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Wenn die Raumzeit Wellen schlägt

Gravitationswellen und das Problem ihres Nachweises

Krümmung der Raumzeit durch die Schwerkraft der Erde © Johnstone / CC-by-sa 3.0

Im Jahre 2015 werden die Physiker das hundertjährige Jubiläum der Allgemeinen Relativitätstheorie feiern. In ihr beschreibt Albert Einstein die Wechselwirkung von Materie und Feldern mit Raum und Zeit. Sie bildet die Basis für unser heutiges Verständnis der Raumzeit und auch vieler kosmischer Phänomene. Darunter die Ablenkung des Lichts durch große Massen – den Gravitationslinsen-Effekt, aber auch die Dehnung der Zeit und die Rotverschiebung des Lichts durch starke Gravitationskräfte und das Phänomen der Schwarzen Löcher.

Verbogene Raumzeit

Alle Vorhersagen der 1915 von Einstein vorgestellten Theorie konnten bisher experimentell bestätigt werden – bis auf eine: die Eigenschaft von Gravitationswellen, messbare Längen zu ändern. Gravitationswellen entstehen, wenn sich sehr große Massen – wie beispielsweise Sterne oder schwarze Löcher – beschleunigt bewegen. Es handelt sich dabei nicht um elektromagnetische Strahlung, sondern um Wellen in der Raumzeit selbst, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Gravitationswellen - Wellen in der Raumzeit © NASA

Gravitationswellen sollen Aufschluss über die bislang dunkle Seite des Universums geben, denn mit der bekannten, auf elektromagnetischer Strahlung beruhenden Astronomie sind nur etwa fünf Prozent des Universums sichtbar. Der Rest sind der gängigen Theorie nach Dunkle Materie, die sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar macht, und Dunkle Energie. Doch für beide gibt es bisher keine eindeutigen Nachweise, denn sie lassen sich weder direkt beobachten noch messen.

Energieschwund im Pulsarpaar

Und auch das Aufspüren der von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen hat sich als schwierig erwiesen. Den ersten indirekten Nachweis dieser Wellen in der Raumzeit erbrachten die Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor von der Princeton University: Sie beobachteten bei einem Doppelsternsystem aus einander umkreisenden Pulsaren, dass im Laufe der Zeit ihre Orbits umeinander immer enger wurden. Das System hatte demnach an Energie verloren. Der Theorie nach müsste dieser Verlust durch die Abstrahlung von Gravitationswellen zustande gekommen sein. Tatsächlich stimmten die gemessenen Werte exakt mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein. Beide Forscher erhielten dafür 1993 den Nobelpreises.

Doppelsternsystem aus Pulsar und Weißem Zwerg: Ihr Energieverlust bestätigte indirekt Einsteins Gravitationswellen-Theorie. © ESO/ L. Calcada

Ähnliches beobachteten Forscher Anfang 2013 auch bei einem Neutronenstern und einem Weißen Zwerg. Sie bestimmten die Masse beider Partner und berechneten dann den Energieanteil, der von dem Doppelsternsystem in Form von Gravitationswellen abgestrahlt werden müsste. Tatsächlich entsprachen die Beobachtungen exakt den Werten, die die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagen. Allerdings: Ein direkter Nachweis der Graviationswellen war auch das nicht.

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MPG Jahrbuch, Harald Lück / Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Stand: 27.09.2013

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Gravitationswellen
Einsteins Wellen in der Raumzeit auf der Spur

Wenn die Raumzeit Wellen schlägt
Gravitationswellen und das Problem ihres Nachweises

Die erste Generation
Gravitationswellen-Detektoren: Winzigen Dehnungen und Stauchungen auf der Spur

Wann kommt der Nachweis?
Neue Detektoren könnten innerhalb eines Jahres Erfolg haben

Nächster Schritt: Einstein Telescope
Gravitationswellen-Astronomie und die Zukunft

Diaschauen zum Thema

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