Gravitationswellen gehören zu den spannendsten Werkzeugen der modernen Astronomie. Seit ihrer ersten direkten Messung im Jahr 2015 liefern sie Informationen über verschmelzende Schwarze Löcher oder kollidierende Neutronensterne. Solche Ereignisse erzeugen winzige Wellen in der Raumzeit, die sich durch einen ansonsten weitgehend ruhigen Kosmos ausbreiten.
Doch was passiert, wenn nicht nur einzelne Objekte Schwingungen verursachen, sondern der kosmische Hintergrund selbst in Bewegung ist? Genau dieser Frage ist ein Forschungsteam der Leibniz Universität Hannover nachgegangen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben erstmals berechnet, welche Größe ein Gravitationswellendetektor in einem expandierenden Universum tatsächlich messen würde. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in den Physical Review Letters.
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Das Problem: Der Hintergrund des Universums ist nicht statisch
Bei klassischen Gravitationswellen ist die Situation vergleichsweise übersichtlich. Zwei Schwarze Löcher verschmelzen, senden eine Welle aus und diese verändert auf ihrem Weg durch das All minimal die Abstände zwischen frei schwebenden Objekten. Genau diese winzigen Längenänderungen registrieren Detektoren wie LIGO.
In der Kosmologie sieht das anders aus. Hier betrachtet man das Universum als Ganzes. Es dehnt sich aus, Materie verteilt sich nicht völlig gleichmäßig und kleinste Dichteschwankungen versetzen die Raumzeit überall in leichte Bewegung. Dadurch verschwimmt die Grenze zwischen dem eigentlichen Hintergrund und einer Gravitationswelle.
Das ist mehr als eine akademische Frage. Denn unterschiedliche mathematische Beschreibungen des Universums führten bislang zu unterschiedlichen Vorhersagen darüber, wie stark solche kosmischen Gravitationswellen ausfallen müssten. Physikalisch dürfte das aber nicht sein. Ein Messgerät sollte unabhängig davon dasselbe Ergebnis liefern.
Eine Art Gedankenexperiment mit Licht und Atomuhren
Das Team um Dr. Guillem Domènech verfolgte deshalb einen ungewöhnlichen Ansatz. Statt nur mathematische Gleichungen zu vergleichen, modellierten die Forschenden ein realistisches Messprinzip.
In ihrem Modell tauschen zwei frei fallende Testmassen – vereinfacht gesprochen könnten es auch zwei hochpräzise Atomuhren sein – Lichtsignale miteinander aus. Zieht eine Gravitationswelle vorbei, verändert sich die Laufzeit des Lichts geringfügig. Genau diese Änderung würde später auch ein echter Gravitationswellendetektor registrieren.
„Gravitationswellendetektoren messen die Unterschiede in den Frequenzen und Ankunftszeiten von Lichtstrahlen“, erklärt Erstautor Guillem Domènech.
Weiter sagt er: „Wir berechnen diese Größen exakt innerhalb einer expandierenden Raumzeit und unterscheiden deutlich zwischen dem, was tatsächlich messbar ist, und Effekten, die auf der mathematischen Beschreibung beruhen.“
Die Forschenden lösen damit ein Problem, das in der Fachwelt als sogenannte Gauge-Ambiguität bekannt ist. Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, dass physikalische Vorhersagen nicht von der Wahl des mathematischen Koordinatensystems abhängen dürfen. Genau diesen Nachweis liefert die neue Arbeit.
Besonders wichtig für die Frühzeit des Universums
Die Studie beschäftigt sich vor allem mit sogenannten Gravitationswellen zweiter Ordnung. Sie entstehen nicht direkt durch spektakuläre Ereignisse wie Schwarze-Loch-Kollisionen, sondern können aus den winzigen Dichteschwankungen hervorgehen, die bereits kurz nach dem Urknall vorhanden waren.
Solche primordialen Gravitationswellen gelten als möglicher Schlüssel zur Frühgeschichte des Kosmos. Sie könnten Informationen über Epochen liefern, die sich mit herkömmlichen Teleskopen nicht beobachten lassen.
Bislang war allerdings nicht eindeutig geklärt, welche theoretisch berechneten Signale überhaupt einer realen Messung entsprechen würden. Genau hier setzt die neue Arbeit an.
Warum das für künftige Missionen relevant ist
Die Ergebnisse schaffen eine gemeinsame Grundlage für Theorie und Experiment. Die Forschenden zeigen, dass das tatsächlich messbare Signal mit einer bestimmten mathematischen Beschreibung – dem sogenannten Newton-Gauge – übereinstimmt. Das galt bislang zwar als wahrscheinlich, war aber nie direkt aus einem realistischen Detektormodell hergeleitet worden.
Davon könnten künftig verschiedene Projekte profitieren:
- Pulsar Timing Arrays, die extrem regelmäßige Radiopulse ferner Neutronensterne auswerten,
- das geplante Weltraum-Observatorium LISA,
- sowie zukünftige Experimente zur Suche nach primordialen Gravitationswellen.
Die Studie bedeutet allerdings nicht, dass diese Signale bereits entdeckt wurden. Vielmehr wissen Forschende nun deutlich genauer, wonach sie überhaupt suchen müssen und welche theoretischen Vorhersagen direkt mit Messdaten verglichen werden können.
Ein wichtiger Baustein für die Gravitationswellenforschung
Die erste direkte Messung von Gravitationswellen vor zehn Jahren zeigte, dass sich selbst winzige Verzerrungen der Raumzeit nachweisen lassen. Die neue Arbeit geht einen Schritt weiter. Sie beantwortet eine grundlegende Frage der Kosmologie: Was misst ein Detektor eigentlich, wenn nicht nur einzelne Objekte schwingen, sondern der gesamte kosmische Hintergrund in Bewegung ist?
Die Antwort darauf könnte in Zukunft helfen, noch ältere Signale aus der Frühphase des Universums zuverlässig zu identifizieren – lange bevor sich Sterne und Galaxien gebildet haben.
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