mit einem Durchmesser von 4 Fuß Vakuumrohre in Beton eingeschlossen. Ultra-stabile Laserstrahlen durchqueren die Rohre und springen zwischen den Spiegeln am Ende jedes Arms. Wissenschaftler erwarten, dass eine vorbeiziehende Gravitationswelle einen Arm streckt und den anderen drückt, wodurch die beiden Laser leicht unterschiedliche Entfernungen zurücklegen.
Die Differenz kann dann gemessen werden, indem die Laser dort „gestört“ werden, wo sich die Arme schneiden. Es ist vergleichbar mit zwei Autos, die senkrecht auf eine Kreuzung zufahren. Wenn sie die gleiche Geschwindigkeit und Distanz zurücklegen, stürzen sie immer ab. Aber wenn die Entfernungen unterschiedlich sind, könnten sie verfehlen. Flanagan und seine Kollegen hoffen auf einen Fehlschlag.
Darüber hinaus liefert genau das Ausmaß, in dem die Laser treffen oder verfehlen, Informationen über die Eigenschaften und den Ursprung der Gravitationswelle. Flanagans Aufgabe ist es, diese Eigenschaften vorherzusagen, damit seine Kollegen bei LIGO wissen, wonach sie suchen müssen.
Aufgrund technologischer Grenzen ist LIGO nur in der Lage, Gravitationswellen bestimmter Frequenzen von starken Quellen zu erfassen, einschließlich Supernova-Explosionen in der Milchstraße und sich schnell drehenden oder gemeinsam umlaufenden Neutronensternen in der Milchstraße oder in entfernten Galaxien.
Um potenzielle Quellen zu erweitern, planen die NASA und die Europäische Weltraumorganisation bereits den Nachfolger von LIGO, LISA, die Laserinterferometer-Weltraumantenne. LISA ähnelt im Konzept LIGO, außer dass die Laser zwischen drei Satelliten springen, die 3 Millionen Meilen voneinander entfernt sind und die Erde in einer Umlaufbahn um die Sonne verfolgen. Infolgedessen kann LISA Wellen mit niedrigeren Frequenzen als LIGO erfassen, wie sie beispielsweise durch die Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch oder durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher entstehen. Der Start von LISA ist für 2015 geplant.
Flanagan und Mitarbeiter des Massachusetts Institute of Technology haben kürzlich die Gravitationswellensignatur entschlüsselt, die entsteht, wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch einen sonnengroßen Neutronenstern verschluckt. Es ist eine Signatur, deren Erkennung für LISA wichtig ist.
"Wenn LISA fliegt, sollten wir Hunderte dieser Dinge sehen", bemerkte Flanagan. „Wir werden messen können, wie Raum und Zeit verzerrt sind und wie der Raum durch ein Schwarzes Loch verdreht werden soll. Wir sehen elektromagnetische Strahlung und wir denken, dass es wahrscheinlich ein Schwarzes Loch ist - aber das ist ungefähr so weit wie wir gekommen sind. Es wird sehr aufregend sein, endlich zu sehen, dass die Relativitätstheorie tatsächlich funktioniert. “
Aber er warnte: „Es könnte nicht funktionieren. Astronomen beobachten, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Eine Erklärung ist, dass die allgemeine Relativitätstheorie geändert werden muss: Einstein hatte größtenteils Recht, aber in einigen Regimen könnten die Dinge anders funktionieren. “
Thomas Oberst ist Praktikant als Wissenschaftsjournalist beim Cornell News Service.
Ursprüngliche Quelle: Cornell University
