Was sind Gravitationswellen?

Ein Mann in weißem Kittel und Maske, der an einer riesigen Maschine mit Metallrahmen und Glasröhren arbeitet.

Forschern des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) gelang am 14. September 2015 der erste Nachweis von Gravitationswellen. Hier arbeitet ein Techniker an einigen Optiken für einen LIGO-Detektor. Bild über LIGO.


Gravitationswellen sind Wellen in der Struktur vonFreizeit. Ähnlich wie ein Schiff, das über die Oberfläche einer ruhigen See fährt, eine Spur hinterlässt, erzeugen sich bewegende Objekte im Universum Gravitationswellen. Die „Schiffe“ im Fall von Gravitationswellen sind extrem heftige und katastrophale Ereignisse weit entfernt im Kosmos: Verschmelzungen schwarzer Löcher, Neutronenstern-Kollisionen, Supernovae. All dies erzeugt Wellen in der Struktur der Raumzeit, die sie dehnt und zusammendrückt, während die Wellen durch das Universum wandern.

Da Gravitationswellen von unserem irdischen Standpunkt aus gesehen extrem schwach sind, ist die Technologie zu ihrer Erkennung erst in den letzten Jahren verfügbar geworden. Wie alle Wellen nehmen Gravitationswellen mit der Entfernung ab und schrumpfen zu schwachen Echos dieser fernen „Schiffswracks“ – dieser fernen gewalttätigen Ereignisse im Kosmos – bis sie uns erreichen. Von unserem Standort aus vieleLichtjahreBei einer Verschmelzung eines Schwarzen Lochs oder einer Neutronensternkollision komprimieren und dehnen die Wellen den Raum und alles darin um ein Tausendstel des Durchmessers von aProtonwie sie durch die Erde gehen. Das ist ein Milliardstel eines Milliardstel Meters. Wir brauchen in der Tat sehr fortschrittliche Technologien, um diese Veränderung zu sehen. Es ist, als würde man die Entfernung zwischen der Sonne und ihrem nächsten Nachbarn unter den Sternen sehen –Alpha Centauri, 4,3 Lichtjahre entfernt – Veränderung um dieDicke eines menschlichen Haares.


Es warAlbert Einsteinwer, in seinemAllgemeine Relativitätstheorievon 1915 postulierte erstmals die Existenz von Gravitationswellen. Sein Vorschlag, dass sich die Schwerkraft in Wellen ausbreitet, schien logisch: jede Art von Licht auf demelektromagnetisches Spektrum, von ultraviolett über sichtbar bis hin zu Radio, breitet sich in Wellen aus. Schall breitet sich in Wellen aus. Warum sollte sich die Schwerkraft nicht auf die gleiche Weise ausbreiten? Einstein berechnete, dass extrem gewalttätige Ereignisse im Kosmos dazu führen würden, dass der Weltraumklingeln wie eine Glocke. Dies unterschied sich von der Idee der statischen, unveränderlichen Gravitationsfelder, die von jedem Objekt mit Masse, wie einem Stern oder einem Planeten, erzeugt werden.

Einstein selbst war jedoch jahrzehntelang nach 1915nicht überzeugtder Existenz von Gravitationswellen. 1936 veröffentlichten er und sein Kollege Nathan Rosen aPapierberechtigtGibt es Gravitationswellen?die zunächst von einer Zeitschrift wegen eines mathematischen Fehlers abgelehnt wurde.

Es war der Fehler, der die Autoren zu dem Schluss veranlasst hatte, dass es keine Gravitationswellen gibt. Als Einstein den Fehler korrigiert hatte, war die Schlussfolgerung des Papiers genau das Gegenteil! Obwohl die Beweise jetzt auf ihre Existenz hinwiesen, blieb Einstein nicht überzeugt und glaubte, dass selbst wenn Gravitationswellen existieren würden, sie so sehr schwach wären, dass Menschen niemals die Technologie entwickeln könnten, um sie zu entdecken.




Ein dunkelhaariger junger Mann mit Schnurrbart und würdevollem Gesichtsausdruck im Anzug.

Albert Einstein im Jahr 1912. Seine allgemeine Theorie der Relavität ist grundlegend für die moderne Kosmologie. Es war Albert Einstein, der 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie erstmals die Existenz von Gravitationswellen postulierte.

Es sei darauf hingewiesen, dass Einstein nicht der einzige Theoretiker war, der sich mit Gravitationswellen beschäftigte. Wichtige Beiträge wurden von anderen berühmten Wissenschaftlern geleistet, darunterRobert Oppenheimer,Roger Penrose,Karl Schwarzschild,Arthur Eddington,Kip ThorneundRichard Feynman. Aber es war Feynman, der im Januar 1957 die Zweifler schließlich davon überzeugte, dass es nicht nur Gravitationswellen gibt, sondern auch Energie tragen können, und dies mit etwas erklärte, das er sein nannteArgument mit klebrigen Perlen.

Feynmans Arbeit ebnete direkt den Weg für die heutigen Gravitationswellendetektoren.

