Was sind Gravitationswellen?

Wenn man sich mit Astronomie und Astrophysik beschäftigt, stößt man hin und wieder auf den Begriff „Gravitationswellen“. Was das ist, wie wir auf sie schließen und wozu wir sie evtl. nutzen können, möchte ich hier erklären.

Per Definition sind Gravitationswellen eben Wellen, die von beschleunigten Massen erzeugt werden. Man stellt sich darunter eine ‚Delle‘ in der gekrümmten Raumzeit vor, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Wie alle Wellen transportieren auch Gravitationswellen Energie und Informationen, insbesondere Informationen über sich ändernde Krümmungseigenschaften der Raumzeit. Informationen tragen alle Wellen in Form von Richtung, Polarisation, Frequenz (alternativ als Wellenlänge oder Energie) und Intensität (Wellenamplitude) mit sich. Gravitationswellen stehen in wunderbarer Analogie zu den elektromagnetischen Wellen der klassischen Elektrodynamik, die von beschleunigten, elektrischen Ladungen ausgesandt werden.

gravitationswellen1
Animation von Gravitationswellen, die durch die Rotation zweier Neutronensterne um sich selbst entstehen. Bild: relativity.li

Energie wird gerade umgesetzt, wenn Gravitationswellen auf Materie treffen. Sie dehnen und stauchen diese Materiekonfiguration. Diese Deformation geschieht nicht nur in der Raumdimension, sondern auch in der Zeit. Denn die Welle ist dynamische Raumzeit, quasi ein vierdimensionales Kontinuum, das sich fortpflanzt. Die deformierende Auswirkung auf Testkonfigurationen möchten Physiker gerade ausnutzen, um Gravitationswellen zu messen. Bislang ist dies nicht auf direktem Wege gelungen, aber indirekt!

So, aber woher kommen denn nun Gravitationswellen?

Als kosmische Quellen für Gravitationswellen kommen im Prinzip alle beschleunigten Massen in Frage. Die uns umgebende Raumzeit ist also nur in erster Näherung flach: vielmehr handelt es sich um ein ständig schwingendes, raumzeitliches Gebilde, in dem Gravitationswellen verschiedener Intensität und Frequenz interferieren. Zur Messung dieser Ereignisse gibt es nur eine Komplikation: die Raumzeit ist ein sehr starres Gebilde, und es sind enorme Massenbeschleunigungen nötig, um sie signifikant zum Schwingen zu bringen und so einen Detektornachweis zu erbringen. Aus diesem Grund kommen nur extreme Ereignisse im Kosmos in Betracht. Diese Quellen werden nochmals nach dem Zeitverhalten des Signals unterschieden: Einmalige Ereignisse nennt man „Burst-Quellen“. Daneben gibt es regelmäßig zeitlich wiederkehrende Ereignisse von „periodischen Quellen“.

Hier die stärksten, kosmischen Gravitationswellen-Emitter:

Supernova-Explosionen (Typ II)

– kompakte Objekte in einem Mehrfachsystem, z.B. ein Doppelsternsystem aus zwei Neutronensternen oder stellaren Schwarzen Löchern,

– supermassereiche Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien (Aktive Galaktische Kerne), die Masse durch Akkretion aufnehmen

– verschmelzende supermassereiche Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien

– oooder die Entstehung des Universums im Urknall. Die Astronomen gehen davon aus, dass man mit Gravitationswellen noch tiefer in die Frühphasen des Universums schauen kann, als mit elektromagnetischen Wellen. Die Kosmologen hoffen, dass die Gravitationswellen aus dem frühen Kosmos das dichte, frühe Universum mehr oder weniger unbeeinflusst passiert haben und so wertvolle Informationen über die Entstehung unserer Universums bis zur Erde tragen können.

Ich möchte gerne noch eines erwähnen, wer bei Gravitationswellen and den „Nexus“ aus „Star Trek – Treffen der Generationen“ denkt, liegt falsch – ich habe das extra nachgeschlagen:

Nexus
„Der Nexus“ Bild: memory-alpha.org

Die Definition der Star Trek-Wiki (ja, die gibts wirklich) lautet wie folgt:

Der Nexus ist ein Ort außerhalb unseres Raum-Zeit-Kontinuums. Meistens wird mit dem Namen jedoch eine Energieverzerrung bezeichnet, die den Übergang in den „echten Nexus“ darstellt. Das Energieband besteht aus äußerst starken energetischen, gravimetrischen und temporalen Verzerrungen. Es reist alle 39,1 Jahre durch unsere Milchstraße und ist dabei abhängig von den gravimetrischen Bedingungen. Alle Kontakte mit dem Energieband führen zur Zerstörung der Raumschiffe oder zu schweren Beschädigungen. Nichts kann das Energieband aufhalten, es ist jedoch möglich, seinen Kurs zu beeinflussen, indem man die Gravitationsverhältnisse entlang seiner Flugbahn ändert, z.B. durch das Zerstören von Sternen.

Der eigentliche Nexus ist ein Ort voller Glückseligkeit. Wird eine Person in den Nexus gezogen, werden ihm alle Wünsche und Träume erfüllt, sodass niemand mehr diesen Ort verlassen möchte. 2293 wird Captain James T. Kirk in den Nexus gerissen.

Also, der Nexus ist keine Gravitationswelle. Dies sollte auch nur eine Fußnote werden, da dies eigentlich mein erster Gedanke für einen Vergleich war und ich eben Falsch lag 🙂

Quellangabe:

Lexikon der Astrophysik

Whitney Clavin: NASA Technology Views Birth of the Universe.

Über stellariumblog

Stellariumblog ist ein Info-und Newslog. Ich versuche, die oftmals komplizierte und unübersichtliche Fülle an Informationen und Wissen verständlich zu erklären. Mein Ziel ist es, mit diesem Blog so viele Menschen wie möglich von der Astronomie zu begeistern. Natürlich versuche ich, täglich die wichtigsten News aus den Bereichen Astronomie, Astrophysik und vergleichbaren Wissenschaften zu bloggen, ich bin allerdings Berufstätig und habe leider nicht jeden Tag ein bis zwei Stunden Zeit – seid also bitte etwas nachsichtig falls ich nicht immer alles als erster poste ;) Ich freue mich immer über positive Bewertungen, aber auch über konstruktive Kritik sowie Vorschläge und/oder Hinweise auf mögliche Fehler (ich bin auch nur ein Mensch). Ansonsten wünsche ich euch viel Spaß in meinem Blog.
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