12.02.2016
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Gravitationswellen nachgewiesen

Gravitationswellen: Die Zweite

Am 4. Dezember 2015 haben wir in dem News-Beitrag „Gravitationswellen“ gefragt: Kann man sie nachweisen? Ein indirekter Nachweis war ja bereits Russell Hulse und Joseph Taylor 1974 gelungen anhand des Doppelsystems PSR1913+16, bestehend aus einem Neutronenstern und einem Pulsar. Durch das Kreisen um den gemeinsamen Schwerpunkt erzeugen die Objekte starke Verwerfungen in der Raumzeit und verlieren dabei kontinuierlich Energie. Dadurch nähern sie sich einander pro Jahr etwa 3,5 Meter an und diese Änderung der Bahnparameter wurde nachgewiesen (Nobelpreis 1993). Aber ein direkter Nachweis, eine Messung der Gravitationswellen, jener Prognose, die Albert Einstein vor rund 100 Jahren aufgestellt hatte, diese Trauben schienen zu hoch zu hängen. Einstein selbst erachtete es als unmöglich, Messungen jemals mit der nötigen Präzision durchzuführen. Wir sprechen hier von relativen Stauchungen und Dehnungen der Raumzeit in der Größenordnung von 10 -21, das entspricht einem Atomdurchmesser im Verhältnis zur Entfernung Sonne Erde.

Zu allem Überfluss haben die Kollegen ihren größten Triumpf am 14 September 2015 auch noch verschlafen – die Gravitationswelle wurde nämlich in den frühen Morgenstunden in Hanford und Livingston (beide USA) aufgezeichnet, mit einer zeitlichen Differenz von 7 Millisekunden. So kam es, dass die Entdeckung hier in Deutschland (Hannover) um 10:50:45 Uhr unserer Zeit zuerst aufgefallen war.

 

gravitationswellen3 hanford livingston

Hanford Livingston - (Bild: Caltech/MIT/LIGO Lab)

Erläutern wir kurz die Funktion der beiden Observatorien. Im Prinzip handelt es sich dabei um zwei riesige Michelson-Interferometer mit Armen von mehreren Kilometern Länge. Das von einem Laser emittierte Licht wird mittels Strahlteiler in die beiden Arme gelenkt, an deren Ende von Spiegel reflektiert und über den erwähnten Strahlteiler wieder zusammengeführt. Das dabei resultierende Interferenzmuster wird von einem Detektor analysiert. Trifft eine Gravitationswelle auf diese Anordnung, so wird einer der Arme kurzfristig gestaucht, der andere gleichzeitig etwas gelängt. Nach einer halben Periode kehren sich die Verhältnisse um: der zuvor gestauchte Arm wird nun gelängt, während der andere gestaucht wird. Aufgrund dessen kommt es zu einer Phasenverschiebung der beiden an den Spiegeln reflektierten Lichtwellen, was sich als Störung des vom Detektor registrierten Interferenzmusters bemerkbar macht. Die nachfolgende Grafik veranschaulicht den Aufbau der Observatorien.

gravitationswellen

(Bild: B. P. Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016)

 

Verursacht wurden die Raumzeitwellen durch die Verschmelzung zweier umeinander kreisender Schwarzer Löcher (SL) mit Massen von rund 36 bzw. 29 Sonnenmassen zu einem SL von rund 62 Sonnenmassen. Die Differenz von 3 Sonnenmassen wurde in Form von Gravitationswellen abgestrahlt, die rund 1,2 Milliarden Jahre später auf der Erde ankamen. Heute ist der Ort an dem die „Vereinigung“ stattgefunden hat 390 Mpc, bzw. 1,27 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Die nachfolgende Grafik veranschaulicht den Prozess der Verschmelzung. Interessant ist der am unteren Bildrand über einen Zeitraum von 0,3 Sekunden dargestellte Verlauf der Signalstärke der beiden Detektoren.

gravitationswellen2

(Quelle: www.starobserver.org, bzw. Astronomy Picture of the Day 11.02.2016)

Abschließend stellt sich noch die Frage wie vertrauenerweckend das Ergebnis ist. Nachdem in letzter Zeit einige voreilige Publikationen erschienen, ist Skepsis angebracht. Zahlreiche Prüfungen heben jedoch das Ergebnis auf ein Vertrauensniveau von etwas mehr als 5-Sigma. Das bedeutet: die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein derartiges Ergebnis zufällig auch ohne den Durchgang einer Gravitationswelle einstellt, ist mit 1 zu 3,5 Millionen extrem klein.

Welche Bedeutung hat der Nachweis für die Wissenschaft?

