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Startschuss

Dies ist eine Blogseite im Aufbau, die sich mit kosmologischen Fragestellungen, Forschung und Antworten beschäftigt. Sie wendet sich gleichermassen an kenntnishungrige und kenntnisreiche Laien, Hobby- und Armchair-Astronomen und -Kosmologen. Vor allem aktuelle kosmologische Ergebnisse und Theorien sollen diskutiert, hinterfragt und – verdaut werden. Ziel: mehr kenntnisreiche Laien auf gutem, aber nicht abgehobenem, verständlichem Niveau.

Vorhang auf: Dienstag der 3. Oktober 2017. Die Nobelpreise für Physik werden vergeben. Ausgezeichnet werden 3 Forscher für die Entdeckung von Gravitationswellen mit dem LIGO-Observatorium. Die Glücklichen sind die amerikanischen Wissenschaftler Kip Thorne, Barry Barish und Rainer Weiss (mit deutschen Wurzeln). Drei Nobelpreise für eine epochale kosmologische Entdeckung: Unser Startschuss könnte nicht besser sein .

Was also sind Gravitationswellen, was bedeutet LIGO?

Gravitationswellen (GW) sind eine Konsequenz aus Einstein’s Allgemeiner Relativitätstheorie (ART) und wurden von ihm fast genau 100 Jahre vor ihrer Entdeckung vorhergesagt – mit der gleichzeitigen Einschränkung, dass sie aufgrund ihrer Schwäche nie nachweisbar sein würden.

Die ART ist die universell akzeptierte moderne Gravitationstheorie, die die Newton’sche als Spezialfall enthält. Ihre Kernaussage ist: Was wir als Schwerkraft wahrnehmen ist die Krümmung der Raumzeit, die durch in ihr befindliche Masse bzw. Energie hervorgerufen wird. Je mehr Masse oder Energie sich in einem Raumzeit-Segment befindet, desto stärker wird es gekrümmt. Die „Raumzeit“ selbst als eine einheitliche Dimension (in der wir leben) geht auf Einstein’s Spezielle Relativitätstheorie zurück.

Gravitationswellen müssen  nach Einstein’s Theorie immer dann entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Die Wellen breiten sich –wie auch elektromagnetische Wellen- mit Lichtgeschwindigkeit aus, sind aber völlig anderer Natur. Gravitation ist –wie wir gesehen haben- gemäss der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Krümmung der Raumzeit gleichzusetzen. Gravitationswellen werden abgestrahlt, wenn Massen beschleunigt bewegt werden – immer und überall. Das gilt auch für alle Massenbewegungen im Alltag. Nur sind diese „Gravitationswellen“ so winzig, dass sie weit unterhalb jeder Nachweisgrenze liegen. Die Gravitationskraft ist die bei weitem schwächste der vier elementaren Grundkräfte. Setzt man die starke Kernkraft, die die stärkste Kraft darstellt und die Quarks im Atomkern zusammenhält, gleich 1, so beträgt die Stärke der Gravitation den unvorstellbar kleinen Bruchteil von 6 x 10^-39 hiervon. Umgekehrt verhalten sich die Reichweiten der beiden Kräfte: Während die Reichweite der starken Kernkraft auf das Innere des Atomkerns beschränkt ist und mit zunehmendem Abstand stärker wird, ist diejenige der Gravitation, die mit zunehmendem Abstand schwächer wird, unbegrenzt. Das bedeutet, dass jede Masse im gesamten Universum Gravitation auf jede andere Masse im Universum ausübt und zwar unabhängig von der Entfernung zwischen den Massen. Daraus folgt, dass die Gravitationskraft über kosmische Entfernungen vernachlässigbar winzig und unmessbar ist.

Im Umkehrschluss leuchtet es ein, dass man zum Nachweis von Gravitationswellen, die von irgendwo im All die Erde passieren, ungeheuer grosse Massen benötigt, um auch nur die geringste Erfolgschance zu haben.

Was genau ist eine Gravitationswelle? Der Mechanismus ist dem einer Schallwelle nicht unähnlich: es handelt sich um abwechselnde Kompressionen und Dilatationen, also Verdichtungen und Verdünnungen des Mediums, in dem sich die Welle fortpflanzt. Das ist bei einer Schallwelle die Luft oder auch Wasser und bei einer Gravitationswelle – die Raumzeit! Lassen wir aus Anschaulichkeitsgründen die Zeit einmal unberücksichtigt, so sind Gravitationswellen abwechselnde Verdichtungen (Kompressionen) und Erweiterungen (Dilatationen) des Raumes selbst. Diese pflanzen sich mit Lichtgeschwindigkeit über viele Milliarden von Lichtjahren fort und werden durch Bewegungen von –in unserem Fall- gigantischen Massenansammlungen  ausgelöst. “In unserem Fall“ bedeutet schlicht und einfach: die Massen müssen so gross sein, dass die durch ihre Wechselwirkungen erzeugten Gravitationswellen für unsere empfindlichsten Geräte „sichtbar“, also nachweisbar werden. Die massereichsten Objekte im Universum sind neben Galaxien und Galaxienclustern schwarze Löcher und Neutronensterne. Solche Objekte müssen miteinander wechselwirken, damit es zur Abstrahlung von Gravitationswellen kommen kann. Galaxien und Cluster kommen trotz ihres Massereichtums kaum in Frage, da ihre Wechselwirkung über riesige Entfernungen und über Äonen erfolgt und somit schwach und langsam. Nur im –kosmisch gesehen- allerletzten Moment, wenn beispielsweise bei der Verschmelzung zweier Galaxien ihre schwarzen Löcher zu einem Mega-schwarzen-Loch fusionieren, wird es zur Erzeugung  massivster Gravitationswellen kommen.

Dies war der 1. Teil. Weiter geht es in Kürze mit der Beschreibung der genialen LIGO-Anordnung. die diese epochale Entdeckung erst ermöglicht hat.

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder           Beitragsbild: Simulation von Gravitationswellen bei der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. Credit: S.Ossokine/A. Buonanno, Max Planck Institut; W. Benger, Airborne Hydro Mapping GmbH     

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

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