Die Entwicklung der Gravitationswellenforschung und deren Auswirkungen auf die Naturwissenschaften

Inhalt

1 Einleitung

2 Vorhersagen der Gravitationswellen
2.1 Die Allgemeine Relativitätstheorie
2.1.1 Das Mach‘sche Prinzip
2.1.2 Das Äquivalenzprinzip
2.2 Einstein und die Gravitationswellen
2.3 Joseph Webers Nachweise der Gravitationswellen

3 Quellen von Gravitationswellen
3.1 Kosmische Katastrophen
3.2 Gleichmäßig strahlende Quellen
3.3 Zusammenstürzende Schwarze Löcher

4 Nachweis von Gravitationswellen
4.1 Indirekter Nachweis anhand Binärpulsare
4.2 Direkter Nachweis anhand des Interferometers
4.2.1 Der steinige Weg zur Sensation
4.2.2 Der Aufbau der Messgeräte
4.2.3 Der Laser
4.2.4 Die Spiegel
4.2.5 Die Interferometerarme
4.2.6 Advanced LIGO
4.2.7 Die Analyse von GW
4.2.8 Die Verschmelzung

5 Auswirkungen der Gravitationswellen auf die Naturwissenschaften
5.1 Astronomie
5.1.1 Dunkle Materie
5.1.2 Stringtheorie
5.2 Nobelpreis

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung sind sämtliche Aussagen in diesem Dokument als geschlechtsneutral zu verstehen.

Abstract

Im Jahre 1915 stellte der renommierte Physiker Albert Einstein seine Feldgleichungen auf. Ein Jahr später postulierte er die Existenz von Gravitationswellen, da die Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen unter anderem eine Wellenfunktion ergibt. Einstein selbst glaubte aber nicht an eine direkte Messung von Gravitationswellen, da er sich dessen bewusst war, dass sie nur sehr schwach mit ihrer Umgebung wechselwirken und somit eine große Herausforderung an jeden Messapparat stellen würden.

Am 14. September 2015, also genau ein Jahrhundert nach Einsteins Vorhersage, wurden Gravitationswellen am verbesserten Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium in den USA gemessen. Die dafür notwendigen Apparaturen sind wahre Ingenieursmeisterleistungen. Die eingesetzten Interferometer können Längenänderungen im Bereich von einem Durchmesser eines Protons wahrnehmen.

Die vorliegende Arbeit wurde mithilfe von Primärliteratur, einer wissenschaftlichen Publikation über den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen und vertrauenswürdigen Internetquellen erstellt.

Ob und wie die Gravitationswellenforschung unser Leben verändern wird, ist schwer vorherzusagen. Auf jeden Fall war die direkte Messung von Gravitationswellen ein großer Schritt für die Astronomie und in weiterer Folge auch für die Menschheit.

1 Einleitung

Es kommt nicht oft vor, dass heutzutage etwas wahrlich Neues in der Physik entdeckt wird. Bahnbrechende Experimente sowie einschlägige Erkenntnisse treten in der Lehre von den grundlegenden Naturgesetzen nur äußerst selten auf. Umso spannender und außergewöhnlicher war die Nachricht über die Entdeckung von Gravitationswellen, welche aus den USA über den gesamten Globus binnen kürzester Zeit wanderte.

Eine Gravitationswelle ist eine Störung des Gravitationsfeldes, welche sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit in Form einer Welle ausbreitet. Diese Wellen sind in der Lage, Raumbereiche und somit Abstände im Raum zu strecken und zu stauchen. Obwohl Sie von Albert Einstein vorausgesagt wurden, glaubte er selbst nicht daran, Gravitationswellen jemals direkt messen zu können, da Ihre Amplituden in einem äußerst winzigen Längenbereich liegen.

Doch so aufregend diese Nachricht auch sein mag, muss man sich in allen Naturwissenschaften auf Theorie und Praxis berufen und nicht voreilig auf nur eine einzige, angebliche Messung stützen. Die gemessenen Werte müssen ausführlich analysiert werden, um mit großer Wahrscheinlichkeit behaupten zu können, dass Gravitationswellen tatsächlich existieren und diese auch direkt gemessen zu haben.

Das erste Kapitel der vorliegenden Arbeit gibt einen geschichtlichen Überblick. Die Vorhersagen über Gravitationswellen wie die des Physikers Albert Einstein, aber auch interessante Fakten über Isaac Newton, Ernst Mach und Joseph Weber und ihre individuellen Zugänge zu Raum, Zeit und Raumzeit werden behandelt.

Im zweiten Kapitel werden die Quellen von Gravitationswellen näher betrachtet und im anschließenden dritten Kapitel wird auf die Messapparate eingegangen.

Das abschließende vierte Kapitel ermöglicht einen Ausblick auf die Auswirkungen und etwaige Anwendungen der Gravitationswellen in der Forschung.

