Erstellt von Viktoria Schöneich. Quelle: LIGO

Gravitationswellen wurden erstmals 1916 von Albert Einstein postuliert – ein Jahr, nachdem er bereits seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte. Demnach erzeugen Bewegungen einer Masse im Raum eine Krümmung der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Amplitude dieser Welle und damit ihre „Stärke“ hängt maßgeblich von der bewegten Masse ab; d.h. der Finger, mit dem Sie diesen Artikel scrollen, erzeugt eine weitaus schwächere Welle als zwei verschmelzende schwarze Löcher. Dies ist auch das Ereignis, das man nun nachgewiesen hat: Die Welle hatte genau die Form, die von Einsteins Theorie für diesen Fall vorhergesagt wird.

Allerdings sind die Effekte von Gravitationswellen selbst bei einem so dramatischen Ereignis verhältnismäßig klein. Auf einer Strecke von 4 km wurde gerade einmal eine Längenänderung von einem Zeptometer detektiert. Zum Vergleich: der Durchmesser eines Protons ist etwas eine Million mal größer. Bei diesen Dimensionen ist es nicht verwunderlich, dass bereits Einstein daran zweifelte, ob die von ihm theoretisch vorhergesagten Wellen jemals gefunden werden würden.

Messtechniken
Angesichts des experimentell doch sehr schwierigen direkten Nachweises konzentrierte man sich zunächst einmal darauf, die Gravitationswellen indirekt nachzuweisen. Der Grundgedanke hierbei ist, dass die Energie, die die Welle transportiert, von irgendwo her kommen muss. Es muss sich also eine energetische Änderung des Ursprungssystems ergeben, die beobachtbar sein sollte. Tatsächlich konnten Hulse, Taylor und Weisberg im Jahr 1975 nachweisen, dass sich in einem binären Pulsarsystem die zwei Körper immer weiter annäherten. Der Verlust der Rotationsenergie entsprach dem Energiegehalt der vorhergesagten Welle. Diese Beobachtung brachte den Forschern den Nobelpreis ein.

Trotz der technischen Schwierigkeiten wurden bereits in den 60ern erste Versuche unternommen, Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Zunächst geschah dies in Form von Resonanzdetektoren. Dabei wird eine oftmals zylindrische Testmasse störungsfrei aufgehängt und soll auf einen bestimmten Anteil der Gravitationswelle resonant reagieren, also das Signal der Welle verstärken. Der Nachteil an diesem Detektor ist, wie sich bereits erahnen lässt, dass er nur bestimmte Gravitationswellen nachweisen kann, da er nur bei bestimmten Frequenzen resonant ist. Später wurde durch das Herabkühlen des Zylinders auf wenige Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt zwar eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht, aber auch mit diesem Aufbau gelang ein direkter Nachweis nicht.

Zeitgleich mit dem Bau der Resonanzdetektoren wurden bereits Laserinterferometer vorgeschlagen, die sich jedoch wegen zu lösender technischer und konzeptueller Schwierigkeiten zunächst auf theoretische Studien und kleinere Experimente beschränkten. Ein Laserinterferometer basiert auf dem Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interferenz: Treffen zwei Wellenberge aufeinander, verstärkt sich das Signal (konstruktiv), trifft Wellenberg auf Wellental, wird das Signal ausgelöscht (destruktiv). Dazwischen liegen natürlich noch viele weitere Zustände, die gemessen werden können und Informationen über die Verschiebung von zwei Lichtsignalen zueinander enthalten.

Kurz nach der Jahrtausendwende begann man schließlich damit, weltweit Laserinterferometer zu bauen. Das Messprinzip basiert hierbei auf dem Michelson-Interferometer, das vielleicht dem einen oder anderen Leser noch aus der Schulzeit geläufig ist. Ein Laser sendet Licht aus, das an einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt wird und auf zwei normale Spiegel trifft. Das dort reflektierte Licht trifft nun wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel und wird anschließend auf einen Detektor geleitet. Auf diesem erscheint dann die Interferenz. Werden die senkrecht zueinander stehenden Röhren von einer Gravitationswelle gestreckt oder gestaucht, findet eine Phasenverschiebung statt und es wird eine Änderung der Interferenz detektiert.

Die Versuchsanlagen wurden an verschiedenen Orten auf der Erde errichtet: so werden lokale Fehlerquellen wie beispielsweise leichte Erdbeben ausgeschlossen. Standorte solcher Detektoren sind unter anderem Japan, Italien und Deutschland. Die Entdeckung gemacht hat jedoch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA; um genau zu sein eine in der Messgenauigkeit verbesserte Variante mit dem Namen aLIGO (Advanced LIGO), die erst 2015 in Betrieb genommen wurde.