Mit der ersten Detektion von Gravitationswellen hat sich ein weiteres Fenster ins Weltall einen Spalt weit geöffnet. Sobald weitere Anlagen in Betrieb gehen (VIRGO und KAGRA) werden wir in der Lage sein, Triangulation zu betreiben, d.h. die Herkunft der Signale zu bestimmen. Damit werden wir das Eintreffen von Gravitationswellen aus kosmischen Ereignissen vergleichen mit den Photonen dieser Phänomene und Aufschluss gewinnen über die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitationswellen. Daran geknüpft ist auch die Frage, ob ein potentielles Graviton masselos ist.

Nicht zuletzt bestätigt dieser Gravitationswellen-Nachweis auch die Existenz von SL-Doppelsystemen stellarer Masse. Ein willkommenes Nebenergebnis der Theorie zur Verschmelzung Schwarzer Löcher.

Salopp formuliert könnte man sagen, ein weiteres Tor zu den Rätseln dieser Welt steht uns offen. Neben der dunklen Seite des Universums bekommen wir es jetzt auch noch mit der verbeulten Seite zu tun. – Und Einstein? Er hat wieder einmal Recht behalten. In Bayern würdigt man derart außergewöhnliche Persönlichkeiten mit der Bemerkung: A Hund war a scho.

Personen in dieser Konversation

  • Gast - Siegfried Marquardt

    Es wäre noch hinzuzufügen, dass Einstein nicht 1915 sein Plagiat zu den Gravitationswellen veröffentlichte, sondern erst am 18. März 1918. Und die Erkenntnisse zu den Gravitationswellen stammen nicht von Einstein, sondern von dem französischen Mathematiker und Physiker Henri Poincarè, der sich bereits 1905 mit dem Phänomen von Gravitationswellen beschäftigte! Es ist zu vermuten, dass Deutschland, das den 1. Weltkrige verlor, Einstein vereinahmte, um noch den geistigen Sieg über Frankreich im Nachhinein zu erzielen.
    Literaturrecherchen ergaben, dass das maximale Auflösungsvermögen von modersten Laserinterferometer 1 nm ( 10hoch-9 m)beträgt! Damit wären die forschen Forscher aus den USA und Deutschland, samt der Max-Planck-Gesellschaft und den Einstein-Institute brillant widerlegt, die angeblich eine Amplitude von 10hoch- 21 gemessen haben sollen!
    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen

  • Gast - Dieter

    @ Siegfried Marquardt

    #138 - Niemand behauptet, dass Gravitationswellen mit elektromagnetischen Wellen interferieren

    #127 - Die gemessene Längenänderung ist in der Tat sehr klein. Der Vergleich mit 1/1000 Protondurchmesser ist jedoch von vornherein ungeeignet, weil dieser Durchmesser sehr stark davon abhängt wie man ihn misst. Viele Größenordnungen Spielraum für Interpretation! Andererseits ist die Auflösung eines Michelson-Interferometers um Größenordnungen genauer als λ/2, mit der Wertung "wissenschaftlicher Humbug" sollten Sie etwas vorsichtiger umgehen!

  • Gast - Siegfried Marquardt

    Gravitationswellen können nicht mit elektromagnetischen Wellen interferieren!
    Im Moment der Fusion der beider Schwarzen Löcher entstehen Gravitationswellen mit einer Amplitude von 10-21 m bei einer Frequenz von 1 kHz. Wie sollen diese Wellen mit einer Wellenlänge von
    λGW=3*108 m/s: 10³ Hz= 3*105 m (1)
    mit den Wellen des sichtbaren Laserlichtes im grünen Bereich mit einer Wellenlänge von 550 nm und einer Frequenz von ca. 1015 Herz interferieren können? Im Interferometer wird sich keine Interferenz der beiden extrem unterschiedlichen Wellentypen abbilden können. Ja, wie sollten den Gravitations- und elektromagnetische Wellen miteinander interferieren können? Dies wäre ja quasi so, als wenn Schallwellen mit elektromagnetische Wellen, oder Wasserwellen mit Schallwellen interferieren. Und die winzige Energie eines Gravitons mit
    EGW=h*νGW=6,625 *10-34 Ws²*1000 Hz ≈ 6*10-31 Ws (2)
    zu einem Photon mit der Energie von
    EPh=h*νPh=6,625 *10-34 Ws²*1015 Hz ≈ 4*10-19 Ws (3)
    verhält sich wie Eins zu 1012. Das winzige Graviton kann gar keine physikalische Wirkung auf das Photon ausüben!

