V.5 Wie funktioniert Gravitation ?




Bisher haben wir außer der Schwerkraft nur Nahwirkungskräfte untersucht; Kräfte also, die durch direktes Angreifen auf einen Körper wirken. Wie die Betrachtung der Gezeiten schon zeigte, ist dieses Modell nicht so einfach auf die Gravitation zu übertragen. Seit der Formulierung des Gravitationsgesetzes durch Newton ist die Wirkung, auf der diese Kraft beruht, Gegenstand zahlreicher Überlegungen.

Newton formulierte seine Aussagen über Fernkräfte noch sehr vorsichtig "als ob" eine Fernkraft wirkt.

Maxwell postulierte Nahwirkungskräfte, analog zu den bekannten Kräften. Die Übertragung der Kräfte, er konzentrierte sich insbesondere auf die elektromagnetische Kraft, stellte er sich mittels eines allgegenwärtigen Äthers vor.

Einstein machte die Gravitation zu einer Eigenschaft des Raumes. Die allgemeine Relativitätstheorie beinhaltet eine "Raumkrümmung" durch Massen.

Moderne Quantenfeldtheorien versuchen, die Gravitation ähnlich wie die anderen Wechselwirkungen durch Austausch von Feldquanten zu erklären. Dieser Mechanismus ist für die anderen Wechselwirkungen, also schwache, starke und elektromagnetische Wechselwirkungen, bereits nachgewiesen, für die Gravitation jedoch noch nicht. Die in dieser Theorie vorhergesagten Austauschteilchen werden Gravitonen genannt.

Die Entstehung einer Gravitationswelle stellt man sich vor durch die schnelle Bewegung von großen Massen. Diese Massen, die sich zudem schnell bewegen, gibt es im All. Mögliche Quellen sind in dieser Tabelle aufgeführt. Daneben stehen jeweils Signaltyp und Frequenz der Welle und die Auswirkungen. Beispielsweise würden Gravitationswellen von einem Doppelstern ausgesendet den Abstand zwischen Massen, die einen Meter voneinander entfernt sind, um nur 10-21 Meter verändern.

Quelle

Signaltyp

Frequenz

Stärke

 

Doppelstern

 

 

periodisch

 

<1Mhz

 

10-21

Neutronendoppelstern

 

 

quasi-periodisch

 

<1 khz

 

10-22

akkretierender Doppelstern

 

 

periodisch

2000 - 800 Hz

3 x

10-27

Typ II Supernova

 

 

impulsartig

 

1 khz

 

10-21

schwingendes Schwarzes Loch

gedämpfte

Sinusschwingung

10 khz für 1 Sonnen-masse

 

Galaxienbildung durch kosmische Strings

 

 

Rauschen

breites Frequenzband

10-14

10-24

Urknall

 

 

Rauschen

 

 
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie sollten Gravitationswellen sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und tensorielle (elliptische) Raumverzerrungen hervorrufen, also die Gestalt des Raumes verändern, den sie durchlaufen. In dieser Darstellung ist die Auswirkung der Gravitationswelle auf eine frei im Raum längs der Welle aufgehängte Gummiröhre simuliert. Links ist die Gummiröhre abgebildet, rechts ein Satz von Massen, die auf einer Ebene liegen. Weber führte 1970 einen solchen Versuch zum Nachweis der Gravitationswellen mit einem schwingungsfrei aufgehängten Zylinder durch.


Zum Nachweis von Gravitationswellen werden Interferrometer eingesetzt. Ein einfaches Interferometer besteht aus einem Laser, einem Strahlenteiler, je einem Spiegel, welche die beiden senkrecht zueinander stehenden Arme zueinander begrenzen, und einer Photodiode. Unterhalb der Diode ist jeweils der Verlauf des elektrischen Feldes in jedem zurückkehrenden Lichtstrahl als Funktion der Zeit aufgetragen. In der Ausgangsposition unterscheiden sich die Armlängen um ein Achtel. Bei der Überlagerung sind die beiden Lichtstrahlen um einen Viertel-Zyklus außer Phase, und die Hälfte des Lichtes erscheint am Ausgang. Das Interferenzmuster ist stabil.




Wenn eine Gravitationswelle die Ärmellängendifferenz verändert, nimmt die Helligkeit des Ausgangsstrahls je nach Vorzeichen des Wegunterschiedes entweder ab oder zu, das Interferezmuster ändert sich gegenüber der Ausgangsposition und ist nicht stabil.

Die Realisation solcher Versuche ist sehr schwierig, da die erwarteten Längenunterschiede der Arme bei 10-16 m liegen, also ungefähr in der Größenordnung eines Protons liegen. Am 23 Februar 1987 gab es in nur 160000 Lichtjahren Entfernung in der Magelanstraße eine Supernova (SN 1987 A, ungefähr 20 Sonnenmassen), von der möglicherweise Gravitationswellen ausgingen. Leider waren alle Detektoren zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet.


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