Was sind Gravitationswellen?
Im Jahre 1915 entwarf Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie ein völlig neues Bild unserer Welt. Im Gegensatz zu Newton ist die Gravitation keine Kraft, sondern eine Folge der Geometrie von Raum und Zeit. Beschleunigte Massen verursachen Störungen des Raumzeit-Kontinuums, die sich in alle Richtungen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese sich ausbreitenden Raumzeit-Störungen werden Gravitationswellen genannt und verändern unsere Wahrnehmung des Universums.
Gravitationswellen
Große Massen wie Sterne und Galaxien deformieren die Raumzeit in ihrer Umgebung. Wenn andere Objekte sich durch solche Bereiche bewegen, werden sie aus ihrer Originalbahn abgelenkt und offensichtlich von der großen Masse angezogen. Nach Einstein folgen die Objekte einfach der Bahn, die von der Deformation der Raumzeit um die große Masse vorgegeben ist.
Beschleunigte Massen verursachen Störungen des Raumzeit-Kontinuums, die sich in alle Richtungen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese sich ausbreitenden Raumzeit-Störungen werden Gravitationswellen genannt. Sie dehnen und stauchen den Raum, so dass die Abstände zwischen den Objekten im Raum geändert werden.
Albert Einstein sagte die Existenz dieser Gravitationswellen im Jahre 1916 voraus, aber es dauerte bis in die 1990er Jahre, dass die Technologie so weit war, sie nachzuweisen und für die Wissenschaft zu nutzen. Die Auswirkungen der Abstrahlung von Gravitationswellen aus einem Binärpulsar-System (zwei Neutronensterne, die sich umkreisen) wurden sehr genau gemessen und befindet sich in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen. 1993 erhielten R.A. Hulse und J.H. Taylor den Nobelpreis für Physik für diesen indirekten Beweis.
Gravitationswellen nachweisen
Am 14. September 2015 bestätigte der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen Einsteins Vorhersage und ermöglichte einen faszinierenden und einzigartigen Einblick in eine bislang unzugängliche Schattenwelt des Universum. Der Nobel-Preis für Physik im Jahr 2017 wurde für den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen verliehen.
Heute wurden mehr als 90 Gravitationswellenereignisse von den Advanced-LIGO- und -Virgo-Detektoren direkt nachgewiesen – in den meisten Fällen von verschmelzenden Paaren Schwarzer Löcher. Die bei GEO600 entwickelte und getestete Technologie war von entscheidender Bedeutung für diese Beobachtungen.
Dem Universum lauschen
Die Gravitationswellen-Astronomie wird ein völlig neues Fester ins Universum öffnen. Gravitationswellen werden durch heftige Ereignisse im fernen Universum erzeugt, z.B. durch den Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher oder durch Supernova-Explosionen. Sie werden von beschleunigten Massen ausgesandt, so wie Radiowellen in ganz ähnlicher Weise durch beschleunigte Ladungen erzeugt werden - wie z.B. Elektronen in einer Antenne. Diese Kräuselungen in der Raumzeit kommen auf der Erde an und bringen Informationen über ihren gewaltsamen Ursprung und über die Natur der Gravitation mit, die durch andere astronomische Mittel nicht erhalten werden können.
Die Herausforderung
Die Abstandsänderungen, die durch Gravitationswellen erzeugt werden, sind jedoch winzig: Selbst Gravitationswellen, die durch ein heftiges Ereignis in unserer Nachbarschaft erzeugt werden, wie etwa einer Supernova-Explosion in der Milchstraße, ändern den Abstand zwischen Erde und Sonne lediglich um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms - und das nur für einige tausendstel Sekunden. Für kürzere Abstände ist der Effekt entsprechend kleiner: Wenn die Messstrecke nur einen Kilometer lang ist, ruft der Durchgang einer Gravitationswelle lediglich eine Änderung eines Tausendstel eines Protonendurchmessers hervor. Das ist der Effekt, den GEO600 messen will. Die Herausforderung ist es, die vielen Störungen zu beseitigen, die ein Signal überdecken können, wie Luftdruck- und Temperaturschwankungen ebenso wie seismische Vibrationen aller Art.