Ob die Gravitationswellenforschung eine große Zeit-und Geldverschwendung gewesen ist oder ob es sich doch um meisterhafte Ingenieursleistungen handelt, welche die Menschheit voranbringen werden, versucht die nachfolgende Arbeit zu beantworten.

2 Vorhersagen der Gravitationswellen

2.1 Die Allgemeine Relativitätstheorie

Um etwas so Komplexes wie Gravitationswellen überhaupt verstehen zu können, bedarf es einiger essenzieller Grundlagen der Physik, unter anderem der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein zugeschrieben wird.

Physikalische Prozesse werden in der Speziellen Relativitätstheorie normalerweise mit inertialen Beobachtern beschrieben. Das bedeutet, die Beobachter bewegen sich nicht oder sie bewegen sich konstant. Laut Spezieller Relativitätstheorie läuft jedes physikalische Experiment in einem Inertialsystem genau gleich ab. Konträr dazu haben beschleunigte oder rotierende Systeme durch das Auftauchen von Trägheitskräften eine fundamentale Bedeutung in der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Der geglückte Versuch Einsteins, die gesonderte Rolle der beschleunigten und rotierenden Inertialsysteme in einer allgemeinen Form unterzubringen, brachte die Allgemeine Relativitätstheorie hervor. (Puntigam, 1998) Die Allgemeine Relativitätstheorie stützt sich auf zwei wesentliche Grundpfeiler:

2.1.1 Das Mach‘sche Prinzip

Das Mach’sche Prinzip ist ein physikalisches Axiom, welches die Beschaffenheit eines Raumes beschreibt und ist somit die erste Säule der Relativitätstheorie. Obwohl es nach dem österreichischen Physiker Ernst Mach im Jahre 1883 benannt wurde, existiert die Kernaussage schon länger. Die Ablehnung des absoluten Raumes wurde bereits vor Mach von Leibniz und Aristoteles vertreten. Aufgrund der ungenau formulierten Kernaussage besteht heutzutage eine große Vielfalt an Versionen des Mach’schen Prinzips. In dieser Arbeit wird nur die bekannteste Version beschrieben.

Das Mach’sche Prinzip widerspricht der Auffassung Newtons, dass es einen absoluten Raum gäbe. Nach diesem Prinzip kann man nur von Bewegungen relativ zu der gesamten Materie des Universums sprechen und nicht, wie von Newton behauptet, bezogen auf einen absoluten Raum. (Wikipedia-Autoren, 2017) Newton begründete seine Vermutungen mit dem von ihm konzipierten Gedankenexperiment eines mit Wasser gefüllten Eimers. Dieser Versuch besagt, dass sich die Wassersoberfläche in einem um die eigene Achse rotierenden Eimer aufgrund der auftretenden Fliehkräfte, konkav wölbt. Newton behauptete, dass die Rotation des Eimers relativ zu einem absoluten Raum, dem später sogenannten Äther, stattfinden muss. (Deiss, 2011) Mach widerlegte aber Newtons Überlegungen, indem er Newton vorwarf, den Einfluss der übrigen Materie des Universums nicht zu berücksichtigen. Die Rotation stünde laut Mach nicht relativ zu einem absoluten Raum, sondern zu der umliegenden Materie. Mach bringt seine Ablehnung gegenüber den Newtonschen Überlegungen in seinem Buch „Die Mechanik in ihrer Entwickelung“ sehr deutlich hervor:

„Der Versuch Newton’s mit dem rotirenden Wassergefäss lehrt nur, dass die Relativdrehung des Wassers gegen die Gefässwände keine merklichen Centrifugalkräfte weckt, dass dieselben aber durch die Relativdrehung gegen die Masse der Erde und die übrigen Himmelskörper geweckt werden. Niemand kann sagen, wie der Versuch verlaufen würde, wenn die Gefässwände immer dicker und massiger, zuletzt mehrere Meilen dick würden. Es liegt nur der eine Versuch vor, und wir haben denselben mit den übrigen uns bekannten Thatsachen, nicht aber mit unsern willkürlichen Dichtungen in Einklang zu bringen.“¹

2.1.2 Das Äquivalenzprinzip

Das Äquivalenzprinzip ist die zweite Säule auf welche sich die Allgemeine Relativitätstheorie stützt. Sie besagt, dass schwere und träge Massen gleichwertig sind.

Ein Beobachter in einem abgeschlossenen Raum kann somit nicht unterscheiden, ob er aufgrund eines Gravitationsfeldes oder aufgrund einer gleichmäßig wirkenden Kraft beschleunigt wird.

