Gravitationswellen sind zeitliche und räumliche Störungen der Raumzeit, die Energie transportieren und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie entstehen durch die Beschleunigung von Massen, benötigen aber zusätzlich eine Asymmetrie in der Massenverteilung, damit Strahlung entsteht. Aufgrund der mathematischen Beschreibung der Gravitation durch die Raumzeitmetrik, in der bis zu zehn unabhängige Funktionen stecken, sind Gravitationswellen komplexer als viele andere Wellenphänomene. Erstfelder von Theorien bis zu direkten Messungen können zeitlich weit auseinanderliegen; bei Gravitationswellen betrug dieser Abstand zwischen Vorhersage und direktem Nachweis nahezu ein Jahrhundert.

Entstehungsmechanismus und Charakteristik

Wellen allgemein lassen sich als Ausbreitung einer Störung beschreiben, die Energie transportiert. Analog zu Oberfläche-Kreiselwellen in Flüssigkeiten erzeugt die Beschleunigung einer Quelle Störungen im umgebenden Feld, die sich kugelförmig mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Bei elektromagnetischen Wellen sind die Quellen beschleunigte elektrische Ladungen; bei Gravitationswellen sind es beschleunigte Massen. Allerdings ist die Analogie nicht eins zu eins übertragbar: Während die klassische Newtonschen Gravitation durch eine einzige Potentialfunktion beschrieben werden kann, ersetzt die Allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationskraft durch Raumzeitkrümmung, was die Entstehung und Struktur der Wellen wesentlich komplizierter macht.

Nicht jede beschleunigte Masse strahlt Gravitationswellen ab; erforderlich ist eine nicht-rotationssymmetrische Massenverteilung. Ein perfekt rotationssymmetrischer Stern strahlt beim Kollaps oder bei Eigenrotation demnach keine Gravitationswellen; rotierende asymmetrische Systeme wie ein Stab, die Erde auf ihrer Umlaufbahn oder insbesondere zwei eng umlaufende kompakte Objekte (z. B. Neutronensterne oder schwarze Löcher) erzeugen jedoch Gravitationswellen. Diese Wellen sind keine Schwingungen im Raum, sondern Wobbelbewegungen der Raumzeit selbst und treten charakteristisch als Quadrupolwellen mit entsprechenden Polarisationsmustern auf.

Vergleich zu elektromagnetischen Wellen und Kräfteverhältnisse

Elektromagnetische Wellen entstehen bei der Beschleunigung von Ladungen; Feldlinien zeigen dabei Knicke, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und Ladungen in Empfangsstrukturen abwechselnd beschleunigen (Dipolcharakter). Gravitationswellen hingegen wirken auf Massen so, dass diese neben axialen auch seitlichen Auslenkungen erfahren, was dem quadrupolaren Charakter entspricht. Die unterschiedliche Herkunft (Ladungen versus Massen) erklärt auch Unterschiede in Polarisation und Messwirkung.

Ein wesentlicher Grund für die Schwierigkeit der direkten Messung von Gravitationswellen ist die relative Schwäche der Gravitation im Vergleich zur elektromagnetischen Wechselwirkung. Beim Vergleich der Kräfte auf zwei Protonen ergibt sich, dass die Gravitationskraft um Größenordnungen kleiner ist (im Transkript wurde ein Verhältnis von etwa 10^-36 gegenüber der elektrostatischen Kraft genannt). Diese Schwäche spiegelt sich in extrem niedrigen abgestrahlten Leistungen schwach asymmetrischer Systeme wider: Beispielrechnungen führen zu Strahlungsleistungen von etwa 10^-46 Watt für einen einmal pro Sekunde kreisenden Arm und circa 10^-38 Watt für einen großen Rotor mit 100 m Radius. Zum Vergleich entspricht eine sichtbare Lampe, die ein Photon pro Sekunde abstrahlt, etwa 10^-19 Watt, also viele Größenordnungen mehr.

Messprinzipien, Beispiele und historische Messungen

Direkte Messungen erfordern sehr große, hochpräzise Detektoren: Laserinterferometer mit langen Armen, Strahlteilern und Spiegeln verlängern die effektive Laufstrecke des Lichts durch vielfache Reflexionen. In dem beschriebenen Aufbau werden Laserstrahlen aufgeteilt und in zwei etwa vier Kilometer lange Arme geleitet; durch rund 280 Durchläufe wird die effektive Lauflänge auf weit über 1000 km vergrößert, was die Empfindlichkeit deutlich erhöht. Wenn eine Gravitationswelle das Interferometer passieren lässt, verändert sich das Interferenzmuster; zur Unterdrückung lokaler Störungen arbeiten mehrere Detektoren im Abstand von einigen tausend Kilometern, sodass nur zeitgleiche Signale als echten Nachweis gewertet werden.

Numerische Beispiele illustrieren die Bandbreite und die Messbarkeit: Die erste direkte Messung im Jahr 2015 registrierte die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher (Massen etwa 29 und 35 Sonnenmassen) in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Abstand. Die Endfrequenz der gemessenen Gravitationswellen lag bei etwa 250 Hz, was gemäß λ = c/f einer Wellenlänge von ungefähr 1 200 km entspricht. Während die abstrahlende Leistung während des Ereignisses extrem hoch angegeben wurde (ca. 10^49 Watt), betrug die relative Längenänderung auf der Erde nur etwa 10^-21. Zur Veranschaulichung würde bei einem Hula-Hoop-Reifen von 1 m Durchmesser die Längenänderung nur etwa 10^-21 m betragen; ein Proton wurde im Transkript mit einer ungefähren Größe von 10^-15 m angegeben, also rund eine Million Mal größer als diese Längenänderung. Für diese experimentelle Leistung wurden die beteiligten Forschenden 2017 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, und der direkte Nachweis bestätigte folgerichtig Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.