gravitation

Gravitation finde ich besonders faszinierend und wie auch bei der Detektion von Dunkler Materie muss man ein paar Tricks anwenden um diese “unsichtbaren” Effekte messbar zu machen. Wie macht man etwas sichtbar? Naja, mit Licht. Laserlicht.

Um zu verstehen wie das funktioniert, müssen wir uns leider Einsteins Beschreibung von Gravitation etwas genauer ansehen. Während Newton behauptete, dass Gravitation eine Kraft ist, beweis Einstein mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie, dass Gravitation ein Effekt der Raumzeit ist: Wir leben in einer 4D-Welt (mindestens 4 Dimensionen…), 3 Raumrichtungen (hoch-runter, vorwärts-rückwärts, link-rechts) und eine Zeitrichtung. Diese Welt ist jedoch nicht starr, wie unser Boden zunächst erscheint, sondern veränderlich, wie ein Trampolin oder Gummituch. Wird eine Masse auf das Trampolin platziert, so verändert sich die Oberfläche, sie wird gedehnt und formt eine Art Trichter um die Masse. Die Raumzeit wir also durch Massen regelrecht verbogen, gekrümmt, auseinandergezogen oder gestaucht. Je größer die Masse, desto größer der Effekt. Je mehr Massen, desto mehr Trichter entstehen. Wenn sich diese Massen bewegen, so bewegen sich auch die Trichter. Kommen sich die Massen zu nahe, so überlappen sich deren Trichter und es entsteht plötzlich eine große Masse, mit nur noch einem Trichter — Das war soeben die Beschreibung von der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern in unserem Universum, wie sie unsere Gravitationswellendetektoren (mit dem Namen “LIGO”) auf der Erde 2015 zuerst gemessen haben. 100 Jahre nach Einsteins These dazu.

LIGO ist nicht nur ein Name. Es ist eine Abkürzung und steht für “Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium.” Riesige optische Laserinterferometer messen die Vibrationen Kilogramm-schweren Massen (Spiegeln) wenn die Raum zwischen ihnen erschüttert wird. Viel Jahre hat es gedauert, bis LIGO gut genug war, denn diese Erschütterungen in der Raumzeit sind winzig und können nur durch besonders schwere, astronomische Objekte hervorgerufen werden. Bei diesem Ereignis, im Jahr 2015, hat sich der Abstand zwischen der beiden Spiegeln um 10^-18m geändert. Das ist eine Zahl mit 18 Nullen. Der Abstand von Erde und Sonne (ca. 1.5 Millionen Kilometer) hat sich hierbei um den Durchmesser eines Atoms geändert. Und das konnten wir messen. Mit Laserinterferometern!

Bald (so etwa im Jahr 2030) wird ein Detektor ins Weltall geschickt: unsere LISA (Laser Interferometer Space Antenna), bestehend aus 3 Satelliten. Dieses Laserinterferometer wird riesig werden und soll nach Gravitationswellen von anderen astronomischen Objekten suchen und zur Aufklärung der Entstehung unseres Universums dienen. Denn auch ganz am Anfang, kurz nach dem Urknall, gab es bereits Gravitationswellen, die wir heute noch messen können! Während meiner Doktorarbeit durfte ich an der optischen Technologie, die hierfür benötigt wird, forschen.

Die Laserinterferometertechniken für LISA sind nicht nur für Gravitationswellendetektoren zu gebrauchen. Wir können die Satelliten auch in eine Erdumlaufbahn bringen. Das ist näher an der Erde, als es für LISA der Fall wäre, und optimal, um das Gravitationsfeld der Erde zu messen. Gravitationswellen können wir hier nicht mehr messen, da das Erdschwerefeld zu stark ist. Doch wir können winzige Änderungen im Erdschwerefeld messen und können somit Rückschlüsse auf die Materie, also die Massenverteilung auf der Erde, schließen: Verschwindet Masse an den Polen, so schmelzen wohl die Eiskappen. Steigt die Masse über den Ozeanen, so steigt wohl der Meeresspiegel. Verändert sich die Masse am Land, so hat sich die Zusammensetzung der Erde geändert und es können Dürren, Grundwasserpegel und Ölstände diagnostiziert werden. Interessante optische Interferometer habe ich auch für diese Art von Gravitationsmessungen entwickelt um die Auswirkungen des Klimawandels sichtbar zu machen.