Bis die ersten Gravitationswellen entdeckt wurden, sollten jedoch noch 50 Jahre vergehen. Die Entwicklung der Konzepte und der Technologie dafür erforderte jahrzehntelange harte Arbeit vieler Wissenschaftler. Schließlich,LIGO, das Laserinterferometrie-Gravitationswellen-Observatorium inzwei Seitenin den Vereinigten Staaten, begann 2002 mit der Beobachtung. Es bedurfte mehrerer Upgrades von LIGO zwischen 2002 und 2015, um ihm die Sensibilität für seine historische erste Entdeckung zu verleihen.


Die erste Entdeckung von zwei Schwarzen Löchern, die etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt verschmelzen, erfolgte im September 2015 und warder Welt angekündigtim Februar 2016 nach monatelanger Arbeit, um zu überprüfen, ob das Signal, das in perfekter Übereinstimmung mit Einsteins Vorhersagen nur eine Zehntelsekunde gedauert hatte, echt war. Unglaublicherweise hatte LIGO seinen offiziellen Beobachtungslauf noch nicht begonnen, als die Entdeckung eintraf: Nach dem letzten einer Reihe von Upgrades zur Verbesserung seiner Reichweite und Empfindlichkeit war LIGO für technische Tests eingeschaltet worden. Die Verschmelzung des Schwarzen Lochs wurde fast sofort entdeckt, als der Detektor betriebsbereit war.

Eine weitere wichtige Vorhersage von Einstein war, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten würden. Durch die Messung des Zeitunterschieds zwischen dem Eintreffen des Gravitationswellensignals an den beiden LIGO-Observatorien – in Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana, die fast 3000 km voneinander entfernt liegen – konnten die Wissenschaftler feststellen, dass Einsteins Vorhersage völlig korrekt war . Gravitationswellen breiten sich tatsächlich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

LIGO wurde 2018 von der EuropeanJungfrau-Detektorin Italien, was die Fähigkeit der Wissenschaftler erheblich verbessert hat, den Ort am Himmel zu bestimmen, an dem die Gravitationswellen entstanden sind. Seitdem LIGO/Virgoentdeckt habenetwa 50 Verschmelzungen Schwarzer Löcher, aber auch acht Neutronenstern-Kollisionen und sechs Neutronenstern-Schwarze-Loch-Kollisionen. Einige davon können auf sogenannte „terrestrische Interferenzen“ zurückzuführen sein: Vibrationen des vorbeifahrenden Verkehrs und sogar weit entfernte Meereswellen können zu Fehlalarmen führen.

Am 14. Januar 2020 hat auch LIGO entdecktein Ereignis völlig unbekannter Herkunft, die zu keinen Modellen oder Vorhersagen passt, vielleicht aufregenderweise, die auf die Existenz eines bisher unbekannten kosmischen Phänomens hinweisen.


Sehr bald die JapanerKAGRAObservatory wird sich Virgo und LIGO bei der Detektion von Gravitationswellen anschließen. In den 2030er Jahren startet die Europäische WeltraumorganisationLISA, einem weltraumgestützten Gravitationswellendetektor, der den Nachweis von niederfrequenten Gravitationswellen ermöglichen soll, die von supermassereichen Schwarzen Löchern und von Supernova-Explosionen ausgehen. China hatBegann mit der Arbeitauf den Bau von drei Gravitationswellen-Observatorien, seine erklärte Absicht, weltweit führend in der erd- und weltraumgestützten Gravitationswellendetektion zu werden.

Alle bisher nachgewiesenen Gravitationswellenereignissestimme vollkommen zumit Einsteins Vorhersagen und mit Computersimulationen, die aus seinen Berechnungen abgeleitet wurden. Einstein wäre sicherlich erstaunt gewesen, dass er sich geirrt hatte, dass der menschliche Intellekt und Einfallsreichtum tatsächlich gesiegt und die Technologie geschaffen haben, die er für unmöglich hielt. Er hätte es wahrscheinlich auch bereut, an seiner eigenen Arbeit bei der Vorhersage der Existenz von Gravitationswellen gezweifelt zu haben. Aber er hätte sich sicher auch gefreut, dass der Nachweis von Gravitationswellen auch eine Bestätigung seiner Relativitätstheorie ist. Es gibt jetzt nur noch wenige Plätze für diejenigen, die an Einsteins größtem Triumph zweifeln.

Gravitationswellenastronomie ist einganz neue Wissenschaftund einer, der verspricht, viele der Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass eine Revolution in unserer Sicht des Universums im Gange ist. In Zukunft könnten sogar Gravitationswellen nachgewiesen werdenvom Urknall selbst, um den Klang der Schöpfung über Milliarden von Jahren zu hören.

Wenn Sie über die neuesten Gravitationswellenereignisse auf dem Laufenden bleiben möchten, hat die University of Birmingham in Großbritanniendiese Seite,Dies ist eine Datenbank mit LIGO- und Virgo-Erkennungen während ihres aktuellen Beobachtungslaufs. Die Datenbank ist auch als kostenlose App für Android-/Apple-Telefone erhältlich, die in den jeweiligen Stores heruntergeladen werden kann.

Heller Doppelklecks mit Flügeln von Schwerewellen in Falschfarbe, jede in der Mitte intensiver.

Computersimulation von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, die Gravitationswellen erzeugen. Bild über Werner Benger/Wikimedia Commons.

Fazit: Zuerst von Albert Einstein im Jahr 1916 postuliert, aber erst im September 2015 direkt beobachtet, sind Gravitationswellen Wellen in der Raumzeit.

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