Gravitationswellen

Gravitationswellen sind Wellen der Raumzeit, die durch beschleunigte Massen erzeugt werden. Nach der Allgemeine Relativitätstheorie entstehen sie, wenn sich die Masseverteilung zeitlich verändert und eine nichttriviale, quadrupolare Komponente aufweist. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und transportieren Energie und Impuls durch den Raum. Die Welle erzeugt extrem kleine Verzerrungen des Abstandes von Messpunkten, typischerweise Strainwerte um 10^-21.

Eigenschaften: Gravitationswellen sind transversale Wellen mit zwei Polarisationszuständen, oft als 'Plus' und 'Kreuz' bezeichnet. Sie sind abhängig von der Richtung ihres Ausbreitungsvektors; in Detektoren in der Erde wirken sie als zeitlich veränderliche Längenänderungen, die interferometrisch gemessen werden. Die amplituden sind winzig; typischer Strain von 10^-21, was Messtechniken auf extreme Präzision erfordert.

Geschichte und Nachweise: Die Theorie sagte sie vorher; der erste indirekte Nachweis kam 1974 durch den Hulse-Taylor-Pulsar, dessen Orbitalabnahme dem Energieverlust durch Gravitationswellen entsprach. Die erste direkte Messung gelang dem LIGO-Detektionsprojekt im Jahr 2015 mit GW150914, einem Verschmelzungsereignis zweier schwarzer Löcher. Seitdem wurden weitere Ereignisse von LIGO, Virgo und KAGRA beobachtet; 2017 ereignete sich der Binär-Neutronensternverschmelzung GW170817, begleitet von Gamma-Strahlung, was eine neue Ära der Multi-Messenger-Astronomie eröffnete.

Quellen und Perspektiven: Wichtige astrophysikalische Quellen sind verschmelzende Schwarze Löcher, Neutronenstern-Paare, kompakte Binärer mit schwarzem Loch, sowie spontane Ereignisse wie Kernkollaps-Supernovae. Frequenzbereiche: terrestrische Detektoren arbeiten im Bereich ca. 10 Hz bis kHz; Weltraumdetektoren wie LISA (Geplant) im mHz-Bereich; Pulsar-Timing-Arrays erreichen nHz. Gravitationswellen ermöglichen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie, Messung von orbitalen Eigenschaften, Messung der Hubble-Konstante durch standard sirens.