Unsere Welt zu verstehen:  Gravitationswelle Astrophysikalische

 

 
Erste beobachtete Gravitationswelle

— hmsgnr0445z

 
 
Am 15.9.2014 ( Event GW150914 ) haben Menschen erstmals den Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher beabachtet.
 
Inzwischen wurden weitere solcher Geschehnisse als Gravitationswelle registriert, aber jene erste Beobachtung des plötzlichen Verschmelzens zweier Himmelskörper war insofern ein wahrer Glücksfall, als dieses Ereignis ein besonders klares, einfach interpretierbares Signal lieferte:
 
 
Die beobachtete Erschütterung des Raumes entstand als Folge des Verschmelzens zweier Schwarzer Löcher, die sich direkt davor mit mehr als halber Lichtgeschwindigkeit spiralartig umkreist hatten: etwa 75 Mal/sec bei nur 350 km Entfernung.
 
Die Masse der beider Löcher — jedes mit einem Durchmesser von etwa 250 bis 300 km — ließ sich zu 29 bzw. 36 Sonnenmassen errechnen, wobei sie verschmolzen zu einem, das dann aber nur 62 Sonnenmassen hatte (so dass 3 Sonnenmassen als Gravitationswellen-Energie abgestrahlt wurden: etwa 50 Mal mehr Energie als sämtliche Sterne des beobachtbaren Universums im selben kurzen Zeitraum an Strahlung abgeben).
 
Damit war Event GW150914 das energiereichste Ereignis, das Menschen je beobachtet haben:

 
Selbst der ultraleuchtkräftige Gammablitz GRB 110918a, vermutlich die Explosion eines Riesensterns, erreichte nur knapp 1/10 davon.
 
Noch 8/1000 Sekunden nach dem Zusammenprall vibrierte der neue schwarze Himmelskörper, dann war Ruhe.
 
Das LIGO-Team konnte aus dem Verlauf des kurzen Signals nicht nur die Masse des finalen Schwarzen Lochs errechnen, sondern auch seinen Spin (= Drehimpuls). Er wird quantifiziert durch eine dimensionslose nicht-negative Zahl kleiner 1 und betrug 0,67 (plus/minus 0,07). Das ist viel, denn es bedeutet, dass das neue Loch mit etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit rotiert.
 
Im Grenzfall 1 würde es mit Lichtgeschwindigkeit rotieren, was aber eine unsinnige Aussage wäre, denn es gibt keinen externen Vergleichspunkt oder Maßstab, da der Raum um ein rotierendes Schwarzes Loch herum ja nicht fest ist, sondern mit dessen Rotation gleichermaßen mitgezerrt wird wie zäher Honig beim Umrühren.

 
 
Das Event GW150914 war nicht nur deswegen ein Meilenstein in der Geschichte der Experimentalphysik, weil hier zum ersten Mal Gravitationswellen nachgewiesen werden konnten. Auch das Studium der Quellen dieser Wellen bedeutete großen Erkenntnisgewinn. Die 3 wichtigsten Schlussfolgerungen waren:

 

• Wir wissen jetzt mit absoluter Sicherheit, dass Schwarze Löcher existieren.
   
• Auch die Existenz stellarer Schwarzer Löcher mit mehr als 30 Sonnenmassen ist nun Gewissheit.
   
• Astronomische Modelle, die Vorkommnisse wie das Event GW150914 als sehr unwahrscheinlich erschienen ließen, sind widerlegt.

Insbesondere ist nun klar: Der Bau teurer Detektoren zum Abhören von Gravitationswellen lohnt sich.
 
Steven Hawking gratulierte dem LIGO-Team sofort mit voller Begeisterung, denn er wusste nun: Die Daten passen zu seiner Vorhersage aus 1970, nach der die Oberfläche einer Vereinigung Schwarzer Löcher größer sein muss als die Summe der Oberflächen der in ihm aufgegangenen Schwarzen Löcher.
 
 
 
Quelle: Rüdiger Vaas: Signale der Schwerkraft (2017), S. 70-73
 
 

 
Astrophysikalische Detektivarbeit
 
Aus der Menge all der vielen von einem Gravitationsdetektor aufgezeichner Signale jene auszusuchen, die tatsächlich von Gravitationswellen erzeugt wurden, ist eine Kunst für sich, da man sie nach Form und Dauer hierfür schon ziemlich genau kennen muss. Solches Wissen gewinnt man aus sehr aufwendigen Simulationen, die im notwendigen Umfang — und der notwendigen Genauigkeit — erst ab etwa 1990 möglich wurden. Man muss hierfür Einsteins Feldgleichung für entsprechende Szenarien auf numerischem Wege (approximativ also) lösen.
 
