Gravitationswellen sind Wellen der Raumzeit und werden von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. In der klassischen Newtonschen Gravitationstheorie existieren sie nicht.

Gravitationswellen wurden bislang noch nie direkt nachgewiesen, deshalb sind die im Folgenden genannten Eigenschaften dieser Wellen theoretische Schlussfolgerungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie.

Allgemeine Eigenschaften

In Analogie zur Elektrodynamik lassen die Einstein'schen Feldgleichungen freie und veränderliche Gravitationsfelder zu, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Existenz dieser Wellen wurde bereits von Albert Einstein selbst postuliert. Demnach werden Gravitationswellen von jedem System beschleunigter Massen (z. B. einem Doppelsternsystem) erzeugt. Dieser Mechanismus ist dem der elektromagnetischen Strahlung vergleichbar, die durch beschleunigte elektrische Ladungen hervorgerufen wird. Im Unterschied zu dieser, besitzt die schwere Masse als Ladungseinheit der Gravitation jedoch nur ein Vorzeichen, es gibt keine negativen Massen, so wie es in der Elektrodynamik positive und negative Ladungen gibt.

Aus diesem Grund gibt es keine Gravitationsdipole, sondern die Gravitationsstrahlung ist in niedrigster Ordnung eine Quadrupolstrahlung. Ferner gilt aufgrund des Birkhoff-Theorems, dass eine sphärisch symmetrisch oszillierende Massenverteilung keine Gravitationswellen aussendet.

Bei einer bislang nicht gelungenen quantenfeldtheoretischen Beschreibung der Gravitation wird die Gravitationswechselwirkung durch Gravitonen vermittelt werden, das bedeutet Gravitationswellen werden in Gravitonen genannten quantisierten Einheiten ausgestrahlt oder absorbiert. Auch diese Eigenschaft korrespondiert mit den Photonen der Elektrodynamik. Geht man von der in der Elektrodynamik gemachten Erfahrung (Dipol => Photon hat Spin 1) aus, erwartet man für Gravitonen (Quadrupol) den Spin 2.

Ein weiterer Unterschied zwischen Gravitationswellen und elektromagnetischen Wellen ist der Umstand, dass das in der Elektrodynamik gültige Superpositionsprinzip aufgrund der Nichtlinearität der Einstein'schen Feldgleichungen nicht mehr anwendbar ist. Für elektromagnetische Wellen lässt sich die Wellengleichung exakt aus den linearen Maxwell-Gleichungen herleiten. Für Gravitationswellen gilt die Wellengleichung nur noch näherungsweise für kleine Amplituden. Dies erschwert die Berechnung der Wellenlösungen, welche einer gegebenen physikalischen Situation entsprechen, erheblich. Somit können in vielen Fällen nur Näherungslösungen durch die Approximation der nichtlinearen Feldgleichungen durch lineare Differentialgleichungen ermittelt werden.

Gravitationswellen sind Transversalwellen. Aus Sicht eines lokalen Beobachters scheinen sie die Raumzeit quer (d. h. senkrecht) zu ihrer Ausbreitungsrichtung zu stauchen und zu strecken. Ferner verfügen Gravitationswellen über zwei Polarisationszustände, analog zu elektromagnetischen Wellen.

Quellen (Ursachen)

Jede Veränderung in der Verteilung von Masse und/oder Energie im Universum, bei der zumindest das Quadrupolmoment zeitlich variiert, führt zur Abstrahlung von Gravitationswellen. Im einfachsten Fall sind dies zwei umeinander kreisende Massen. Aufgrund der sehr geringen Stärke der gravitativen Wechselwirkung ist dieser Effekt bei gewöhnlichen Massen, wie denen unseres Sonnensystems, so gering, dass er bislang nicht nachweisbar ist.

Quellen intensiver und damit nachweisbarer Gravitationswellen erwartet man bei Supernova-Explosionen, sowie in geringem Abstand umkreisenden Paaren oder zusammenstoßenden Neutronensternen und/oder schwarzen Löchern. Wellen aus solchen Quellen hofft man in aktuellen Experimenten einfangen zu können. Aufgrund der großen Entfernung derartiger Ereignisse ist die Wirkung dieser Wellen auf der Erde sehr gering, und schwer von lokalen Phänomenen (z. B. Erschütterungen der Erde) zu unterscheiden.