Anders formuliert bedeutet das Äquivalenzprinzip, dass es durch lokale Experimente unmöglich zu unterscheiden ist, ob sich ein bestimmtes System innerhalb einer gekrümmten Raumzeit befindet oder ob es ohne jegliche gravitative Kräfte geradlinig beschleunigt wird. (Müller, 2007-2014)

2.2 Einstein und die Gravitationswellen

Kurz nach der Fertigstellung der Einstein’schen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, errechnete Einstein eine genäherte Lösung, die auf die Existenz von Gravitationswellen schließen ließ. Er postulierte auch, dass Gravitationswellen Transversalwellen sein müssen. Das bedeutet, Gravitationswellen verändern die Raumzeit und normal auf diese Veränderungsrichtung beschleunigen sie Massen.

Jedoch war nicht jeder der damaligen Physiker von der Deutung Einsteins teilweise oder vollständig überzeugt. Gravitationswellen führten damals immer wieder zu Meinungsverschiedenheiten. Besonders kontrovers wurde die Möglichkeit einer Fehlinterpretation der Messapparate, ausgelöst von interstellarem Staub, diskutiert. Diese Zweifel legten sich aber durch experimentelle Befunde, insbesondere der Binärpulsare, deren Erklärung nur durch die Existenz von Gravitationswellen gelingt.

Diese Hoffnung auf einen Nachweis von scheinbar nur mathematisch beweisbaren Gravitationswellen beflügelte die Wissenschaftler, die Grenze des damalig möglichen Rahmens an Messgenauigkeit zu erweitern. (Steinicke)

2.3 Joseph Webers Nachweise der Gravitationswellen

Der US-amerikanische Physik-Professor Joseph Weber wurde als der Pionier von Gravitationswellenexperimenten bekannt. Durch eine Diskussion im Jahre 1956 mit dem theoretischen Physiker John Archibald Wheeler entfachte seine Leidenschaft für Gravitationswellen. Die Idee, bisher unerforschte Prognosen von Albert Einstein näher zu erforschen, ließ nicht mehr von ihm ab. Webers Ziel war es, Gravitationswellen experimentell nachzuweisen. (Spanner, 2016, S. 74) Der Aufbau des Experiments war, relativ zu heutigen Messmethoden, einfach:

„Ein etwa eineinhalb Meter langer Aluminiumzylinder mit einem Durchmesser von 60 Zentimetern [Abb. 1, Anm. d. Verf.] sollte als Gravitationswellenantenne dienen. Dieser Zylinder hat eine Masse von mehreren Tonnen. Der Theorie zufolge sollten einfallende Gravitationswellen den Zylinder zu elastischen Eigenschwingungen anregen. […] Der Zylinder wurde […] in einer Vakuumkammer an dünnen Drähten aufgehängt. Damit konnten sowohl seismische als auch akustische Störungen stark reduziert werden.“²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Joseph Weber und sein Aluminiumzylinder

Die Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen von der Redaktion entfernt.

Man kann in Abbildung 1 sehr gut erkennen, welche aufwendigen Apparaturen Joseph Weber arrangierte, um seinen Lebenswunsch, Gravitationswellen endlich direkt nachweisen zu können, zu realisieren.

Weber war sich aber auch dessen bewusst, dass er im bestmöglichen Fall nur aus kosmischen Großereignissen stammende Gravitationswellen messen könnte. Als Beispiel ist hier eine Supernova zu nennen, also ein ausbrennender Stern, der sich durch eine anschließende Explosion selbst vernichtet.

1968 begann Joseph Weber mit seinen Experimenten. Kurz darauf im Jahre 1969 hatte er angeblich die erste Gravitationswelle gemessen. Er berichtete sogar von mehreren Ereignissen pro Woche. Da Webers Versuchsanordnung aber nur einen sehr kleinen Teil der Milchstraße abdeckte, war aller Wahrscheinlichkeit nach nicht anzunehmen, dass seine Messergebnisse korrekt waren. Namhafte Physiker erwarteten maximal vier bis fünf Ereignisse pro Jahrhundert und hegten dementsprechende Zweifel an Webers fulminanten Ergebnissen. Demnach müsste der Mittelpunkt der Galaxie in einem Jahr eine Energie von hunderten Sonnenmassen abstrahlen. Der Großteil der Physiker blieb daher sehr skeptisch. (Spanner, 2016, S. 75ff.)

3 Quellen von Gravitationswellen

Es gilt unter renommierten Physikern heutzutage als allgemein akzeptiert, dass Gravitationswellen gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie durch beschleunigte Massen entsandt werden. Jedoch beträgt die Leistung einer durch die Rotation der Erde um die Sonne entstandenen Gravitationswelle etwa 200 Watt, das ist relativ zu einem normalen Haushaltsföhn mit durchschnittlichen 2000 Watt sehr gering. Solch geringe Intensitäten sind mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Technologien unmöglich zu messen. Im Wesentlichen kommen heutzutage nur Doppel- und Mehrfachsysteme bestehend aus Sternen, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern bzw. kosmischen Katastrophen wie zum Beispiel eine Supernova in Frage. (Spanner, 2016, S. 52-54)

3.1 Kosmische Katastrophen

Kosmische Katastrophen oder Großereignisse kommen am Ende der Lebenszeit von massigen Sternen vor. Hierbei kann es zu einer sogenannten Supernova kommen. Eine Supernova ist das „kurzzeitige, […] extrem helle Aufleuchten eines Sterns. […] Die Leuchtkraft des Sterns nimmt dabei millionen- bis milliardenfach zu, […]“³.

