In den meisten Fällen ist es nicht so schwierig, die Auswirkungen der Schwerkraft zu erkennen. Fallschirmspringer rennen in dem Moment auf den Boden zu, in dem sie aus einem Flugzeug steigen, und dank Weltraumteleskopen können Sie sehen, wie Licht von massiven Galaxiengruppen in atemberaubende Ringe verworfen wird. Es hat sich jedoch als besonders schwierig erwiesen, Gravitationswellen zu erkennen, die durch ein kraftvolles kosmisches Ereignis in der Raumzeit ausgelöst werden.
Verwandte Inhalte
- Zu diesen Spacey Treats gehören ein galaktisches Smiley-Gesicht und eine interstellare Rose
- Nein, wir haben Gravitationswellen (noch) nicht entdeckt
Die meisten bisherigen Versuche haben sich damit befasst, wie Raum-Zeit-Wellen Licht und Materie beeinflussen sollen. Jetzt glauben Wissenschaftler in den USA und Israel, wir könnten die Wellen schneller und billiger finden, wenn wir ihre Auswirkungen auf die Zeit statt auf den Raum untersuchen.
Die Jagd nach Gravitationswellen besteht seit 1916, als Albert Einstein voraussagte, dass sie im Rahmen seiner allgemeinen Relativitätstheorie existieren sollten. Er stellte den Fall auf, dass Raum-Zeit wie ein Stoff ist, und was wir als Schwerkraft empfinden, ist eine Krümmung in diesem Stoff, die durch massive Objekte verursacht wird. Wie eine Bowlingkugel, die zum Beispiel in einer Decke aufgehängt ist, krümmt sich unser massiver Planet Erde in der Raumzeit darum.
Die Theorie legt auch nahe, dass bei der Verschmelzung von sehr massiven Objekten wie Schwarzen Löchern durch die Gravitationswelle Wellen durch die Raumzeit nach außen wandern. Ihre Entdeckung würde nicht nur Einsteins Theorie weiter bestätigen, sondern auch ein neues Fenster zum Universum öffnen, da Wissenschaftler mithilfe von Gravitationswellen ansonsten unsichtbare Ereignisse im gesamten Kosmos untersuchen könnten. Der Nachweis von Gravitationswellen ist jedoch schwer zu erbringen, zum großen Teil, weil die Wellen mit zunehmender Reichweite schwächer werden und viele Gravitationswellenquellen am Rand des Universums gefunden werden, das Milliarden von Lichtjahren entfernt liegt.
Letztes Jahr soll ein Experiment namens BICEP2 die schwachen Signale einer Art primordialer Gravitationswelle entdeckt haben, die durch einen plötzlichen Wachstumsschub im frühen Universum hervorgerufen wurde. Die Behauptung war jedoch verfrüht, da spätere Analysen die Gewissheit minderten, dass das BICEP2-Team in der Milchstraße mehr als nur aufgewirbelten Staub sah.
Das für 2034 geplante eLISA-Observatorium der Europäischen Weltraumorganisation soll eine andere Art von Welle detektieren: Gravitationswellen im Millihertz-Bereich oder niederfrequente Gravitationswellen, die durch die Fusion supermassiver Schwarzlochpaare erzeugt werden. Wissenschaftler haben supermassive Schwarze Löcher in den Zentren vieler großer Galaxien entdeckt, einschließlich unserer eigenen. Es wird vorausgesagt, dass das Zusammenwachsen zweier solcher Galaxien Gravitationswellen aussendet, die sich im Universum ausbreiten können. Um sie zu finden, misst eLISA mithilfe von Lasern winzige Änderungen im Abstand einer Raumfahrzeugflotte, die auftreten sollten, wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht.
In einer neuen Veröffentlichung weisen Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und Dani Maoz von der Universität Tel Aviv darauf hin, dass die jüngsten Fortschritte in der Zeitmessung es Atomuhren ermöglichen könnten, Gravitationswellen schneller und billiger als eLISA zu erfassen. Sie skizzieren einen Vorschlag für eine Reihe von Atomuhren, die an verschiedenen Punkten um die Sonne positioniert sind und ein Phänomen namens Zeitdilatation erkennen können, wenn Gravitationseffekte die Zeit verlangsamen können.
Wie bei eLISA erfordert ihr Plan auch, dass Raumfahrzeuge in Formation fliegen und mit Lasern kommunizieren. Anstatt jedoch Informationen über Entfernungsänderungen weiterzuleiten, verfolgen die Laser winzige Abweichungen bei der Zeitmessung zwischen synchronisierten Atomuhren, die an Bord des Raumfahrzeugs installiert sind.