Auch der Urknall könnte Gravitationswellen angeregt haben, deren Frequenz aufgrund der kosmischen Expansion inzwischen jedoch so gering ist, dass erst der geplante Detektor LISA eine Chance hat, sie zu registrieren.

Die Abstrahlung von Gravitationswellen zu berechnen ist sehr aufwändig, aber erforderlich, um Vorhersagen zur Messbarkeit der Wellen machen zu können.

Nachweis von Gravitationswellen

Bereits 1960 wurden von Joseph Weber an der Universität Maryland Versuche mit großen Metallzylindern (Gewicht ca. 1,5 t) angestellt, welche von Gravitationswellen zu Schwingungen angeregt werden sollten. Leider erwiesen sich Webers Zylinder trotz aufwändiger Aufhängung und Messtechnik als zu unempfindlich für die gestellte Aufgabe. Ein weiterer Nachteil dieser Technik war, dass solche Zylinder nur in einem sehr engen Bereich ihrer Resonanzfrequenz für Schwingungen empfindlich sind. Aus diesem Grund wandte man sich später anderen Möglichkeiten zum Nachweis dieser Wellen zu.

Heute werden Michelson-Interferometer verwendet, die hindurchwandernde Wellen in Echtzeit beobachten sollen, indem die lokalen Änderungen der Raumzeit-Eigenschaften die empfindliche Interferenz zweier Laserstrahlen verändern. Aktuelle Experimente dieser Art sind GEO600 (Deutschland / Großbritannien), VIRGO (Italien), TAMA300 (Japan) und LIGO (USA). Diese Experimente benutzen Lichtstrahlen, die in langen Tunneln hin- und herlaufen. Ein Unterschied in der Länge der Laufstrecke, wie er durch eine durchlaufende Gravitationswelle verursacht würde, wird dann mittels Interferenz mit einem Kontrolllichtstrahl nachgewiesen. Das geplante Experiment LISA soll jedoch im Weltraum stattfinden.

Ein indirekter Nachweis von Gravitationswellen gelang Russell Hulse und Joseph Taylor von der Universität Princeton. Die beiden Physiker konnten durch mehrjährige Beobachtung des 1974 entdeckten Doppelpulsars PSR 1913+16 nachweisen, dass die Umlaufbahnen dieses Systems einander umkreisender Massen im Laufe der Zeit immer enger werden und somit Energie verlieren. Da Energie nach allgemeiner Überzeugung nicht verschwinden kann, liegt es nahe, die Abstrahlung durch Gravitationswellen anzunehmen. Die beobachteten Energieverluste entsprachen dabei genau den aus theoretischen Betrachtungen erwarteten Abstrahlungen durch Gravitationswellen. Hulse und Taylor wurden für ihre Entdeckung 1993 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Literatur

Bücher

• Pössel, Markus: Das Einstein-Fenster; Verlag Hoffmann & Campe; 2005.
• Schutz, Bernard F.: Gravity from the ground up - an introductory guide to gravity and general relativity; University Press, Cambridge; 2003.
• Roman U. Sexl, Helmuth K. Urbantke: Gravitation und Kosmologie - eine Einführung in die allgemeine Relativitätstheorie; Spektrum Akademischer Verlag.
• Kip Thorne: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit. Einsteins Vermächtnis; Drömer Verlag.

Aufsätze

• Lucien F. Trueb: Die schwierige Suche nach Gravitationswellen. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(11), S. 573 - 580 (2005), ISSN 0028-1050

Weblinks

• Einstein@Home - Durch verteiltes Rechnen Gravitationswellen von Pulsaren suchen; arbeitet mit dem LIGO/GEO600-Projekt zusammen.
• GEO600-Projekt
• LIGO-Projekt
• TAMA300-Projekt
• VIRGO-Projekt
• Einstein Online - Einstein-Online stellt Grundlagenwissen zur Speziellen und zur Allgemeinen Relativitätstheorie bereit.
• Numerical Relativity Group am Albert-Einstein-Institut Potsdam
• www.spiegel.de/videoplayer NASA-Simulation von Gravitationswellen

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