Der erste direkte Nachweis

Am 14. September 2015 wurde schließlich ein Signal an den Standorten in Hanford (Bundesstaat Washington) und Livingston (Louisiana) unabhängig voneinander detektiert. Das entscheidende Signal ist eine in der Amplitude schnell anwachsende Welle, die nach dem Verschmelzen der schwarzen Löcher wieder auf annähernd 0 herabfällt. Das ganze Ereignis dauerte nicht länger als 150 ms. Zu diesem Zeitpunkt waren die anderen Gravitationswellendetektoren abgeschaltet oder nicht im Observationsmodus, weswegen das Signal nur von den zwei genannten Detektoren erfasst werden konnte.

Nach der Entdeckung wurden zunächst mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen. Sensoren, die während des Betriebs eine Messung von Störungen aus der Umgebung vornehmen, zeigten keine Störung an, die stark genug wäre, das Signal zu erklären. Auch die Instrumente wurden untersucht und es konnte ausgeschlossen werden, dass das Signal auf einen Fehler der Instrumente zurückzuführen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das gemessene Signal auf Hintergrundrauschen zurück zu führen ist, wird mit 0,0002% angegeben, was einer faktischen Entdeckung gleichkommt.

Eine neue Ära der Weltraumerkundung
Oft wurde der Vergleich bemüht, dass der direkte Nachweis dieser Wellen der Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums gleichkäme: Man könne nun das Universum mit anderen Augen betrachten und das gravitative Universum entdecken. Diese Annahme ist nicht falsch, denn bereits mit dieser ersten Entdeckung wurden Vorgänge beobachtet, die mit unseren bisherigen Beobachtungsmöglichkeiten nicht detektierbar gewesen wären. Da schwarze Löcher, wenn sie nicht gerade von einer Scheibe aus Materie umgeben sind oder ihre Umgebung sichtbar beeinflussen, unsichtbar sind, wäre das sehr kurze Ereignis zweier verschmelzender schwarzer Löcher anders als über ihre Gravitationswellen nicht detektierbar gewesen. Dass binäre Systeme schwarzer Löcher existieren, war bis zu ihrer Entdeckung im vergangenen September auch nur eine theoretische Annahme.

Die Forschung erhofft sich weiterhin Einblicke in die gewaltigsten Ereignisse des Universums wie zum Beispiel Urknall und Supernovae und Erkenntnisse über die massereichsten Körper wie Neutronensterne. Auch die mysteriöse dunkle Materie, die bisher lediglich indirekt über ihre gravitative Wirkung nachgewiesen wurde, könnte mit Hilfe der Gravitationswellen untersucht werden.

In Zukunft sollen die Detektoren auf der Erde in ihrer Messgenauigkeit verbessert werden, um auch kleinere Ereignisse beobachten zu können. Mit eLISA ist außerdem für das Jahr 2034 ein Weltraumobservatorium für Gravitationswellen geplant. Eine Vorgängermission, LISA Pathfinder, wurde Ende letzten Jahres ins All geschickt und wird Anfang März beginnen, die anspruchsvolle Technik für eLISA zu erproben.

Die Gravitationswellenastronomie bietet ein großes Potential, unser Universum noch besser zu verstehen und vielleicht auch gänzlich neue, überraschende Entdeckungen zu machen.

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• Gravitationswellen

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Space.com.

Die Überreste der Supernova wurden Cassiopeia genannt und sind von unserer Erde 10.000 Lichtjahre entfernt. Als der Stern kollabierte, verwandelte er sich in einen Neutronenstern. Ausgehend von der Eruptionsstelle stapeln sich Wolken aus extrem heißen Gasen. Die Gase bestehen aus nichts anderem als Neutronen, die so nah beieinander sind, dass die Dichte extrem hohe Werte annimmt. Würde man ein Teelöffelchen von dieser Neutronengaswolke mit zur Erde nehmen, hätte dieses eine größeres Gewicht als ein Elefant.

Das Chandra Röntgen-Teleskop hatte schon vor fünf Jahren, kurz nach dem Start seiner Mission, die ersten Bilder von den Überresten der Supernova geschossen. Damals betrug die Beobachtungszeit rund 90 Minuten. Jetzt erhoffen sich die Wissenschaftler mit elf Tagen Beobachtungszeit neue Erkenntnisse. Martin Laming, ein Wissenschaftler, der sich mit der Auswertung der Bilder beschäftigen wird, sagte: „Die Beobachtung durch das Chandra Röntgen-Teleskop ist die genaueste Darstellung von den Überresten eines explodierenden Sterns, die je gemacht wurde. Das ist eine Goldmine an interessanten Daten, durch die sich die Wissenschaftler in den kommenden Jahren durcharbeiten können.“ Erste interessante Entdeckungen konnten die Wissenschaftler schon aus den detaillierten Aufnahmen entnehmen. Sie entdeckten bis jetzt ungesehene Ausstöße von Gas, die sich in die entgegengesetzte Richtung der Hauptexpandierung der Gaswolken ausbreiten. Diese Jets erreichen eine Entfernung von knapp zehn Lichtjahren vom Neutronenstern.

