Unsere Welt zu verstehen:  Messung Gravitationwellen

 

 
Zur Messung von Gravitationwellen

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Nachdem LIGO am 15.9.2014 ( Event GW150914 ) erstmals Gravitationswellen registriert hat — und dazu in der Lage sein musste, die Längen seiner jeweils 4 km langen Arme auf ein Zehntausendstel eines Protonendurchmessers genau zu messen — wird nun neu darüber nachgedacht, wie sinnvoll es erscheint, viel Geld in noch wesentlich genauere Detektoren zu stecken.
 
Schon 1997 hatte die Weltraumagentur ESA in Kooperation mit der NASA ein sehr ehrgeiziges Projekt geplant: LISA (Laser Interferometry Space Antenna). Nachdem sich die NASA dann aber 2011 wegen fehlenden Geldes aus dem Projekt zurückzog, regten sich Zweifel, ob ein derart ambitioniertes Unternehmen denn überhaupt sinnvoll sei und ob es denn überhaupt gelingen könne.
 
LISA sollte aus 3 baugleichen Raumsonden bestehen, die — 50 Mio Kilometer von der Erde entfernt — ein gleichseitiges Dreieck mit etwa 5 Mio. Kilometer Länge aufgespannt hätten.

 
Nach dem Ausstieg der NASA wurde das Projekt abgespeckt und neu geplant als eLISA (evolved LISA): Drei Satelliten mit einer V-förmigen Laserstrahlenlänge von jetzt nur noch 1 Million Kilometer.
 
Die technische Machbarkeit dieser Lösung zu demonstrieren wurde am 5.12.2015 eine eigene Raumsonde losgeschickt: LISA Pathfinder.
 
Sie hat zwei Testmassen an Bord: ein Paar je 2 kg schwerer (46 mm großer) Würfel aus Gold und Platin. Sie wurden am 1.3.2016 aus ihren Halterungen gelöst und befinden sich seitdem 38 cm voneinander entfernt in der Schwerelosigkeit. Dies stellt den reinsten freien Fall dar, den Menschen je künstlich herbeigeführt haben. Kompliziert ist das deswegen, weil die Raumsonde selbst, die Sonneneinstrahlung sowie der Druck des Sonnenwindes winzige, aber messbare Störungen erzeugen, die laufend durch minimale Kurskorrekturen kompensiert werden müssen.
 
Zudem soll die Sonde — die sozusagen um die beiden Würfel herum fliegt —, den Abstand der beiden Testkörper störungsfrei exakt messen: eLISA kann nur Erfolg haben, wenn dies auf wenige Billionstel Meter genau gelingt.
 
Bislang (Juni 2016) sind die Resultate besser als man zu hoffen gewagt hatte.

 
Asiatische Forscher (Japan und China) planen zwei ähnliche Detektoren. Sie sollen geeignet sein, Gravitationswellen im Bereich von 0,1 bis 100 Millihertz zu registrieren.

 
Note: Weltweit mehrere (auch unterschiedlich konzipierte) Detektoren zu haben ist eine notwendige Form der Kooperation. Die Forscher tauschen neben ihren Erfahrungen mit dieser oder jener Technologie natürlich auch ihre Messdaten aus, und so haben auch im Zuge von GW150914 die Projekte LIGO, Virgo und GEO600 eng zusammengearbeitet.
 
Dies ist auch notwendig, denn man braucht mindestens 2 Anlagen, um Messfehler auszuschließen. Eine dritte ist notwendig, um die Richtung zu bestimmen, aus der registrierte Gravitationwellen kommen. Erst mit noch einer vierten Anlage wäre es möglich, diese Richtung auch aus Zeitunterschieden zu berechnen. Einsteins Theorie der Gravitationswellen selbst zu testen gegenüber alternativen Theorien, die — anders als die Allgemeine Relativitätstheorie — auch in Ausbreitungsrichtung schwingende Wellen voraussagen, sind ebenfalls wenigstens 4 Detektoren nötig.
 
Lies auch: Wie schwingen Gravitationswellen?

 
 
Die Quelle von Gravitationswellen kann unterschiedlicher Art sein: Stochastischer Hintergrund, periodisch auftretende Wellen und Bursts:

 

• Der stochasistische Gravitationwellen-Hintergrund (Frequenz unter 10^-5 Hertz) rührt her von Gravitations-Bremsstrahlung sowie von Ereignissen im frühen Universum bis hin zu Relikten des Urknalls.
   
• Periodisch auftretende Gravitationswellen haben etwas höhere, aber immer noch sehr niegrige Frequenz (10^-5 bis maximal 10 Hertz). Sie zu registrieren sind Satelliten-Interferometer notwendig, die Millionen Kilometer lange Arme haben. Ihre Messgenauigkeit muss bei etwa 1 Billionstel Meter liegen. LISA Pathfinder bewies, dass sie erreicht werden kann.
   
• Bursts — verursacht durch kosmische Katastrophen wie etwa den Zusammenstoß Schwarzer Löcher — sind kurze, heftige Emissionen von Gravitationswellen, die nur Sekundenbruchteile andauern, aber mehr Energie abstrahlen können als unsere Sonne in Form von Wärme über Milliarden von Jahren hinweg abgibt.
   
  Da Bursts hohe Frequenz haben (über 10 Hertz) können sogar noch erdgebundene Detektoren wie LIGO sie entdecken. LIGOs Arme sind 4 km lang, seine Messgenauigkeit liegt bei 1 Zehntausendstel des Protonendurchmessers (womit das Ereignis GW150914 gut entdeckbar war: Es hat die Länge der Arme um etwa das 10-fache schwanken lassen).

 
Grundsätzliches: Das Spektrum der Gravitationswellen verteilt sich über den gesamten Himmel und reicht von nur wenige Kilometer langen Wellen bis hin zu solchen, deren Wellenlänge dem Durchmesser des gesamten beobachbaren Universums entspricht.
 
Sie aufzuspüren kann zu ganz erheblichem  E r k e n n t n i s g e w i n n  führen:

 

• GW150914 etwa ist das bisher beste Indiz für die Existenz Schwarzer Löcher
   
• und half zudem noch
   
  
  • Gültigkeitsgrenzen der Relativitätstheorie auszuloten
     
  • und Grundannahmen zu bestärken (darunter auch die 4-Dimensionalität der Raumzeit, das Fehlen von Dipolstrahlung, die zeitliche Konstanz von Lichtgeschwindigkeit und Gravitationskonstante).
  
  
   
   
  Quelle: Rüdiger Vaas: Jenseits von Einsteins Universum (2016), S. 387-403.
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