Techniklexikon

Gravitationswellen

Astronomie und AstrophysikRelativitätstheorie und Gravitation, die von Einstein als Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Krümmungsstörungen der Raumzeit, die sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Gravitationswellen sind transversal und besitzen zwei Polarisationsfreiheitsgrade, sie verändern also temporär die Metrik der Raumzeit und sind in der Lage, Massen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zu beschleunigen, was prinzipiell ihren Nachweis ermöglicht. Mögliche Quellen von Gravitationswellen müssen ein zeitlich veränderliches Massenquadrupolmoment aufweisen (Quadrupolstrahlung). Die Frequenz von Gravitationswellen liegt im Bereich von 10^-18 Hz (stochastischer Gravitationswellenhintergrund) bis 10⁴ Hz (stellare Schwarze Löcher). Gravitationswellen konnten bisher nicht direkt beobachtet worden, da die von realistischen Quellen emittierte Strahlung extrem schwach ist. So erzeugt der massereichste Planet des Sonnensystems, Jupiter, durch seinen Umlauf um die Sonne Gravitationswellen mit einer Leistung von lediglich 1 kW und einer Periode von nahezu 12 a, entsprechend seiner Umlaufzeit. Die Wellenlänge beträgt zwölf Lichtjahre. Als indireker Nachweis von Gravitationswellen kann allerdings die Abnahme der Bahnfrequenz des Doppelpulsars PSR 1913+16 gelten: der gemessene Wert stimmt sehr genau mit dem aus der Allgemeinen Relativitätstheorie resultierenden Wert überein, der durch den Enerieverlust des Systems durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verursacht wird.

Grundsätzlich sind alle beschleunigten massebehafteten Körper Quellen von Gravitationsstrahlung. Ein mit der Frequenz w rotierender Stab strahlt näherungsweise die Leistung P = 32G / (5c⁵)I²w⁶ in Form von Gravitationswellen ab, wobei I » ML² / 12 das Trägheitsmoment um die Drehachse ist. Für einen L = 20 m langen Stab der Masse M = 500 t ist P » 2,5 × 10^-29 W, also extrem klein. Zum Vergleich: zwei Sterne im Abstand R mit reduzierter Masse m = M₁M₂/(M₁ + M₂) rotieren in einfachster Näherung mit der Frequenz  und strahlen die Leistung P = 32G / (5c⁵)m²R⁴w⁶ ab. Ein hypothetisches System aus zwei Neutronensternen mit M₁ = M₂ = M_S und R = 100 km strahlt in der gegebenen Näherung 3,3 × 10⁴⁴ W ab, allerdings nur für rund eine Sekunde, bevor die Sterne kollidieren. Zu realistischen Prozessen, die mit der Abstrahlung von Gravitationswellen verbunden sind und auf der Erde gemessen werden könnten, gehören neben der Bewegung (und Kollision) von Binärsystemen auch Supernovaexplosionen und rotierende, deformierte Sterne bzw. Neutronensterne. Numerische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Energie, die ein kollabierender Stern in Form von Gravitationswellen abstrahlt, etwa 1-2 % seiner Masse entspricht. Zum direkten Nachweis von Gravitationswellen sind gegenwärtig mehrere Gravitationswellendetektoren in Betrieb. Mit der bisher erreichten Empfindlichkeit liessen sich zwar noch keine Signale nachweisen, eine neue Generation von Detektoren mit wesentlich höherer Empfindlichkeit befindet sich aber in Bau.