Eine weitere interessante Entdeckung ist, dass die Beobachtung Teile der expandierenden Gaswolke zeigt, die reich an Eisen sind. Wissenschaftler sind sich über den Grund noch nicht ganz einig, aber einige vermuten, dass die Explosion des Sternes ein starkes magnetisches Feld erzeugte, welches auch der Grund der schnellen Jets sein könnte. Ganz genau wissen die Wissenschaftler aber noch nicht, wie diese Jets entstehen, die beinahe Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Nach der endgültigen Auswertung der wertvollen Daten können wir aber auf spektakuläre Ergebnisse gespannt sein.

Der Beitrag Bilder von Supernova-Überresten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA.

Warum? Bei ihrer Suche nach neuen Wegen zur Entdeckung von Planeten kam der ESA die Idee, dass man statt voluminöser Spiegel und Linsen im Weltraum miniaturisierte optische Systeme bauen kann, die auf einen Mikrochip passen. Eine solche „integrierte Optik“ könnte auch in Computernetzen auf der Erde zur Hochgeschwindigkeitsweiterleitung von Daten eingesetzt werden.

Datenströme im Internet verhalten sich wie Verkehrsströme: Ein Auto kann zwar auf gerader Strecke schnell gefahren werden, muss aber zur Richtungsänderung an einer Kreuzung stark abgebremst werden. Das Gleiche gilt für Datenautobahnen. Lichtstrahlen befördern die Daten mit hoher Geschwindigkeit entlang von Glasfaserkabeln. Wenn die Daten bei den Computern, den so genannten Servern, ankommen, werden sie von ihnen zu ihrem endgültigen Ziel umgeleitet. Zur Zeit müssen die Lichtimpulse hierzu in elektrische Signale umgewandelt werden, und das verlangsamt alles. Elektronen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von einigen Kilometern pro Sekunde durch einen Stromkreis, während Licht sich mit fast 300 000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet. Bei der integrierten Optik würden die Daten Licht bleiben und lediglich über den Chip in die richtige Richtung gelenkt. Die Wissenschaftler nennen diese Technik integrierte Optik, da die Chips auf einer Karte für integrierte Schaltkreise montiert sind. Anstelle von miniaturisierter Elektronik würde jedoch miniaturisierte Optik in einen Mikrochip eingebaut.

Die ESA will Planeten außerhalb des Sonnensystems künftig mit technisch anspruchsvolleren Mitteln aufspüren. Zwei geplante Entwicklungen beruhen auf der Bündelung des Lichts solcher Planeten in einer Reihe verschiedener Teleskope. Es handelt sich um die Mission Darwin und ihren Vorläufer, das Bodengestützte Europäische Nullungsinterferometer-Experiment (GENIE) der ESA und der ESO.

Zur Bündelung von Lichtstrahlen werden üblicherweise Spiegel und Linsen bewegt, um das Licht in die gewünschte Richtung zu lenken. Wenn sich das System jedoch bewegt, kann es zerbrechen. „Zur integrierten Optik überzugehen, die viel kleiner ist und keine beweglichen Teile hat, wäre äußerst wünschenswert“, so Malcolm Fridlund, Projektwissenschaftler für Darwin und GENIE. So wünschenswert es wäre, so schwierig wäre es auch. Gegenwärtig ist die Wissenschaft der integrierten Optik weit hinter der Technologie der integrierten Schaltung zurück. Aus diesem Grund finanziert die ESA zwei Studien. Astrium wurde mit der Untersuchung eines herkömmlichen optischen Ansatzes beauftragt, während Alcatel eine auf der integrierten Optik beruhende Lösung finden soll. „Wir werden in etwa einem Jahr entscheiden, ob für GENIE die integrierte Optik eingesetzt wird“, sagt Fridlund.

Bei Darwin, der ehrgeizigen Mission der ESA zur Suche nach erdähnlichen Planeten, könnte ebenfalls die integrierte Optik Anwendung finden, jedoch unter Nutzung längerer Wellenlängen als bei GENIE. Dies ist Neuland für die Technik der integrierten Optik. Fridlund prüft gegenwärtig Vorschläge von Industrieunternehmen, die die Herausforderung annehmen möchten. „Was ich in diesen Vorschlägen sehe, stimmt mich sehr optimistisch“, sagt Fridlund. „Ich weiß zwar noch nicht, ob es für die integrierte Optik im mittleren Infrarot kommerzielle Anwendungen geben wird, aber wenn wir sie nicht entwickeln, werden wir es nie erfahren.“

Sollte dieses auf der integrierten Optik beruhende Konzept funktionieren, würde der Nutzen weit über bloße Verbesserungen bei der Suche nach Planeten hinausgehen. Hier auf der Erde könnte es beispielsweise für alle Nutzer von Heimcomputern die Geschwindigkeit der Internetverbindungen um das Hundert- bis Tausendfache erhöhen. Ein so schnelles Surfen im Internet hätte Auswirkungen, die noch nicht abzusehen sind.