Das Signal GW150914 war ein wirklicher Glücksfall:

 

• Es wurde aufgezeichnet erst wenige Stunden, nachdem man LIGO — zunächst nur probeweise — scharf geschaltet hatte. Zudem war es ein äußerst deutliches Signal, welches genau dem entsprach, was Simulationen für den Zusammenstoß zweier Schwarzen Löcher an Gravitationswellen vorausgesagt hatten.
   
• Die Genauigkeit, mit der man in LIGO mit Hilfe von Laserlicht ständig die Länge seiner 4 km langen Arme exakt bestimmt hat, lag bei 0,25 10^-21 (Das ist 1%% Protonendurchmesser. Würde man die 4,3 Lichtjahre lange Entfernung von der Erde hin zum nächsten Fixstern Alpha Centauri mit derselben Genauigkeit bestimmen, müsste man sie auf den Durchmesser eines menschlichen Haares genau messen können).
   
  Solche Genauigkeit zu erreichen war es z.B. notwendig, die Spiegel am Ende der Arme von LIGO 20 cm dick zu machen (nur so waren sie hinreichend massereich, um zu verhindern, dass sie durch den Impuls der auf sie treffendenh Photonen des Laserstrahls minimal bewegt wurden.
   
• Bis hin zu diesem Erfolg waren weltweit schon gut 1 Milliarde USD in den Aufbau solcher Gravitationsdetektoren gesteckt worden (mit ständigen Rückschlägen, da immer wieder Gelder gestrichen worden waren).
   
• Dieser Aufwand hat sich gelohnt: Man hat jetzt eine weitere Bestätigung dafür, wie ganz unglaublich genau Einsteins Theorie die Raumzeit und ihr Verhalten modelliert. Zudem gewinnt man mit erfolgreichem Detektieren von Gravitationswellen die Möglichkeit, nun auch das Geschehen in Regionen des Weltalls zu beobachten, in die man nicht hineinsehen kann (etwa in den Zustand des Universums noch vor 300 000 Jahren nach dem Urknall, aber auch in Regionen, wie etwa das Zentrum der Milchstraße, in der dichte Staubwolken die Sicht behindern).

 

 
Eigenschaften von Gravitationswellen
 
Die absolute Signalhöhe — auch Amplitude genannt — einer empfangenen Gravitationswelle ist umgekehrt proportional zur Entfernung des Ereignisses von der Erde. Bei doppelter Entfernung würde sie sich also halbieren.
 
Dies scheint einem wichtigen Gesetz der Optik zu widersprechen, nach dem empfangene Lichtintensität umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung der Lichtquelle ist (so dass uns ein Stern bei doppelter Entfernunf von der Erde nur noch 1/4 Mal so hell erscheint).
 
Dieser nur scheinbare Widerspruch ergibt sich daraus, dass bei Lichtquellen die Lichtintensität betrachtet wird, bei Gravitationswellen aber die die Signalamplitude. Da die Lichtintensität proportional zum Amplitudenquadrat der Lichtwelle ist, ergibt sich aus dem quadratischen Abstandsgesetz wieder genau die lineare Abhängigkeit von der Wellenamplitude.
 

 
Gravitationswellen als Summe von Gravitonen
 
Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zufolge sollten Gravitationswellen sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
 
In einer künftigen einheitlichen Feldtheorie — einer sog. Quantengravitationstheorie — müssten jene Wellen sich als Summe sog. Gravitonen (unteilbarer Wellen) darstellen. Diese hypothetischen Partikel könnten Ruhemasse haben. Wenn dem so wäre, müsste sie aber — wie man schon seit längerem weiß — extrem gering sein.
 
Durch den Empfang des sehr klaren Signals GW150914 konnte die vermutete Obergrenze für die Ruhemasse von Gravitonen nun aber nochmals deutlich reduziert werden: Hätten Gravitonen nämlich nennenswerte Ruhemasse, müsste das Signal auf seinem 1,3 Milliarden langem Weg hin zur Erde durch Dispersion förmlich zerflossen sein: Gravitonen unterschiedlicher Frequenz wären dann nämlich zu leicht unterschiedlicher Zeit bei uns angekommen, so das das Signal dann niemals die deutliche Form hätte haben können, mit der es detektiert wurde.
 
 
Quelle: Günter Spanner:  Das Geheimnis der Gravitationswellen  (2016), S. 162-166
 
Dies ist ein sehr informatives Buch. Man merkt, dass Spanner Experte für Gravitationswellen ist — nicht einfach nur Wissenschaftsjournalist oder Sachbuchautor.
 
 
Gravitationswellen sind Quadrupolwellen
 
2019: Erster interstellarer Koment entdeckt
 
Die bisher (2019) energiereichste durch Menschen beobachtete Gravitationswelle:
 
The signal, resembling about four short wiggles, is extremely brief in duration, lasting less than one-tenth of a second. From what the researchers can tell, GW190521 was generated by a source that is roughly 5 gigaparsecs away, when the universe was about half its age, making it one of the most distant gravitational-wave sources detected so far.