Gravitationswellen — Astronomie, 14–17 Jahre
Gewaltige Bewegungen massereicher Objekte können Wellen durch die Raumzeit schicken. Das Messen dieser Wellen lässt die Astronomie Ereignisse wie verschmelzende Schwarze Löcher auf eine Weise entdecken, die gewöhnliches Licht nicht ermöglicht.
Wellen in der Raumzeit
In Einsteins Beschreibung verändern Masse und Energie die Form der Raumzeit. Wenn sehr massereiche Objekte ungleichmäßig beschleunigt werden, kann sich diese Veränderung als Gravitationswelle nach außen ausbreiten. Die Welle dehnt den Raum in einer Richtung ein wenig und drückt ihn in der senkrechten Richtung zusammen, bevor sie das Muster umkehrt.
Ein neuer Sinn für die Astronomie
Die Astronomie beobachtete das Universum meist durch Licht, doch manche Objekte sind dunkel oder von Staub verdeckt. Einstein sagte Gravitationswellen 1916 voraus, aber bei ihrer Ankunft auf der Erde sind sie außergewöhnlich schwach. 2015 maß LIGO das erste direkte Signal von zwei Schwarzen Löchern, die umeinander spiralten. Damit begann eine neue Art, das Universum zu beobachten.
Eine winzige Längenänderung
LIGO hat zwei senkrechte Arme, die jeweils 4 km lang sind. Angenommen, eine Welle erzeugt eine Dehnung von 1 zu 10²¹. Die Änderung eines Arms beträgt: 4 000 m × 10⁻²¹ = 4 × 10⁻¹⁸ m. Das ist viel kleiner als ein Proton. Der Detektor vergleicht die Laufzeiten des Lasers in beiden Armen, weil eine Länge zunimmt, während die andere abnimmt.
Keine Wellen, die durch Luft laufen
Beim Wort Welle denken viele an Schall, Wasser oder ein Radiosignal, das sich durch einen Stoff bewegt. Der Vergleich ist verständlich, weil alle regelmäßige Veränderungen zeigen und Informationen tragen können. Eine Gravitationswelle ist jedoch eine veränderliche Verzerrung der Raumzeit selbst und braucht deshalb keine Luft oder andere Materie. Sie schiebt Gegenstände auch nicht wie eine starke Stoßwelle vor sich her.
Unsichtbare Verschmelzungen hören
Gravitationswellen-Observatorien können die letzten Augenblicke der Verschmelzung Schwarzer Löcher oder Neutronensterne messen, selbst wenn kaum Licht entkommt. Mehrere Observatorien vergleichen die Ankunftszeiten und schätzen, wo das Ereignis stattfand. Bei verschmelzenden Neutronensternen können Teleskope zusätzlich einen hellen Lichtblitz finden und dasselbe Ereignis durch Schwerkraft und Licht untersuchen.
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