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Autor: Alexander Bartl & Jan Großmann

Wie durch Einstein postuliert wurde, ist Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit nicht möglich. Jedoch könne man die Raumzeit „austricksen“. Zu Anfang hat man die Existenz von Wurmlöchern nur in Zusammenhang mit den Schwarzen Löchern angenommen. Das ein Schwarzes Loch ein Wurmloch zu einem anderen Schwarzen Loch erzeugt, durch dessen Verbindung man dann reisen könnte. Allerdings wurde diese Theorie bereits soweit eingeschränkt, dass das Wurmloch in unglaublicher Geschwindigkeit durch seine eigene Schwerkraft zusammenbrechen würde. Nicht einmal Licht hätte die Chance durch das Wurmloch zu gelangen.

Haben sich damit alle Chancen verabschiedet, jemals diese unglaubliche Chance des Reisens zu nutzen? Nicht ganz – es scheint möglich zu sein, sich sein eigenes Wurmloch zu erschaffen, allerdings benötigt man dafür Energie, negative Energie um genau zu sein. Um das zu verstehen muss man sich in das Reich der Quantenphysiker begeben, in den Bereich des Subatomaren. In subatomaren Bereichen entstehen ständig Fluktuationen, in Gebieten mit Materie, aber auch im absoluten Vakuum. Die Physiker stellen sich die Beschaffenheit negativer Energie so vor, das sich sogenannte „virtuelle, entgegengesetzt geladene Teilchenpaare“ die Energie aus dem Vakuum borgen, und sich fast sofort wieder gegenseitig zu vernichten. Würde man eine Möglichkeit finden, diese Fluktuationen zu unterdrücken, würde man das Vakuum, dessen Energie gleich null ist, unter diesen Energiepunkt bringen. Man hätte also „negative Energie“. So verrückt das klingen mag, die Existenz solcher Teilchen ist bewiesen. Zwar kann man sie nicht beobachten, aber man kann sie nachweisen, indem man ihre Wirkung auf andere reelle Teilchen beobachtet, so zum Beispiel auf Wasserstoffatome.

Auch wenn diese Auswirkungen minimalster Natur sind, lassen sie sich dennoch nicht ignorieren. Diese „virtuellen Teilchen“ erzeugen also die negative Energie. Wir sind heute schon in der Lage diese Energie im Labor zu erzeugen. Allerdings ist dieser Energieanteil so klein, dass man an ein Wurmloch noch gar nicht denken könnte. Aber Tatsache ist, hätten wir eine Möglichkeit genug negative Energie zu erzeugen, wären wir in der Lage Wurmlöcher zu erschaffen.

Wurmlöcher wie sie in Science Fiction-Romanen und -Serien an der Tagesordnung sind, würden unvorstellbare Energiemengen erfordern. Normale Wurmlöcher, wie sie angeblich im Weltraum kurzzeitig entstehen, wären mikroskopisch klein. Wollte man auch nur ein Wurmloch von einem Meter Durchmesser erschaffen, bräuchte man die Energie, die 10 Milliarden Sterne in einem Jahr erzeugen. Diese Energie wäre für die heutige Technik unvorstellbar groß. Wären wir nur in der Lage einen kleinen Teil der Energie zu erzeugen, die unsere Sonne besitzt, wären wir für alle Zeiten mit Energie versorgt.
Man kann sich also vorstellen wie unwahrscheinlich und technisch unmöglich es ist, die Energie aufzubringen, um ein Wurmloch zu erschaffen. Wobei man gar nicht an die anderen Probleme denkt…

Es ist nach Einstein bekannt, dass für ein Objekt, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, die Zeit langsamer vergeht als für die Objekte außerhalb. Würde also ein Mensch mit Lichtgeschwindigkeit reisen, wäre nach seiner Rückkehr die Welt schon viel weiter in der Zeit. Ein Wurmloch jedoch würde Zeitreisen erlauben. Der Mensch würde zur Erde zurückkehren, bevor er abgereist ist…

Man sieht also wie unwahrscheinlich das Erschaffen von Wurmlöchern ist. Allerdings sieht man auch deutlich, dass Wurmlöcher durchaus existent sein können, und zwar ohne unsere Naturgesetze zu verletzen oder gegen andere physikalische Gesetze zu verstoßen. Es bleibt also eine schöne Theorie, die Reise durch ein Wurmloch…

Der Beitrag Die Reise durchs Wurmloch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.