Die Idee der Gravitationswellen geht auf Albert Einsteins Idee der Raumzeit zurück. Wie er 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie postulierte, wirkt die Schwerkraft nicht nur auf alle Objekte im Universum, sie beeinflusst auch die Geometrie von Raum und Zeit. Je mehr Masse ein Körper besitzt, desto stärker krümmt er die kosmische Matrix der Raumzeit.
Rippel in der Raumzeit
Verdeutlichen lässt die Wirkung der Gravitation auf die Raumzeit mit einem aufgespannten Gummituch. Legt man in seine Mitte eine Stahlkugel, drückt sie eine tiefe Kuhle in das Tuch. Auf ähnliche Weise krümmt beispielsweise die Schwerkraft unserer Erde die Raumzeit. Kommt ein anderes, leichteres Objekt dieser "Kuhle" in der Raumzeit nahe, rollt es hinein – es wird angezogen. Soweit, so statisch.
Wenn nun aber eine große Masse wie ein Stern oder ein Schwarzes Loch plötzlich in Bewegung gerät, durch eine Kollision gestoppt wird oder ein Stern in einer Supernova explodiert, dann wirkt sich dies ebenfalls auf die Raumzeit aus. Die plötzliche Veränderung erzeugt eine sich ausbreitende Erschütterung der Raumzeit – Gravitationswellen. Wie die Wellen auf einem Teich breiten sich Schwingungen der Raumzeit als Folge eines solchen Ereignisses mit Lichtgeschwindigkeit aus.
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.
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.
