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Was sind Gravitationswellen? [In German]

GEO600 ist ein Horchposten ins All, der Gravitationswellen messen und ganz neue Einblicke ins Universum ermöglichen wird! Gravitationswellen wurden schon 1915 von Albert Einstein vorausgesagt. Sie künden von Sternexplosionen, vom Zusammenprall Schwarzer Löcher und sogar vom Urknall selbst. Der experimentelle Nachweis und die Analyse von Gravitationswellen gehören heute zu den größten Herausforderungen der modernen Physik. Da ihre Frequenzen im Hörbereich liegen, werden Physiker und Mathematiker hoffentlich schon bald das Brummeln und Pfeifen des Universums hörbar machen!

Allgemeine Relativitätstheorie

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist Albert Einsteins Theorie der Schwerkraft von 1915. Sie beschreibt die Gravitation nicht als Kraft, sondern als Aspekt der Geometrie des Raum-Zeit-Kontinuums ("Raumzeit"). Anders als in der Newtonschen Physik wird der Raum hier nicht durch eine ebene, sondern durch eine gekrümmte Geometrie beschrieben. Der Raum selbst ist keine absolute unveränderliche Größe mehr wie noch bei Newton, sondern er nimmt am mechanischen Geschehen teil: Er wird durch die Verteilung von Masse und Energie im Universum beeinflusst.

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Gravitationswellen

Gravitationswellen

Gravitationswellen sind Änderungen in der Struktur der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie wurden 1916 von Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt. Unter den vielen stets mit Glanz bestandenen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie ist es besonders diese Voraussage, die noch der Bestätigung durch einen direkten Nachweis harrt. Der Grund liegt in der Schwäche der Wechselwirkung zwischen Gravitation und Materie. Bisher gibt es nur einen indirekten Beweis für die Existenz von Gravitationswellen. Die Astronomen Hulse und Taylor studierten über 25 Jahre Veränderungen in den Bahndaten des Binärpulsars PSR1913+16.

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Detektoren für Gravitationswellen

Detektoren für Gravitationswellen

Die experimentellen Anordnungen zum Nachweis von Gravitationswellen beruhen auf den von ihnen hervorgerufenen mechanischen Anregungen bzw. den von ihnen erzeugten Längenänderungen. Das Problem für den Experimentator besteht darin, dass die Effekte winzig sind. Zur Messung derart kleiner Signale werden im wesentlichen zwei Arten von Geräten eingesetzt: Resonanzantennen und Laserinterferometer.

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Michelson-Interferometer

Michelson-Interferometer

Anfang der 70er Jahre erkannte man, daß ein Interferometer vom Michelson-Typ ideal geeignet ist, die von Gravitationswellen erzeugten Effekte nachzuweisen. Es mißt die Verschiebung zwischen zwei Lichtwellen, die gleichzeitig die unter einem rechten Winkel stehenden Interferometerarme durchlaufen.

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Das Spektrum der Gravitationswellen

Das Spektrum der Gravitationswellen

Gravitationswellen sind Änderungen in der Struktur der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie wurden 1916 von Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt. Das Spektrum der nach heutigem Kenntnisstand nachweisbaren Gravitationswellen umfaßt einen Frequenzbereich von acht Größenordnungen, von 10^(-4) bis 10^4 Hz. Die Liste der Quellen besteht aus Supernovae, verschmelzenden kompakten Doppelsternsystemen oder Schwarzen Löchern, rotierenden Neutronensternen, supermassiven Schwarzen Löchern und einer kosmischen Hintergrundstrahlung.

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GEO600 – der britisch-deutsche Gravitationswellendetektor

GEO600 – der britisch-deutsche Gravitationswellendetektor

Anfang der 70er Jahre erkannte man, daß ein Interferometer vom Michelson-Typ ideal geeignet ist, die von Gravitationswellen erzeugten Effekte nachzuweisen. Es mißt die Verschiebung zwischen zwei Lichtwellen, die gleichzeitig die unter einem rechten Winkel stehenden Interferometerarme durchlaufen. Verändert eine Gravitationswelle die Länge der beiden Arme, so geraten die Lichtwellen außer Takt. Die Verschiebung entspricht dann dem Längenunterschied beider Arme.

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