  • Gast - Siegfried Marquardt

    Wissenschaftlicher Humbug!
    Wie den Medien zu entnehmen war, wollen die amerikanischen Physiker mit ihrem Observatorium zum Nachweis von Gravitationswellen angeblich die Längenänderung von einem Tausendstel des Durchmessers eines Wasserstoffatomkerns gemessen haben. Dies ist zurzeit absolut unmöglich! Denn der Durchmesser eines Wasserstoffprotons beträgt DH2p= 2,8*10-15 m. Ein Tausendstel davon wären nach Adam Ries dann 2,8*10-18 m. Übrigens erzeugt jede natürliche Erschütterung (vorbeifahrendes Auto, ja ein Fußgänger) in der Umgebung des Observatoriums eine bedeutend größere Erschütterung und Abweichung, wie die angeblich gemessene Längendifferenz von ∆s=2,8*10-18 m. Unabhängig davon, beträgt die maximale Auflösung von Licht allgemein 0,5 der Wellenlänge oder ∆λ = λ/2. Da vom Laser des amerikanischen Observatoriums zur Detektion von Gravitationswellen nicht der Wellenbereich angegeben wurde, soll das gesamte sichtbare Spektrum für die Berechnung des Auflösungsvermögens betrachtet werden. Das sichtbare Spektrum der Wellenlängen reicht von ca. 390 nm (Nanometer – ein Milliardstel Meter) bis ca. 780 nm. Die Spannweite des Auflösungsvermögens bewegt sich also von 195 nm bis 390 nm. Dies sind rund 2*10-7 bis 4*10-7 m. He-Ne-Laser im Infrarotbereich arbeiten mit einer Wellenlänge von ca. 3400 nm. Das Auflösungsvermögen beträgt also in diesem Falle ca. 1,7* 10-6 m und liegt um 12 Potenzen unter dem erforderlichen Auflösungsvermögen von 2,8 *10-18 m. Nun könnten die amerikanischen Forscher ganz clever gewesen sein und die Laufzeitdifferenz gemessen haben. Da ergibt eine noch katastrophalere Bilanz! Die Laufzeitdifferenz ∆t beträgt nämlich zirka 10-26 s. Denn:
    ∆t= ∆s:c= 2,8*10-18 m: 3*108 m/s ≈ 10-26s. (1)
    Das Auflösungsvermögen von optischen Atomuhren beträgt gegenwärtig 10-17 s und liegt damit deutlich unter dem hypothetisch berechneten Auflösungsvermögen. Und bei der Betrachtung der Energiebilanz wird deutlich, dass aus einer Entfernung von
    s= t*c=1,3 *109*365*24*3600 s* 300.000 km/s ≈ 1,3*109*3,2 *107*3*105 km ≈
    1,2*1022 km (2)
    von der Energie der drei Sonnen mit der Energie
    ESL=m*c²= 3*2*1030 kg* 9*1016 m²/s² ≈ 5,4*1047 J (Joule) (3)
    nur noch rund
    EE=9*10 9 J=9*109 Ws ≈ 2500 kWh (4)
    auf die Erdatmosphäre auftreffen und dann von ihr mit Sicherheit total absorbiert würden. Denn es gilt
    EE= ESL: [(16*ASL:AE)* (R²:RE²]. (5)
    weil die Energiedichte mit dem Quadrat der Entfernung vom Fusionsort der beiden schwarzen Löcher mit einer Gesamtmasse von 29+36=65 Sonnenmassen abnimmt und sich im Raum homogen verteilt. Anderseits bildet die Erde in Relation zu den beiden schwarzen Löchern nur eine ganz geringe Fläche, wobei sich das Verhältnis der beiden Flächen von den schwarzen Löchern mit dem Radius rSL und der Erde mit dem Radius rE allgemein wie folgt errechnet:
    n=³√(65)²rSL²: rE². (6)
    Damit ergibt sich eine Energie von
    EE= 5,4*1047 J: [(16*0,5*1012): (41*106)]*[(1,44*1044: 0,5*1012)] ≈
    9*109 J=9*109 Ws ≈ 2500 kWh (7)
    die auf die Erdoberfläche gelangen würde. Zum Observatorium selbst würden gerade einmal 0,4 J gelangen, wenn man das Flächenverhältnis der Erde in Relation zur Ausdehnung des Observatoriums setzt, wie leicht nachzurechnen ist. Nach einem anderen Modell wird wohl streng genommen nicht ein J auf der Erde ankommen können, weil das All vom kosmischen Staub und den Planeten auf einer Entfernung von E=1,2*1022 km zur Erde völlig dicht und abgeschirmt sein muss, Und dies ist nun fast mehr als Nichts, einmal ganz salopp und skurril formuliert! Eine andere Frage wäre noch von Interesse: Wie verändert sich das Gravitationsfeld zwischen Fusionsraum der schwarzen Löcher und der Erde, wenn die drei Sonnenmassen in Energie verwandelt wird? Nach dem Newtonschen Gesetz ändert sich das Gravitationsfeld wie folgt:
    ∆F= γ*ME*MSL:r²= 6,76*10-11*6*1024*2*1030*3 N: 1,44*1044 ≈17 N.
    Es wirkt also eine Kraftänderung von 17 N auf die gesamte Erde ein. Diese Kraft ist nicht in der Lage, eine merkliche Änderung in der Versuchsanlage des Observatoriums zu bewirken. Die Amerikaner sind wohl irgendwie auf Dummenfang gegangen, um an Forschungsgelder und an den Nobelpreis ranzukommen. Sehr gewagt ist anderseits die These/Hypothesen von der vermeintlichen Existenz von Gravitationswellen und der Fusion von schwarzen Löchern auf die Urknall-Theorie des Universums zu schlussfolgern bzw. zu extrapolieren, nach dem das Universum innerhalb von wenigen tausendstel Sekunden vor 23 Milliarden Jahren entstanden sein soll! Denn aus Nichts, kann nichts entstehen, wie bereits eine einfache logische Überlegung erkennen lässt. Eher wird es wohl so sein, dass es sich beim Universum um einen kontinuierlichen pulsierenden Prozess der Expansion und Implosion von Materie handelt.
    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen
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  • Gast - Michael Perner

