Gravitationswellen, Schwerkraftwellen

Der klassischen Physik zufolge können sich nur Materie und elektromagnetische Wellen im "leeren" Weltraum ausbreiten. Diese Wellen sind z.B. Funkwellen, Wärmestrahlung, Licht, UV-Strahlung oder Röntgen- und Gammastrahlung.

Aber nach Einstein`s "Allgemeiner Relativitätstheorie" von 1915 bildet der Weltraum ein so genanntes Raumzeit- Kontinuum, das durch die Anwesenheit von Massen (z.B. Gestirne) verändert wird - es entsteht dort eine Art Delle.

Sofern aber sich Massen bewegen, z.B. schwingen oder um sich selbst oder eine andere Masse rotieren und sich damit derartige Dellen zeitlich verändern, entstehen Gravitationswellen - eine Art von Vibrationen - die sich im Raum ausbreiten können.
Die Gravitationswellen werden auch als Schwerkraftwellen bezeichnet. Diese Wellen bewegen sich, wie die elektromagnetischen Wellen, mit Lichtgeschwindigkeit im Raum fort.
Diese seinerzeit rein theoretischen Erkenntnisse von Einstein stammen bereits aus dem Jahr 1916.

Es gibt im Raum Massen, die so groß sind, dass man deren Gravitationswellen nachweisen kann. Kandidaten zur Erzeugung von Gravitationswellen, die auf der Erde nachweisbar sind, können einander umkreisende Neutronensterne oder sich umkreisende oder verschmelzende Schwarze Löcher sein. Aber auch eine Supernova kann zu nachweisbaren Gravitationswellen führen. Aber auch der um die Erde kreisende Mond die Sonne senden Gravitationswellen aus. Aber deren Intensität ist so gering, dass sie praktiscjh nicht nachweisbar sind. So strahlt die Erde z.B. Gravitationswellen mit einer Intensität von 200 Watt (W) ab. Das ist pro Sekunde eine Energie von 200 Ws = 200 Joule.
Bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher würden diese jedoch rund 5% ihrer Masse in Form von Gravitationswellen abgeben, bei einer Supernova wären es dagegen nur zwischen 0,001 und 0,0001%.

Die Frequenz der Gravitationswellen hängt stark von der Quelle ab, durch die sie erzeugt wurden. Auf der Erde messbar sind Frequenzen zwischen etwa 10^-4 und 10⁴ Hertz (Hz). Zum Vergleich: Der Wechselstrom in den meisten Haushalten weltweit besitzt eine Frequenz von 50 Hz.
Der Stern Beteigeuze im Sternbild des Orion, in einer Entfernung von ca. 600 Lichtjahren, ist ein möglicher Kandidat für Gravitationswellen, da er wahrscheinlich in den nächsten paar Tausend Jahren zu einer Supernova werden wird - was aber auch schon in den nächsten Jahren passieren kann. Er ist dann - etwa so hell wie der Vollmond - am Himmel sichtbar.

Nachweisgeräte
Im Prinzip bestehen die Nachweisgeräte für Gravitationswellen aus zwei langen senkrecht zueinander angeordneten Röhren, die in Gräben aufgehängt sind. In den Röhren wurde ein Ultrahochvakuum erzeugt, in dem Laserstrahlen zwischen Spiegeln hin- und herlaufen. Sofern Gravitationswellen auf die Apparatur auftreffen und damit zu einer rhythmischen Verlängerung und Verkürzung der Anlage führen, würde das über die Laserstrahlen registriert werden können. Mit derartigen Apparaturen befindet man sich derzeit am Limit physikalischer Nachweismethoden.
Das deutsche Gerät mit der Bezeichnung GEO600 befindet sich in dem Örtchen Ruthe bei Hannover und besitzt zwei 600 m lange Röhren.
In den USA gibt es darüber hinaus noch die Anlagen mit der Bezeichnung LIGO, die jeweils eine Anlage in Washington und eine in Louisiana umfasst.
Die Anlage Virgo ist ein französisch-italienisches Projekt in der Nähe von Pisa.
Bis etwa zum Jahr 2019 ist eine Messapparatur für niederfrequente Gravitationswellen im Weltraum mit Hilfe von drei Satelliten geplant. Bis jetzt konnten Gravitationswellen nicht nachgewiesen werden. Bis 2014 werden aber auch auf der Erde leistungsfähigere Apparaturen mit einer rund zehnmal höheren Empfindlichkeit zur Verfügung stehen. Sollte man auch dann keine Gravitationswellen nachgewiesen haben, so müsste - nach Ansicht der Wissenschaftler - die gesamte Theorie der Gravitationswellen in Frage gestellt werden. Über eine Anlage mit einer Röhrenlänge von ca. 10 km wird derzeit nachgedacht, aber mit einer Fertigstellung dieser Anlage ist nicht vor dem Jahr 2020 zu rechnen.

Am 14. September wurden an den beiden rund 3.000 km voneinander entfernten Standorten des aLIGO-Observarium - in Hanford im Bundesstaat Washington und in Livingston in Louisiana - das erste Mal die Gravitationswellen zweier verschmelzender Schwarzer Löcher nachgeweisen und im Februar - nach einer intensiver Datenanalyse - in der wissenschaftlichen Zeitschrift "Physical Review Letters" publiziert haben. Mitte 2015 waren die Detektoren modernisiert und auf eine "Armlänge" von 4 km erweitert worden.
Die beiden Schwarzen Löcher waren rund 1,3 Milliarden Lichtjahren von der Erde entfernt. Dabei betrug die Masse des einen Schwarzen Lochs 29 und die des anderen 36 Sonnenmassen.
Das neu entstandene schwarze Loch hatet aber nur eine Masse von 62 anstatt von 65 Sonnenmassen - der Rest war als Energie - z.B. als Gravitationswellen - abgestrahlt worden.
Bei der Entdeckung waren auch Geräte von GEO600 zum Einsatz gekommen, außerdem fand ein Teil der Analyse in Hannover statt.
Die Entdeckung gilt als Meilenstein für die Astrophysik.

Hinweis
aLIGO ist die Abkürzung von Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.