Sie sind winzige Störungen in der normalen Schwerkraft und können von der Erde nur mit den genausten Messinstrumenten erahnt werden, die der Menschheit zur Verfügung stehen. Die Rede ist von den sogenannten Gravitationswellen. Wie diese Wellen entstehen und funktionieren, verrät Wissenschaftler:innen viel über unser Universum.
Eine Welle in der Raumzeit
Schauen wir in den Nachthimmel, werden wir bis auf das Funkeln der Sterne nicht viel mehr sehen als die schiere Größe unseres Universums. Eine der vermutlich interessantesten Kräfte im Universum bleibt vor uns verborgen – die Gravitationswellen.
Die Gravitation, von Altbert Einstein erstmals physikalisch mathematisch belegt, hält nicht nur das Universum zusammen. Sie funktioniert auch wie eine Welle, die die Raumzeit krümmen kann.
Aber wie funktionieren Gravitationswellen?
Gravitationswellen sind vereinfacht gesagt aufgewirbelte Gravitation, die sich von einem Zentrum aus wellenartig in den Raum ausbreitet. Dieses kosmische Phänomen funktioniert also in etwa so, als würde man einen Stein ins Wasser werfen.
Nachdem Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie formuliert hat, ist ihm in den Sinn gekommen, dass Gravitation auch in Wellenformen auftreten könne. Diese Schlussfolgerung zog er aus der allgemeinen Relativitätstheorie und konnte sie dennoch nicht glauben.
Stellt man sich die Raumzeit als eine Fläche vor, kann die Gravitation eines Objektes diese Fläche krümmen. Wenn dies der Fall ist, müsste die Gravitation auch in der Lage sein, den Raum quasi „zu wellen“ oder „zu biegen“. Das würde bedeuten, dass die Raumzeit gestaucht und gedehnt werden könne.
Was sind Gravitationswellen und wie funktionieren sie?
Wenn Astronomen über Gravitationwellen reden, meinen sie nicht nur jene Kräfte im Universum, die alle Objekte im Universum an ihrem Platz behalten.
So entstehen Gravitationswellen
Um eine Welle zu erzeugen, braucht es nicht viel. Zum Beispiel genügt ein kleiner Stoß an einem Pendel, um es in Schwingung zu versetzen. Der ins Wasser fallende Stein erzeugt Wellen. Töne erzeugen Schallwellen und versetzt man Elektronen in Schwingung, erzeugen sie elektromagnetische Wellen. Es ist ein universelles Prinzip.
Nach Jahrzehnten fanden Wissenschaftlicher:innen heraus, dass so ziemlich alles im Universum Gravitationswellen erzeugt. Um eine solche Welle zu erzeugen, muss lediglich Masse beschleunigt werden. Vom Zentrum der Gravitation aus bewegen sich diese Wellen in Lichtgeschwindigkeit.
Wellen aus dem Urknall
Gravitation ist mit Abstand die schwächste Kraft im Universum. Wir nehmen sie kaum wahr, vorausgesetzt wir befinden uns nicht in der nähe eines Schwarzen Loches. Das dem nicht so ist, erkennen wir schlich daran, weil wir – und die Welt auf der wir leben – noch existiert.
Eine wirkliche Kraft entfalten Gravitationswellen lediglich dann, wenn sie von den massreichsten Objekten im Universum erzeugt werden – Schwarze Löchern. Diese Objekte sind so schwer, dass ihre Gravitation selbst Licht schluckt.
Gravitationswellen, die in der Lage sind die Raumzeit durcheinander zu bringen, entstehen durch besondere kosmische Ereignisse: die Kollision zweiter Schwarzer Löcher, die Explosion von Neutronensternen oder der Urknall.
Würden etwa Gravitationswellen vom Ausmaß der Kollision zweier Schwarzer Löcher direkt neben unserer Erde existieren, könnte es den Planeten regelrecht zerreißen.
Gravitationswellen verraten uns etwas über unseren Ursprung
Da diese unvorstellbar mächtigen Ereignisse genauso wie Supernovae nicht in unserer direkten kosmischen Nachbarschaft stattfinden, sondern Millionen von Lichtjahren entfernt, sind Gravitationswellen nicht stärker als die Schwingung eines Protons.
Und deshalb konnten sie bis 2015 nicht bewiesen werden – und Albert Einstein keine Gewissheit über seine Entdeckung erhalten. Erst das „Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“ (LIGO) erspürte den Beweis für Gravitationswellen. In einer Entfernung von 1,4 Milliarden Lichtjahren lösten zwei Schwarze Löcher diese Wellen aus.
Indem die Wissenschaft weiß, wie Gravitationswellen funktionieren, erfährt sie mehr über den Ursprung des Universums. Weil Gravitationswellen so schwach sind, interagieren sie weder mit Materie noch werden sie von Objekten im All absorbiert.
Kollidieren etwa zwei Schwarze Löcher, so brechen gewaltige Mengen an Energie aus, die wir als Gravitationswellen erkennen. Über diese gebündelte Energie können Orte des Universums beobachtet werden, die sich dem Licht entziehen, die also hinter dem Ereignishorizont liegen. Am Ende könnten die Forschenden bis zum Beginn von Allem vordringen – dem Urknall.
Quellen: Space.com