Die von einer Supernova entsandte Gravitationswelle hat den Nachteil, dass keine periodische, sondern impulsartige Signale entsandt werden. Dieser Umstand macht es für die Messelektronik schwieriger, Daten zu erfassen. Zudem sind Signale einer Supernova-Gravitationswelle nur schwer von anderen fundamentalen Ereignissen, wie zum Beispiel einem Erdbeben, zu unterscheiden. Auf der anderen Seite tragen die Signale relativ zu anderen Quellen sehr viel Leistung mit sich, was sich zugunsten der Messtechnik auswirkt. (Spanner, 2016, S. 54) Es wurden auch in sich zusammenstürzende Doppelsternsysteme genauer untersucht. Bei diesen Systemen rotieren beide Partner in sehr kleinen Abständen umeinander.

Jedoch sind die von ihnen verursachten Raumzeitverzerrungen in den meisten Fällen zu minimal, um sie in einigermaßen sinnvoller Anzahl messen zu können. Theoretisch kann man bei solchen Quellen von höchstens einigen Ergebnissen über Jahrzehnte ausgehen.

Bei zusammenstürzenden Neutronensternen ist eine direkte Messung von Gravitationswellen realistischer. Da Neutronensterne ausgesprochen dicht sind und daher ihre Masse sehr komprimiert vorliegt, können sich zwei Neutronensterne in kleinen Abständen kreisförmig umeinander bewegen, um danach miteinander zu fusionieren. Dementsprechend ist auch die entsandte Gravitationswelle um einiges stärker. (Spanner, 2016, S. 55f.)

3.2 Gleichmäßig strahlende Quellen

Als weitere Quelle von Gravitationswellen kommen kontinuierlich strahlende Systeme in Frage. Gravitationswellen, die aus solchen Systemen entstehen, weisen eine stetige und wohldefinierte Frequenz auf. Als Beispiele für derartige Systeme sind Schwarze Löcher und Doppelsterne, die sich aus einiger Entfernung umkreisen, zu nennen.

Anders als bei kosmischen Katastrophen, die ihre gesamte Energie rasant von sich geben, erzeugen diese Systeme relativ schwache Signale, da sie ihre eigene Energie über einen längeren Zeitraum kontinuierlich abstrahlen. Dies ist eine große Schwierigkeit, denn um solche Signale nachweisen zu können, benötigen die bisher verwendeten Messgeräte mehr Energie. Zudem muss davon ausgegangen werden, dass eine Vielzahl von Frequenzen untereinander interferiert und es dadurch mit großer Wahrscheinlichkeit zu Messfehlern kommen wird. (Spanner, 2016, S. 63f.)

3.3 Zusammenstürzende Schwarze Löcher

Schwarze Löcher haben bei der Messung von Gravitationswellen neben Pulsaren und Neutronensternen eine besondere Rolle. Ein Schwarzes Loch allein wird keine Gravitationswellen aussenden, da es keine Beschleunigung besitzt. Eine beschleunigte Masse ist für die Aussendung von Gravitationswellen jedoch zwingend notwendig. Somit werden zumindest zwei Schwarze Löcher gebraucht, damit Gravitationswellen erzeugt werden können.

Zuerst rotieren die Schwarzen Löcher um einen gemeinsamen Schwerpunkt, wobei sie durch Aussendung von Gravitationswellen Energie verlieren. Dadurch verringert sich ihre Entfernung zueinander. Da nun die Massen in einem geringeren Abstand zueinander rotieren, steigert sich, aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses, die Winkelgeschwindigkeit der Massen, bis sie letztendlich ineinander verschmelzen.

Die dabei erzeugten Gravitationswellen machen sich dabei durch einen Zwitscherton bemerkbar. Dieser Zwitscherton wird in der Fachsprache auch „chirp“ (Englisch für Gezwitscher) genannt. Bei einem solchen „chirp“ steigt die Tonhöhe von tiefen Frequenzen schnell zu höheren Frequenzen an und bricht danach rasant ab. Dieser Zwitscherton wurde auch bei der Entdeckung der Gravitationswelle GW150914 entdeckt. (Spanner, 2016, S. 57-59)

[...]

¹ (Mach, 1883, S. 216f.)

² (Spanner, 2016, S. 74)

³ (Spanner, 2016, S. 60)