Gravitationswellen hörbar!

Faszinierend! Erinnert ihr euch noch an die Kämpfe mit Gravitationswellen in Snegows "Menschen wie Götter"?
20 km südlich von Hannover wurde Mitte letzten Jahres (2000) der Gravitationswellendetektor GEO 600 in Betrieb genommen. Das Besondere: Gravitationswellen werden in Audiosignale umgewandelt, hörbar gemacht. Im Internet unter www.geo600.uni-hannover.de kann man sich darüber informieren und den Gravitationswellen zuhören, wenn dann welche nachweisbar sein sollten. Faszinierend!
Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt vorher, dass Gravitationswellen entstehen müssen, wenn zwei schwarze Löcher oder auch zwei Sterne einander umkreisen.
In den frühen 60igern war Weber der erste, der ein Instrument zum Nachweis von Gravitationswellen baute und versuchte, sie nachzuweisen. Von 1957 bis 1959 erarbeitet er einen Katalog aller möglichen Methoden zur Entdeckung von Gravitationswellen (vorher war er schon mit 29 Jahren Professor). Vier 300seitige Notizbücher füllte er mit seinen Ideen. Er entschied sich für einen massiven Aluminiumzylinder von zwei Metern Länge, welcher quer zu den einfallenden Wellen ausgerichtet wurde. Die Gravitationswellen sollten die Enden des Zylinders zusammendrücken, dann dehnen und wieder zusammendrücken. Er besitzt eine natürliche Resonanzfrequenz, die Schwingungen können Gravitationswellen verstärken. So, wie ein Weinglasvon Schallwellen entsprechender Frequenz zum Mitschwingen angeregt wird, lässt sich auch der Zylinder zum Mitschwingen anregen.
1959, als Weber das Projekt in Angriff nahm, glaubten sehr wenige an schwarze Löcher und diese wussten nicht sehr viel über sie. Niemand vermutete, dass schwarze Löcher kollidieren, verschmelzen und dabei Gravitationswellen aussenden konnen. Ein Millionstel des Durchmessers des Atomkerns - so klein sind durch Gravitationswellen angeregte Schwingungen.
Er entwickelte einen Sensor, der die Schwingungen nachweist; dabei nutzte er den piezoelektrischen Effekt aus. Wenn bestimmte Kristalle Druck ausgesetzt sind, reagieren sie darauf mit Erzeugung elektrischer Spannung. Er stellte den Aluminiumzylinder her, auf dessen Oberfläche piezoelektrische Kristalle angebracht waren. Während der Zylinder schwingt, werden die Kristalle gedehnt und zusammen gedrückt. Jeder Kristall erzeugt so eine oszillierende Spannung. Er schaltete die Kristalle hintereinander, sodass winzige Spannungen sich addierten und elektronisch nachgewiesen werden konnten.
Die Allgemeine Relativitätstheorie betrachtet Schwerkraft als Veränderung der Struktur der Raumzeit. Die Masse diktiert dem Raum die Krümmung. Ein schwarzes Loch erzeugt eine starke Raumzeitkrümmung, aus der Kräuselungen der Raumzeit hervorgehen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Da die Begriffe Krümmung der Raumzeit und Gravitation dasselbe Phänomen bezeichnen, sind die Kräuselungen der Raumzeit nichts anderes als Gravitationswellen. Während Gravitationswellen sich ausbreiten, wirken sie auf die Löcher zurück.. Dies führt dazu, dass sich die Löcher einander nähern, beschleunigt werden und in Spiralen allmählich aufeinander zustürzen. Zunächst bewegen sich die Löcher nur langsam aufeinander zu. Mit zunehmender Annäherung wird ihre Geschwindigkeit immer größer und es werden immer mehr Gravitationswellen ausgesandt. Das hat zur Folge, dass sie noch mehr Energie verlieren, schneller aufeinander zustürzen. Schließlich erreichen sie fast Lichtgeschwindigkeit und verschmelzen.
Man kann zwar nichts über den Stern erfahren, aus dem ein schwarzes Loch entstand, da sie "keine Haare besitzen" (siehe Artikel über schwarze Löcher, in: H.E.I.N.Z. 1 bzw. FLÜGEL IV). Aber die Gravitationswellen, die ungehindert den Kosmos durchqueren, erzählen uns die Geschichte zweier schwarzer Löcher, die miteinander verschmolzen sind.
Die Gravitationswellen tragen die Information über ein solches Ereignis durch Sternansammlungen und Nebel hindurch, von Galaxie zu Galaxie, durch die Milchstraße bis hin zur Erde, durch die Erde durch zu anderen Sternen und Galaxien.
Faszinierend!
Schon 1993 schrieb Kip Thorne, dass wir mit Hilfe von Computern Gravitationswellen in Schallwellen umwandeln könnten und eine "Symphonie" der schwarzen Löcher hören könnten, die allmählich an Tonhöhe und Intensität zunimmt.
Der indirekte Nachweis der Existenz von Gravitationswellen durch Taylor und Mitarbeiter ist bereits gelungen!
Durch Messungen eines Pulsars (= rotierender Neutrinostern, der in regelmäßigen Abständen Radioimpulse aussendet) stellten sie fest, dass sich dessen Bahnperiode (Pulsar als Teil eines Doppelsternsystems) um 76 µs pro Jahr verkürzt. Dieser Wert ist in Übereinstimmung mit der ART, die für ein solches System das Aussenden von Gravitationswellen und damit den Gesamtenergieverlust des Systems vorhersagt. Dieser Energieverlust führt zur Annäherung der beiden Neutronensterne und damit zur Verkürzung der Bahnperiode.
Für diesen Beweis der Richtigkeit der ART wurden Hulse und Taylor 1993 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Anfang der 70iger Jahre erkannte man, dass Interferometer zum Nachweis geeignet sind. Geo600 ist ein Laser-Interferometer von sechshundert Metern Armlänge. Es operiert zwischen fünfzig Hertz und zwei Kilohertz. (Bereich für Gravitationswellen: zwischen Millihertz und Kilohertz)
Man misst die Verschiebung zweier Lichtwellen, die gleichzeitig die unter einem rechten Winkel stehenden Interferometerarme durchlaufen. Verändert eine Gravitationswelle die Längen der beiden Arme, geraten die Lichtwellen außer Takt. Die Verschiebung entspricht dem Längenunterschied beider Arme. Denn der Raum wird gestaucht und gedehnt. Wenn eine Gravitationswelle durch uns hindurch geht, quetscht sie uns für eine kurze Zeit zusammen und in der nächsten Halbwelle zieht sie uns wieder auseinander.

Live long and prosper!
T'Lexa

Quellen:
"Sterne und Weltraum" 03/99
"Sterne und Weltraum" 11/00
"Bild der Wissenschaft" 08/91
"Gekrümmter Raum und verbogene Zeit", Kip Thorne
Internetseite www.geo600.uni-hannover.de