Überblick

Der Quelle auf der Spur

Der direkte experimentelle Nachweis und die Analyse von Gravitationswellen sind möglich, wenn es gelingt, sie analytisch zu modellieren.

  • Gerhard Schäfer
  • 02 / 2017 Seite: 35

Wenn Gravitationswellen direkt gemessen werden sollen, spielen Abstandsmessungen von einem Tausendstel des Protonendurchmessers und sogar darunter eine Rolle. Ein effizienter Algorithmus, der die erwarteten Gravitationswellensignale vom Untergrund der Detektoren trennt, ist für den Nachweis der Wellen unverzichtbar. Die analytische Modellierung von Gravitationswellen hilft dabei, die Parameter des Quellsystems der Welle zu bestimmen.

Fast genau hundert Jahre nach Einsteins epochaler Theorie der Gravitation und seinen Rechnungen zu Gravitationswellen [1] gelang am 14. September 2015 der erste direkte Nachweis einer Gravitationswelle [2]. Ohne Zweifel ist es damit nun möglich, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) in vollem Umfang physikalisch zu nutzen. Dazu gehört es, Schwarze Löcher detailliert zu erforschen. Diese Objekte sind eine spektakuläre Vorhersage der ART und gleichzeitig die Quelle der bisher beobachteten Gravitationswellen. Diese wurden – analog zu anderen astronomischen Ereignissen wie Supernova-Explosionen – nach dem Datum ihrer Entdeckung GW150914 [3] und GW151226 [4] benannt. Um die winzigen Signale aufzufinden, waren analytische Modelle ausschlaggebend, welche die möglichen Gravitationswellen mathematisch beschreiben. Die Modellierung im Fall zweier verschmelzender Schwarzer Löcher wird im Folgenden erklärt.

Die Newtonsche Theorie beschreibt physikalische Vorgänge in Gravitationsfeldern mit bemerkenswerter Genauigkeit. Erst in ,,exotischen“ Bereichen, beispielsweise bei sehr großen Feldstärken, finden sich Abweichungen von dieser Beschreibung. Als Ausgangspunkt für die explizite analytische Lösung der Feldgleichun­gen der ART liegt es nahe, die Newtonschen Gleichun­gen zu verwenden [5]. Denn die Feldgleichungen der ART verallgemeinern die Newtonschen Potential- und Bewegungsgleichungen und gehen im Grenzfall einer unendlich großen Lichtgeschwindigkeit (c → ∞) in diese über...

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