Episode Details

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Gravitationswellen, Verzerrungen der Raumzeit, einst von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt, sind eine der aufregendsten Entdeckungen der modernen Physik. Ihr Nachweis stellt eine enorme Präzisionsleistung dar. Doch was genau sind Gravitationswellen? Wie entstehen sie? Und warum dauerte es mehr als hundert Jahre, bis ihr Nachweis gelang? In dieser Episode tauchen wir tief in die Welt der Gravitationswellen ein und erkunden, warum ihre Erforschung für die Astronomie so wichtig ist.

Einleitung

In Folge 53 haben Eva und Jana über die Kollision Schwarzer Löcher gesprochen. Bei der Kollision solch massereicher und kompakter Objekte entstehen Gravitationswellen.
Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie entstehen immer dann, wenn massereiche Objekte beschleunigt werden - wie eben bei der Kollision Schwarzer Löcher oder bei Supernova-Explosionen. Grund genug, ihnen eine eigene Episode zu widmen und genauer zu untersuchen, was sie sind, wie sie entstehen und warum es so lange gedauert hat, sie nachzuweisen.

Im Allgemeinen werden drei Arten von Gravitationswellen unterschieden:

1. Inspiral-Gravitationswellen: Werden von zwei massereichen Objekten erzeugt, die sich umkreisen - etwa zwei Neutronensterne oder Schwarze Löcher, die sich langsam spiralförmig annähern, bevor sie verschmelzen.

2. Kontinuierliche Gravitationswellen: Werden von rotierenden Neutronensternen erzeugt, die aufgrund ihrer extremen Dichte winzige Unregelmäßigkeiten aufweisen und dadurch kontinuierliche Wellen aussenden.

3. Explosive Gravitationswellen: Sie entstehen bei extremen kosmischen Ereignissen wie Supernovae oder anderen Prozessen, die noch nicht vollständig verstanden sind.

Die Geschichte der Gravitationswellen

Bereits 1916 sagte Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen voraus. Seine Theorie beschreibt die Gravitation nicht als klassische Kraft (wie bei Isaac Newton), sondern als Krümmung der Raumzeit. Er verstand die Gravitation als eine Eigenschaft des Raumes selbst, wobei jedes Objekt mit Masse den Raum krümmt. Nach Einstein ist die Gravitation also die Art und Weise, wie wir die Krümmung des Raumes wahrnehmen. Im Gegensatz zu Newton folgt daraus, dass sich eine Änderung der Gravitationskraft nicht unendlich schnell ausbreitet, sondern mit Lichtgeschwindigkeit. Und genau das beschreibt eine Gravitationswelle, eine sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Änderung der Raumkrümmung. Allerdings ist der Effekt so schwach, dass selbst Einstein skeptisch war, ob er jemals nachgewiesen werden kann.

Trotz der geringen Erfolgschancen, begannen ab den 1970er Jahren Experimente zum Nachweis von Gravitationswellen. Der amerikanische Physiker Joseph Weber begann erste Versuche mit massiven Aluminiumzylindern. Seine vermeintlich positiven Ergebnisse konnten jedoch nicht reproduziert werden und wurden in der Fachwelt mit Skepsis betrachtet. Seine Versuche ebneten jedoch den Weg für weitere Forschungen in der Physik.

Laserinterferometrie und LIGO

Ab den 1990er Jahren begann die Entwicklung und der Bau von LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), das schließlich den Durchbruch bringen sollte. Im Gegensatz zu Weber wurde hier der Nachweis der Messung