    20537 Hamburg, Germany

    Ich habe hierzu eine schöne Geschichte zu erzählen:
    bin Maschinenbauingenieur und habe zum Ende meines Studiums die Biographie von Albrecht Fölsing über Albert Einstein gelesen, ich war eher durch Zufall dazu gekommen. Das war vor zehn Jahren. Die hat mich damals so sehr gefesselt, daß ich angefangen habe, mich für die Theorien zu interessieren und mir den Spaß erlaubte, die entsprechenden Originalveröffentlichungen in den "Annalen" zu lesen, die es in der Bibliothek gibt - freilich ohne auch nur irgend etwas konkret zu verstehen. Dann war die Physik im Berufsalltag für einige Jahre etwas in Abseits geraten ... und vor einem Jahr habe ich ein Thema auf den Tisch bekommen, wo ich plötzlich mein ganzes altes Studienwissen aus Physik und Werkstoffkunde brauchte (sogenannte "White Etching Cracks" - Ermüdungsbrüche infolge Gefügeveränderungen - die in Getrieben in Windkraftanlagen ein Problem darstellen); ich mußte einsehen, mich mit Festkörperphysik, Thermodynamik und Phasenumwandlungen beschäftigen zu müssen, um Lösungen verstehen und vorgeschlagene Lösungen bewerten zu können.
    Hierzu habe ich mir einige Fachbücher und insbesondere ein wunderbares Physikbuch für Physikstudenten geleistet (war ziemlich teuer) ... und wieder war es so, daß mich das alles so gefesselt hat. So habe ich über ein Thema auf Arbeit wieder zur naturwissenschaft zurückgefunden, die mir auf Arbeit fehlt - der Arbeitsalltag ist doch oftmals recht dumpf.
    Im Zuge dessen und durch Rückzug von den aktuellen Wirren der Zeit habe ich dann abends angefangen, mich nach der Arbeit mit "Stoff" zu versogen und nach Physiksendungen bei Youtube nachzusehen, und bin so durch Zufall auf die Sendung "Urknall Weltall und das Leben" gestoßen.
    Wie war ich beeindruckt, nachdem ich die ersten Beiträge gesehen habe.
    Und wie heilfroh war ich, in den aktuellen Wirren der Zeit, wo so viele reden, als seien sie irre geworden, auf Leute zu stoßen, die große Fragen ohne Getöße, und mit Achtung vor der gebotenden Tiefe darstellen und verständlich machen können.
    Ich habe mir alle Sendungen angesehen, viele davon mehrmals - und sehe immer noch welche wieder an.
    Dafür möchte ich mich an dieser Stelle einmal bedanken: das es "Urknall-Weltall-Leben" an sich gibt und es über Youtube frei verfügbar ist; die geballte naturwissenschaftliche Erkenntnis der letzten 300 Jahre frei verfügbar! Das ist Humboldtscher Geist! Prägnant, eingängig und doch seriös dargestellt; präsentiert im Geiste der großen naturwissenschaftlichen Denker. Ein Lichtblick in den aktuellen Zeiten, der nicht genügend wertgeschätzt werden kann.
    Die Beiträge sind auch Lernstunden darüber, wie man Vorträge zu komplizierten Themen so halten kann, daß sie verstanden werden können. Das ist wunderbar und nicht selbstverständlich!
    In der Weihnachtszeit letzten Jahres habe ich mir dann mehrmals den Beitrag von Hans Ruder zu den Gravitationswellen und die Beiträge zum Hubble-Teleskop angesehen, und nun die Entdeckung der Graviationswellen. Es ist beeindruckend, was die Naturwissenschaften (!) herausgefunden haben. Dieser Stoff müßte eigentlch Pflichtlektüre für jedermann und jedefrau werden :-)
    UWL - das ist Bildungs- und Aufklärungskultur, wie man sie sich wünscht.
    Vielen Dank hierfür!
    M. Perner aus Hamburg/Dresden.