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Was sind eigentlich Gravitationswellen?

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Warum ist der Nachweis so schwierig?

Doch wenn es darum geht, Gravitationswellen direkt nachzuweisen, gibt es gleich zwei Probleme. Zum einen sind die Ereignisse, die diese Rippel in der Raumzeit erzeugen, relativ selten. Eine Supernova kommt beispielsweise in der Milchstraße nur etwa alle 50 Jahre vor. Das Verschmelzen von Neutronensternenpaaren oder schwarzen Löchern ist noch seltener. Um die von diesen Ereignissen erzeugten Wellen zu detektieren, muss man daher ein sehr großes Gebiet des Weltraums erfassen können.

Das zweite Problem: Obwohl Gravitationswellen enorme Energien mit sich führen, ist ihre messbare Wirkung auf der Erde winzig klein. Würde beispielweise ein Paar von Neutronensternen im Zentrum der Milchstraße verschmelzen, hätten die dadurch produzierten Gravitationswellen beim Auftreffen auf die Erde eine mehr als tausendmal höhere Energie als die von unserer Sonne eingestrahlte. Aber: Die Stauchungen und Dehnungen der Erde, die diese Rippel in der Raumzeit bewirken, sind extrem klein. Eine Messstrecke von einem Kilometer verändert durch diese Wellen ihre Länge nur um Bruchteile eines Atomdurchmessers.

Techniker an Spiegel des LIGO Gravitationswellen-Detektors
Ein Techniker inspiziert einen der Spiegel des LIGO Gravitationswellen-Detektors.

Wie misst man Gravitationswellen?

In Detektoren wie LIGO oder Geo600 versucht man, die winzigen Längenveränderungen von langen Messstrecken nachzuweisen, die durch die Gravitationswellen entstehen. Dafür wird ein Laserstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei Teilstrahlen geteilt. Diese Strahlen durchlaufen nun zwei mehrere Kilometer lange und senkrecht zueinander stehende Tunnel und werden an ihrem Ende per Spiegel zurückgeworfen.

Normalerweise ist das System so eingestellt, dass sich die Laserstrahlen dabei gegenseitig auslöschen. Trifft nun jedoch eine Gravitationswelle die Erde, verändern sich Längen der Messstrecken. Als Folge verschiebt sich die Phase der beiden Laserstrahlen gegeneinander und der Detektor empfängt ein Signal. Das klingt erstmals sehr einfach und eindeutig, aber es gibt viele andere Erschütterungen des Untergrunds, die ebenfalls zu einer Ablenkung der Laserstrahlen führen können.

Erst wenn all diese Störeffekte ausgeschlossen wurden, können Forscher von einem Nachweis von Gravitationswellen ausgehen – und genau das ist bei den LIGO-Messungen der Fall. Die Detektoren registrierten die winzigen Rippel, die zwei miteinander verschmelzende Schwarze Löcher verursachten.

Schmatische Darstellung des LIGO-Detektors
Das Prinzip des LIGO-Detektors:

Ein geteilter und von zwei Spiegeln zurückgeworfener Laserstrahl erzeugt ein Signal, wenn sich die Länge einer Messtrecke ändert.

NPO, 12.02.2015
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