Gravitationswellen

Gravitationswellen sind Kräuselungen in der Raumzeitkrümmung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie werden von beschleunigten Massen, wie beispielsweise umkreisenden kompakten Objekten, erzeugt und wurden nun direkt nachgewiesen, was ein neues Fenster zum Universum öffnet.

Definition

Gravitationswellen sind sich ausbreitende, transversale Störungen der Raumzeitmetrik, Lösungen der linearisierten Einstein-Gleichungen, die Energie und Impuls von beschleunigten, nicht-kugelsymmetrischen Massenverteilungen wegtragen und die Abstände zwischen frei fallenden Testmassen dehnen und stauchen.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Theorie der Gravitationsstrahlung: die linearisierten Einstein-Gleichungen und ihre Wellenlösungen, die beiden transversalen Polarisationen und die Auswirkung einer vorbeiziehenden Welle auf freie Massen, die Quadrupolformel für die Emission, die astrophysikalischen Quellen sowie die Laserinterferometer- und Pulsar-Timing-Techniken, die zum Nachweis von Wellen und zur Bestimmung der Eigenschaften ihrer Quellen verwendet werden.

Sub-topics

• Binäre Inspirale und kompakte Verschmelzungen
• Nachweis von Gravitationswellen
• Gravitationswellenquellen
• Linearisierte Gravitation und Wellenlösungen

Core questions

• Wie sagen die Einstein-Gleichungen wellenartige Lösungen voraus und wie schnell bewegen sie sich?
• Welche Arten von astrophysikalischen Systemen emittieren nachweisbare Gravitationswellen?
• Wie können solch winzige Raumzeitverzerrungen gemessen werden?
• Welche neue Astrophysik wird durch den Nachweis von Gravitationswellen enthüllt?

Key concepts

• Linearisierte Einstein-Gleichungen
• Transversal-spurfreie Eichung
• Zwei Polarisationen (Plus und Kreuz)
• Quadrupolformel
• Dehnung (Strain)
• Multi-Messenger-Astronomie

Key theories

Linearisierte Gravitation und Wellenlösungen

Durch die Entwicklung der Metrik um die flache Raumzeit und die Wahl einer geeigneten Eichung werden die Einstein-Gleichungen auf eine Wellengleichung reduziert, deren Lösungen transversale, spurfreie Gravitationswellen mit zwei Polarisationen sind, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Quadrupolformel

In führender Ordnung wird die Gravitationswellen-Leuchtkraft einer Quelle durch die dritte Zeitableitung ihres Massenquadrupolmoments bestimmt, sodass nur nicht-sphärische, beschleunigte Massenverteilungen strahlen, und die Emission ist typischerweise sehr schwach.

Clinical relevance

Die Gravitationswellenastronomie hat sich zu einer Beobachtungswissenschaft entwickelt: Nachweise von verschmelzenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen testen die allgemeine Relativitätstheorie im starken, dynamischen Feldregime, messen die Massen und Spins kompakter Objekte, bieten einen unabhängigen Weg zur Bestimmung der Expansionsrate des Universums und ermöglichen, in Verbindung mit Licht, Multi-Messenger-Studien kosmischer Explosionen.

History

Einstein sagte Gravitationswellen 1916 voraus und zweifelte lange an ihrer Realität; indirekte Beweise lieferte der Orbitalzerfall des Hulse-Taylor-Doppelpulsars in den 1970er Jahren, und nach Jahrzehnten der Detektorentwicklung gelang den LIGO-Interferometern 2015 der erste direkte Nachweis einer Schwarzes-Loch-Verschmelzung, der 2017 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde.

Debates

Realität und Energie von Gravitationswellen

Jahrzehntelang wurde darüber gestritten, ob Gravitationswellen physikalisch oder reine Eichung waren und ob sie Energie trugen; das Sticky-Bead-Argument und die späteren Nachweise klärten, dass sie real sind und Energie transportieren, obwohl Feinheiten der Lokalisierung von Gravitationsenergie weiterhin bestehen.

Key figures

• Albert Einstein
• Joseph Weber
• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish

Seminal works

• einstein1916b
• abbott2016

Frequently asked questions

Was bewirkt eine Gravitationswelle physikalisch, wenn sie vorbeizieht?

Sie dehnt den Raum abwechselnd in einer transversalen Richtung, während sie die senkrechte Richtung staucht, wodurch sich der Abstand zwischen frei fallenden Massen um einen winzigen Bruchteil ändert; diese oszillierende Dehnung ist das, was Interferometer messen sollen.

Warum sind Gravitationswellen so schwer nachzuweisen?

Die Gravitation ist außerordentlich schwach, sodass selbst heftige astrophysikalische Ereignisse Dehnungen in der Größenordnung von eins zu 10^21 auf der Erde erzeugen, was kilometergroße Interferometer erfordert, die gegen jede konkurrierende Rauschquelle stabilisiert sind, um Abstandsänderungen zu erfassen, die weit kleiner sind als die Breite eines Protons.