Raumzeit und Gravitationswellen

Hallo! Wollte euch ein wenig über 4-dimensionale Raumzeit und Gravitationswellen erzählen.

Stellt euch einmal vor, ihr seid Comic-Wesen, flach, 2-dimensional, kennt zwar Breite und Länge, könnt euch aber nichts unter "Höhe" vorstellen. Ihr lebt auf eurer Comic-Seite. Einer elastischen Comic-Seite. Legt jetzt ein Außenstehender eine Masse auf die Comic-Seite, so kann man sich vorstellen, dass die Seite eingedellt wird. Ihr als Comic-Wesen würdet nun in diese Mulde rutschen - oder in anderen Worten: Ihr werdet von der Masse angezogen.

Das ist genau das, was Einstein als Erklärung für Gravitation in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie aufgestellt hat. Eine schwere Masse dellt unseren 3-dimensionalen Raum in die 4., für uns unvorstellbare Dimension ein. Wir rutschen in diese Delle hinein - oder in anderen Worten: Wir werden von der Masse angezogen. Dies ist ganz einfach und ganz bildlich ausgedrückt, aber dies ist die geometische Vorstellung von Gravitation. Jede Masse, Sonnen, Planeten, Waale und Blumentöpfe dehnen unseren Raum.

Nun kann man sich vorstellen, dass zwei sehr schwere Massen (z.B. zwei Neutronensterne) einander umkreisen auf einer eliptischen Umlaufbahn. Dies heißt, dass die beiden Massen periodisch mal näher zusammen und mal weiter von einander entfernt sind. Somit wird der Raum mal stärker gedehnt und mal wieder weiter "losgelassen". Es ist ein wenig so, als würde man mit dem Finger periodisch auf eine Wasseroberfläche tippen. Das Resultat auf der Wasseroberfläche sind Wellen, die sich von der Quelle ausbreiten.
Einstein hat vorhergesagt, dass genau so etwas auch mit Gravitation passieren kann. Die beiden schweren Massen, die einander umkreisen, senden Gravitationswellen aus. Wellen in unserem Raum, die diesen auseinanderdehnen und wieder loslassen. Wenn Du an deinem Schreibtisch sitzt und ich an meinem, wir uns nicht bewegen, unseren Platz nicht ändern, und eine Gravitationswelle durch uns durch läuft, so verändert sich der Abstad zwischen uns. Nicht, weil wir uns bewegen, sondern weil der Raum zwischen uns mehr und weniger wird.

Dieser Effekt von Gravitationswellen konnte bislang noch nicht nachgewiesen werden. Es gibt aber mehrere Gravitationswellen-Detektoren in Europa, Japan und den USA und es ist sogar ein Gravitationswellendetektor im Weltraum geplant.

Dieser Effekt von Gravitationswellen konnte bislang noch nicht nachgewiesen werden. Es gibt aber mehrere Gravitationswellen-Detektoren in Europa, Japan und den USA und es ist sogar ein Gravitationswellendetektor im Weltraum geplant.

Naja, es gibt aber einen indirekten Nachweis - Hulse / Taylor konnten durch die Beobachtung von PSR 1913+16 einen Energieverlust nachweisen der genau berechneten Gravitionswellen entspricht.

Und dass wir Gravitationswellen nicht direkt messen können hat einen sehr sehr einfachen Grund: Dise sind so extrem schwach, übertrieben gesagt könnte hier eher messen und nachweisen, dass in China ein Baum umfällt.

Vielleicht gelingt es LISA diese auch direkt nachzuweisen, aber anhand der enormen Schwierigkeit glaube ich eher an einen Durchbruch in der Neutrinoforschung .

Ich finde es gut, dass Gravitationswellen so schwach sind! ... sonst würde sich ja ständig die Entfernung vom Bett zum Kühlschrank verändern und im Dunkeln würd ich nirgends mehr hinfinden!

Der indirekte Nachweis ist richtig. Hier gab es sogar einen Nobelpreis für. Aber der direkte Nachweis steht aus. Vor allem könnte man mit einer direkten Detektion von Gravitationswellen viel mehr Informationen über Objekte wie Neutronensterne, Supernovae und Schwarze Löcher erhalten. Ja sogar über Dunkle Materie (sollte diese wirklich existieren) und über die ersten Momente nach dem Urknall, die sich elektromagnetischen Beobachtungen entziehen.

