Gravitationswellen

Gravitationswellen, Störungen in einem Gravitationsfeld, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten. So wie zeitlich veränderliche elektrische oder magnetische Felder elektromagnetische Wellen erzeugen, gehen von zeitlich veränderlichen Gravitationsfeldern Gravitationswellen aus. Diese entstehen vor allem dann, wenn eine große Masse sehr schnell bewegt wird oder wenn sich die Dichte dieser Masse verändert. Die Energie einer Gravitationswelle wird durch Gravitationsquanten, die so genannten Gravitonen, transportiert. Der experimentelle Nachweis für Gravitationswellen konnte bis jetzt noch nicht erbracht werden. Jedoch lassen insbesondere neuere astronomische Beobachtungen die Schlussfolgerung auf die Existenz derartiger Wellen zu.

Der Begriff Gravitationswelle ist seit Albert Einstein in der Physik geläufig. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird Licht auf seinem Weg durch die Raum-Zeit-Welt durch ein zeitlich veränderliches Gravitationsfeld um einen bestimmten Winkel abgelenkt (siehe Gravitationslinse). Ursache hierfür ist die ablenkende Masse, von der das Gravitationsfeld und die Gravitationswellen ausgehen. Heute kennt man mehr als 17 Objekte im Weltraum, bei denen sich dieses Phänomen beobachten lässt. Nach neueren Erkenntnissen in der Astronomie erzeugen Ereignisse, wie z. B. Supernova-Ausbrüche oder das Zusammenfallen von zwei Sternen in ein Schwarzes Loch, Eigenschwingungen, die durch die ebenfalls entstehenden Gravitationswellen gedämpft werden.

Gravitationswellen müssen von dem System, in dem sie entstehen, Energie wegbefördern. Energieverluste in der erwarteten Größenordnung ließen sich beim „Zusammenfall” der beiden Komponenten des astronomischen Objekts PSR 1913+16 beobachten. Dieses System besteht aus zwei Neutronensternen, die einander umkreisen. Für ihre Arbeit und die Entdeckung der zweifachen Pulsare (siehe Stern) erhielten die Physiker Russell A. Hulse und Joseph H. Taylor 1993 den Nobelpreis für Physik.

Um Gravitationswellen direkt nachweisen zu können, wäre es notwendig, Raumdehnungen direkt zu messen – extremst kleine Änderungen im Abstand zwischen zwei verschiedenen Materieteilchen, wie sie durch die Gravitationswellen ausgelöst werden. Man kann sagen, dass in den meisten Fällen die Verschiebungen mit wachsendem Gesamtabstand auch größer sind. Aus theoretischen Studien geht hervor, dass die notwendigen Nachweisgeräte so empfindlich sein müssen, dass sie auf Dehnungen in einer Größe zwischen 10^-19 und 10^-21 ansprechen. Dieses Verhältnis entspricht einer Abstandsänderung von weniger als einem Atomdurchmesser zwischen Sonne und Erde. Ein Supernova-Ausbruch in unserer Milchstraße würde z. B. auf der Erde eine Amplitude (siehe Welle) von 10^-18 erzeugen. Ein derartiges Ereignis findet rein statistisch gesehen alle 30 Jahre statt.

Momentan befinden sich mehrere Experimente zum Nachweis von Gravitationswellen in der Entwicklung. Manche davon arbeiten auf der Grundlage, Schwingungen zu vermessen, die durch Gravitationswellen erregt werden. Derartige Schwingungen sollten theoretisch von mehreren Tonnen schweren Aluminiumzylindern ausgehen, die auf Temperaturen unter einem Kelvin heruntergekühlt werden. Wegbereiter dieser Methode war der amerikanische Physiker Joseph Weber von der Universität Maryland in den siebziger Jahren. Weber konnte mit diesen Detektoren sehr häufig entsprechende Schwingungen registrieren. Seine Ergebnisse ließen sich jedoch nicht mit dem Alter und dem Aufbau der Milchstraße in Einklang bringen. Mit ähnlich konstruierten Großgeräten konnten bis jetzt Amplituden von 10^-16 nachgewiesen werden. Zurzeit nutzt man zur Messung von extrem kleinen Amplituden so genannte Laserinterferometer, die im Prinzip ähnlich aufgebaut sind wie das Michelson-Interferometer. Schwingungen, in der Größenordnung von Gravitationswellen, verursachen in den Schenkellängen dieser Apparaturen gewisse Längenänderungen, die man erhofft registrieren zu können. Dabei wächst die Messempfindlichkeit mit der Schenkellänge. Beispielsweise betreibt das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ein Laserinterferometer mit einer Schenkellänge von drei Kilometern. Jeweils vier Kilometer Schenkellänge sollen zwei Nachweissysteme in den USA erhalten, die sich im Jahr 2000 noch im Bau befanden (Projekt LIGO). Beide Systeme, das eine in Hanford (Washington) und das andere in Livingston (Louisiana), werden mit Hilfe von künstlichen Satelliten elektronisch miteinander gekoppelt, die sich in Erdumlaufbahnen befinden.

In Europa entsteht das italienisch-französische VIRGO-Interferometer (Armlänge drei Kilometer) in Norditalien nahe der Stadt Pisa. Das mit 600 Meter langen Armen kürzere Interferometer GEO 600 wird in der Nähe von Hannover von deutschen und britischen Forschungsteams in Zusammenarbeit aufgebaut. Ein japanischer Detektor von noch geringerer Armlänge (300 Meter) befindet sich in der Nähe von Tokyo (Projekt TAMA 300).