Gravitationswellen

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die durch einige der gewalttätigsten und energiereichsten Prozesse im Universum verursacht werden. Albert Einstein sagte die Existenz von Gravitationswellen 1916 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie voraus. Sie werden von massiven beschleunigten Objekten wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern erzeugt, die sich umeinander bewegen.

Binäre Schwarzes-Loch-Evolution

Wenn sich zwei Schwarze Löcher umeinander bewegen, emittieren sie Gravitationswellen, die Energie aus dem System tragen. Dies verursacht, dass die Schwarzen Löcher nach innen spiralen (Inspiral), sich schließlich zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen (Merger) und sich dann beruhigen, wenn das verschmolzene Schwarze Loch in einen stabilen Zustand eintaktet (Ringdown). Jede Phase erzeugt charakteristische Gravitationswellensignale.

Inspiral-Phase

Während der Inspiral-Phase spiralen die Schwarzen Löcher allmählich nach innen, während sie Energie durch Gravitationsstrahlung verlieren. Die Frequenz und Amplitude der Gravitationswellen nehmen mit der Zeit zu und erzeugen ein charakteristisches 'Chirp'-Signal. Diese Phase kann Millionen von Jahren dauern für Stern-massige Schwarze Löcher.

Merger-Phase

Die Merger-Phase tritt auf, wenn die Schwarzen Löcher schließlich kollidieren und sich kombinieren. Dies ist der energiereichste Teil des Ereignisses und setzt enorme Mengen an Gravitationswellenenergie in einem Bruchteil einer Sekunde frei. Die Wellenform erreicht während dieser Phase ihre maximale Amplitude und Frequenz.

Ringdown-Phase

Nach der Fusion ist das resultierende Schwarze Loch hochgradig verzerrt und strahlt seine Verformungen schnell als Gravitationswellen ab. Die Frequenz und Amplitude nehmen exponentiell ab, während sich das Schwarze Loch zu einem stabilen Kerr-(rotierenden)-Schwarzen Loch beruhigt. Diese 'Ringdown'-Phase trägt Informationen über die Masse und den Drehimpuls des endgültigen Schwarzen Lochs.

LIGO-Detektion

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detektiert Gravitationswellen mit Michelson-Interferometern mit 4 km Armen. Durchgehende Gravitationswellen ändern die Armlängen um etwa 1/10 000 der Breite eines Protons, was als Phasenverschiebung im Laserlicht detektiert wird. Die erste Detektion, GW150914, stammte von verschmelzenden Schwarzen Löchern von 36 und 29 Sonnenmassen in einer Entfernung von 410 Mpc.

Gravitationswellen-Quellen

Verschiedene astrophysikalische Quellen erzeugen Gravitationswellen bei verschiedenen Frequenzen: Binäre Neutronensterne (10-1000 Hz), binäre Schwarze Löcher (10-1000 Hz), Supernovae (kHz), Pulsare (kontinuierliche Wellen) und der stochastische Hintergrund vom frühen Universum. Jede Quelle hat einzigartige spektrale und zeitliche Merkmale.