Albert Einstein postulierte im Jahr 1916 die Existenz von Gravitationswellen, da sich diese Verzerrungen der vierdimensionalen Raumzeit aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie ergeben. Die Theorie besagt, dass zwei Massen nicht mehr wie von Newton beschrieben über die Schwerkraft in Wechselwirkung treten, sondern dass die Materie die Raumzeit in ihrer Umgebung verformt und beeinflusst. Das bedeutet, dass ein Körper, wenn er in die Nähe dieser Verformung gerät, abgelenkt wird und auf eine krumme Bahn gezwungen wird. Jedes Mal, wenn Materie in der Raumzeit den Bewegungszustand, also z.B. Geschwindigkeit oder Richtung ändert, entstehen Schwingungen, sogenannte Gravitationswellen. Je kompakter und massereicher die Objekte (Schwarze Löcher, Neutronensterne etc.) sind, desto stärker ist der Effekt ausgeprägt. Gravitationswellen breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus, sind transversal und besitzen zwei Polarisationsfreiheitsgrade. Sie sind in der Lage, die Metrik der Raumzeit temporär zu beeinflussen und Massen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung zu beschleunigen. Die Frequenz der Wellen liegt zwischen 10-18 Hz bis 104 Hz [1], [2], [3], [4].
Dadurch, dass die Wechselwirkung von Materie und Gravitationswellen extrem schwach ist, ist es schwer sie zu messen. Im September 2015 gelang es Physikern das erste Mal, Gravitationswellen mit Hilfe von Advanced-LIGO-Detektoren (Abk. für „Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“) in den USA nachzuweisen. Diese Anlage besteht aus kilometerlangen Röhren, durch welche Laserstrahlen geleitet werden, um die Verzerrung des Raumes zwischen zwei Messpunkten zu ermitteln. Das gemessene Signal ging von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren aus, die sich zunächst immer näherkamen und schließlich miteinander verschmolzen [1], [5], [6], [7].
[1] Welt der Physik: Gravitationswellen (Link: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/gravitationswellen/), aufgerufen am 25.05.2020 [2] Spektrum der Wissenschaft, Heft 12/15: Warten auf die Welle, Felicitas Mokler [3] Spektrum: Lexikon der Physik: Gravitationswellen (Link: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/gravitationswellen/6101), aufgerufen am 25.05.2020 [4] Einstein, Albert: Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie, Annalen der Physik, Vierte Folge, Band 49 [5] DLR_next Was sind Gravitationswellen? (Link: https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6568/10784_read-24345/), aufgerufen am 25.05.2020 [6] Abbott, B.P.; et. Al.: LIGO: The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory; Reports on Progress in Physics, 05/2009 [7] GEO600 Gravitational Wave Detector: Was ist GEO600? (Link: https://www.geo600.org/1219076/About-GEO600), aufgerufen am 27.08.2020Weiterführende Literatur:
[8] Abbott, B.P.; et. Al.: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger; Physical Review Letters; 02/2016 [9] Canfora, F.; Vilasi, G.: Spin-1 gravitational waves and their natural sources; Physics Letter B, 02/2004 [10] Freise, Andreas; Strain, Kenneth: Interferometer Techniques for Gravitational-Wave Detection; Living reviews in relativity, 02/2010 [11] Portilla, M.; Lapiedra, R.: Generation of high frequency gravitational waves; Physical Review D, 01/2001 [12] Sathyaprakash, B.S.; Schutz, Bernhard F.: Physics, Astrophysical and Cosmology with Gravitational Waves; Living Reviews in Relativity, 03/2009