Die Gravitationswellendetektoren auf der Erde (vor allem VIRGO und LIGO) werden ausgebaut um dann in wenigen Jahren empfindlich genaug zu sein zur Detektion von nahen Ereignissen. Schon jetzt könnte man mit relativ kleinen Detektoren wie GEO 600 (nähe Hannover) Supernoma-Explosionen nachweisen. Theoretisch. Sollte es Gravitationswellen wirklich geben - bzw. sollte Gravitation wirklich den Raum dehnen und stauchen. (Leider passieren solche Supernova-Explosionen nur recht selten in unserer Nachbarschaft...)

LISA soll gegen 2019 starten. Ein erster Satellit mit Systemen, die bei der LISA-Mission eingesetzt werden sollen, wird demnächst hochgeschossen. Danach kann man dann gut einschätzen, welche Systeme schon gut funktionieren und was nach Arbeit bedarf. Sollte LISA so funktionieren wie gehofft - und ich bin da ziemlich optimistisch - so wird LISA ab 2020 eine Fülle von niederfrequenten Signalen detektieren können. (Kollidierende Schwarze Löcher z.B. - und solche Kollisionen passieren ständig.) Oder aber: LISA funktioniert und detektiert absolut nichts - das wäre noch spannender, denn dann hätte Einstein unrecht und man bräuchte eine komplett neue Theorie über Gravitation...!

Oder aber: LISA funktioniert und detektiert absolut nichts - das wäre noch spannender, denn dann hätte Einstein unrecht und man bräuchte eine komplett neue Theorie über Gravitation...!

Deswegen hat Einstein noch lange nicht Unrecht - ich denke nur an die Neutrinoforschung oder die Realtivitätstheorie: Manchmal sind unsere Meßgeräte einfach zu ungenau. Und LISA könnte immer noch zu wenig sensibel sein um Gravitationswellen zu entdecken. Ich erinner nur an das Beispiel mit dem Baum in China - wir verfügen kaum über so sensible Messgeräte die eindeutig soetwas nachweisen könnten und LISA ist auch nicht der Zenit der Technik sondern nur ein Anfang.

Und wenn Gravitationswellen stärker wären, dann wäre die Entfernung vom bett zum Küchlschrank das kleinste Problem .

Baum in China? Was für ein Baum?
... nun, man kennt einige Objekte, die nach Einstein Gravitationswellen aussenden müssten (Kollidierende Galaxien etc.) und man kann auch die ungefähre Stärke der erwarteten Gravitationswellen berechnen. Bei LISA wird man sehen können, wie empfindlich eine Messung möglich ist. Man wird das Rauschen der Satelliten selbst sehen können. Ist das Rauschen so klein wie erwartet sollte müsste man definitiv Gravitationswellen sehen. Sieht man trotzdem nichts, kann man mit ziemlicher Gewissheit sagen, dass es keine Gravitationswellen gibt - zumindest nicht solche, wie von Einstein vorhergesagt. (Man erwartet aber eigentlich, dass man viel zu viele Quellen von Gravitationswellen gleichzeitig misst und eher das Problem hat, die alle auseinander zu sortieren. *g*)

Ich glaube, es ist keine Frage von "ob man je so empfindlich werden kann, wie benötigt", sondern eine Frage von "ob die erdgebundenen Gravitationswellendetektoren Gravitationswellen entdecken, bevor LISA 2020 einsatzbereit ist".

Baum in China? Was für ein Baum?
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Man erwartet aber eigentlich, dass man viel zu viele Quellen von Gravitationswellen gleichzeitig misst und eher das Problem hat, die alle auseinander zu sortieren. *g*
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Ich glaube, es ist keine Frage von "ob man je so empfindlich werden kann, wie benötigt", sondern eine Frage von "ob die erdgebundenen Gravitationswellendetektoren Gravitationswellen entdecken, bevor LISA 2020 einsatzbereit ist".

Der Baum aus meinem Beispiel - dessen messbare Erschütterung dürfte ungefähr die Stärke von Gravitationswellen haben

LISA wird meiner Meinung nach natürlich mehr Erfolg haben als die erdgebundenen Detektoren, den diese nehmen noch mehr wahr und liefern wesentlich stärker verfälschte Ergebnisse - also wenn der direkte Nachweis geliefert werden kann, dann mit LISA. Obwohl der Nachweis durch Hulse / Taylor eingentlich erbracht wurde - ein Zweifel an der Existenz gibt es eigentlich nicht wirklich.