Die vorhergesagten zeitlichen Veränderungen sind winzig: "Wir sprechen von einer Million Billionen Part-in-Timing-Präzision", sagt Loeb. "Um diese Art von Veränderung zu erkennen, braucht man eine Uhr, die auch bei einer Betriebsdauer von 4, 5 Milliarden Jahren oder dem gesamten Zeitalter der Erde nur eine Zehntelsekunde gewinnt oder verliert."
Bis vor kurzem war diese Art der Genauigkeit über die Fähigkeit von Atomuhren, die das Element Cäsium verwenden, hinausgegangen, das die Grundlage für den gegenwärtigen internationalen Standard der Zeitmessung bildet. Anfang 2014 stellten Physiker des Nationalen Instituts für Normung und Technologie (NIST) eine experimentelle Atomuhr mit „optischem Gitter“ vor, die neue Weltrekorde in Bezug auf Präzision und Stabilität aufstellte. Diese Uhren arbeiten mit optischen Frequenzen und bieten daher eine größere Genauigkeit als Cäsium-Atomuhren, die auf Mikrowellen angewiesen sind, um die Zeit zu halten.
Theoretisch können optische Atomuhren die Präzision liefern, die erforderlich ist, um die winzigen Zeitverschiebungen zu erfassen, die von Gravitationswellen vorhergesagt werden. Loeb und Maoz argumentieren, dass ihr Design einfacher und kostengünstiger wäre, da dafür weniger leistungsstarke Laser als bei eLISA erforderlich wären. Atomuhren mit geringerer Präzision werden bereits auf GPS-Satelliten eingesetzt, daher sollte es Loeb möglich sein, die neue Generation von Atomuhren auch in den Weltraum zu schicken.
Zwei im richtigen Abstand angeordnete Raumschiffe konnten sowohl die Spitze als auch die Talsohle einer vorbeiziehenden Gravitationswelle erfassen. (Loeb et al., Arxiv.org) Das beste Setup wäre ein Paar Atomuhren, die auf zwei Raumschiffen installiert sind, die sich die Erdumlaufbahn um die Sonne teilen. Ein Hauptraumfahrzeug wäre auch in der Umlaufbahn, um die von den Uhren kommenden Signale zu koordinieren. Der Abstand des Uhrenträgers zwischen Erde und Sonne oder einer astronomischen Einheit (AU) sollte ungefähr 150 Millionen Kilometer betragen.
"Das ist ein schöner Zufall, denn eine AU entspricht ungefähr einer halben Wellenlänge für eine [niederfrequente] Gravitationswelle, wie die Art Wissenschaftler meinen, supermassive Schwarze Löcher zu verschmelzen", sagt Loeb. Mit anderen Worten, dies wäre genau die richtige Entfernung, um sowohl die Spitze als auch die Talsohle einer Gravitationswelle zu erfassen, die durch das Sonnensystem läuft. Atomuhren, die an diesen beiden Punkten positioniert sind, würden also die größten Zeitdilatationseffekte erfahren.
Derzeit ist eine solche Mission nicht auf einer Werkbank einer Raumfahrtagentur oder einem Budgetvorschlag enthalten. Loeb hofft jedoch, dass die Idee eine genauere Untersuchung der eLISA-Alternativen auslöst. Das eLISA-Projekt "profitierte von jahrzehntelanger Diskussion, daher sollten wir zulassen, dass dieses alternative Design mindestens einige Monate lang untersucht wird, bevor es abgelehnt wird."
Loeb fügt hinzu, dass es zahlreiche praktische Anwendungen gibt, die auf präzisere Atomuhren im Weltraum zurückzuführen sind, wie z. B. eine bessere GPS-Genauigkeit und eine verbesserte Kommunikation. Er glaubt, dass die ersten optischen Gitteruhren nicht von Regierungsbehörden, sondern von Unternehmen für kommerzielle Zwecke auf den Markt gebracht werden könnten. "Wenn das passiert, wäre jede Wissenschaft, die wir daraus machen, ein Nebenprodukt", sagt er.
Jun Ye, Physiker an der Universität von Colorado und NIST-Stipendiat, sagt, Loeb und Maoz hätten mit ihrem Vorschlag „eine neue intellektuelle Front eröffnet“ für die Verwendung optischer Atomuhren zum Testen der Grundlagenphysik, einschließlich der Suche nach Gravitationswellen. „Ich bin optimistisch, die optischen Uhren und ihre eventuelle Verwendung in solchen Anwendungen weiter zu verbessern“, sagt Ye.
