Gravitationswellen äußern sich durch rhythmische Stauchungen und Dehnungen des Raums, das heißt die Abstände zwischen Objekten im Raum ändern sich. Doch was sind Gravitationswellen und was erhoffen sich die Astrophysiker durch sie über das Universum zu erfahren?

Unter den durchweg recht jungen Bereichen der Astroteilchenphysik ist die Gravitationswellenforschung am jüngsten. Ihre Wurzeln reichen jedoch weit zurück, bis ins Jahr 1915. Damals vollendete Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie und schuf damit ein neues Weltbild. Die Schwerkraft (Gravitation) ist bei ihm keine Kraft mehr wie noch bei Newton, sondern eine Eigenschaft von Raum und Zeit. Massen verzerren die Raumzeit, und diese Verzerrung beeinflusst die Bewegung von Licht und Materie. Auch die Erde beispielsweise krümmt die umgebende Raumzeit. Eine vorbeifliegende Raumsonde wird hierin abgelenkt und auch die Bahn des Mondes ist eine Folge der Raumkrümmung. Wenn Massen sich beschleunigt bewegen, erzeugen sie in der Raumzeitgeometrie Störungen, die wellenartige mit Lichtgeschwindigkeit den Raum durcheilen. Das sind Gravitationswellen. Man kann sich dies ähnlich vorstellen, wie sich ausbreitende Wellen auf einem Teich, in den man einen Stein geworfen hat. Der Durchgang einer Gravitationswelle äußert sich durch rhythmische Stauchungen und Dehnungen des Raums, das heißt die Abstände zwischen Objekten im Raum ändern sich. Einstein selbst glaubte, der Effekt sei so klein, dass man Gravitationswellen wohl nie beobachten wird, wie er 1916 in seiner Arbeit schrieb. Heute gibt es weltweit mehrere Anlagen, um sie aufzuspüren, und Theoriegruppen beschäftigen sich zunehmend mit diesem Phänomen.

Große Ursache, kleine Wirkung

Einsteins Pessimismus war damals durchaus berechtigt, denn die Leistungen von Gravitationswellen sind überaus gering und die daraus resultierende „Kräuselung“ der Raumzeit extrem klein. So strahlt die Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne Gravitationswellen mit einer Leistung von nur 200 Watt ab, Jupiter bringt es immerhin schon auf 5300 Watt. Das sind jedoch äußerst bescheidene Werte im Vergleich zu den wahren Größen im Universum. Zwei kompakte Neutronensterne beispielsweise, die sich im Abstand von hundert Kilometern mit einer Periode von einer hundertstel Sekunde umkreisen, erzeugen eine Leistung von \(10^{45}\) Watt. In dieser Größenordnung liegt auch die in Form von Gravitationswellen abgestrahlte Leistung bei einer Supernova. Ereignisse dieser Art wollen Gravitationsphysiker messen. Doch selbst bei einer im kosmischen Maßstab vergleichsweise nahen Supernova in einer Nachbargalaxie verändert die entstehende Gravitationswelle den Abstand zwischen Erde und Sonne nur um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms, und das auch nur für wenige tausendstel Sekunden. Für kürzere Messstrecken ist die Stauchung entsprechend kleiner: Der Abstand zwischen Testobjekten, die einen Kilometer voneinander entfernt sind, ändert sich nur um ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons. Diese extrem geringe Längenänderung verdeutlicht die technischen Herausforderungen beim Bau eines Gravitationswellen- Detektors.

Gravitationswellen gehören zu den wenigen von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Phänomenen, die bislang nicht direkt nachgewiesen werden konnten. Die erste zweifelsfreie Messung wäre somit eine weitere Bestätigung von Einsteins Theorie. Gleichzeitig enthalten Gravitationswellen Informationen über Vorgänge im Kosmos, die man auf keine andere Art und Weise erhalten kann.

Die energiereichsten Vorgänge im Kosmos

Gravitationswellen werden zwar von allen beschleunigt bewegten Körpern ausgesandt, aber die Chance, sie nachzuweisen, besteht nur bei den energiereichsten Vorgängen im Kosmos. Voraussichtlich lassen sich folgende Objekte beobachten.

Supernovae Typ II: Wenn ein massereicher Stern seinen Brennstoff verbraucht hat, bricht sein Kernbereich zu einem Neutronenstern zusammen, während er seine äußere Hülle mit großer Geschwindigkeit ins All abstößt. Hierbei werden auch Gravitationswellen abgestrahlt. Die Forscher hoffen, Ereignisse empfangen zu können, die bis zu etwa siebzig Millionen Lichtjahre entfernt sind. Dann wäre auch der Virgo-Galaxienhaufen noch im „Blickfeld“, in dem sich mehrere Supernovae pro Jahr ereignen sollten.

Enge Doppelsysteme, bestehend aus Neutronensternen und/oder Schwarzen Löchern: Die von diesen Systemen abgestrahlten Gravitationswellen sollten Frequenzen zwischen etwa zehn und hundert Hertz besitzen und ebenfalls nachweisbar sein. Besonders spektakulär müsste das Signal von zwei verschmelzenden kompakten Objekten sein. Deren Häufigkeit ist aber noch unsicher.

Schnell rotierende Neutronensterne: Auch diese Körper senden Gravitationswellen aus, sofern sie nicht vollkommen symmetrische Kugelform besitzen. Die typischen Frequenzen liegen hier zwischen zehn und tausend Hertz.

Der Urknall: Die Entstehung des Universums im Urknall war der heftigste Vorgang in der Geschichte des Kosmos. Nach heutigen Theorien sollten damals auch Gravitationswellen entstanden sein, die heute das Universum als allgegenwärtiges Rauschen durchziehen. Die heutige Generation erdgebundener Empfänger kann dieses Signal nicht nachweisen. Vielleicht wird dies mit dem geplanten Weltraum-Interferometer LISA oder einer späteren Generation von Gravitationswellen-Observatorien möglich sein.

Mit der Messung von Gravitationswellen, energiereichen Gammastrahlen und Neutrinos öffnen Astrophysiker neue „Fenster zum All“, die ihnen Einblicke in bislang unerforschte Gebiete gewähren. Am Ende stehen vielleicht Antworten auf die modernen Fragen nach der Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie, letztlich also nach der Entstehung und Entwicklung des Universums.