Analog zu Lichtwellen, so erkannte Einstein 1916, muss es auch Gravitationswellen geben. Die Bezeichnung geht auf eine Arbeit des französischen Mathematikers Henri Poincaré aus dem Jahr 1905 zurück. Sie beruht auf einer Idee des niederländischen Physikers Hendrik Antoon Lorentz fünf Jahre zuvor. Doch erst im Rahmen der ART ließ sie sich in eine mathematische Form bringen und als physikalisch testbare Hypothese formulieren. Die entscheidende Beschreibung – die Quadrupol-Formel – fand Einstein 1918. 1937 wandte er sich dem Thema erneut zu.
Gravitationswellen bestehen nicht aus elektromagnetischer Strahlung, sondern gleichsam aus Schwingungen der Raumzeit. Sie sind außerordentlich schwache periodische Stauchungen und Streckungen von räumlichen und zeitlichen Abständen. Ein typischer Wert ist eine Frequenz von etwa 1 Kilohertz. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen umeinander kreisen, miteinander kollidieren oder in sich zusammenstürzen. Selbst bei Planeten tragen diese Kräuselungen der Raumzeit einen winzigen Teil der Bewegungsenergie davon. Bei der Erde sind das beispielsweise rund 200 Joule pro Sekunde. Das hat eine allmähliches Schrumpfen des Bahnradius zur Folge. Für Planeten wird das zwar erst relevant, wenn das Universum Milliarden mal Milliarden Jahre älter ist als heute, doch bei sehr viel massereicheren Objekten im All führt es schon gegenwärtig zu katastrophalen Karambolagen.
Das beste indirekte Indiz für die Existenz von Gravitationswellen sowie das erste Anwendungsbeispiel für relativistische Effekte starker Schwerefelder ist ein 21 000 Lichtjahre fernes exotisches Objekt im Sternbild Adler namens PSR 1913+16. Joseph Taylor und Russell Hulse haben es mit dem Arecibo-Radioteleskop auf Puerto Rico 1974 entdeckt. 1993 erhielten sie dafür den Physik-Nobelpreis. PSR 1913+16 ist ein System aus zwei Neutronensternen, die sich alle 7 Stunden und 45 Minuten auf stark elliptischen Bahnen wechselseitig umlaufen. Neutronensterne sind die kollabierten Kerne ausgebrannter Riesensterne, deren äußere Hüllen als Supernovae ins All explodierten. Einer der beiden Sternleichen von PSR 1913+16 ist ein Pulsar, dessen Radiostrahlung wie der Lichtkegel eines Leuchtturms periodisch unser Sonnensystem überstreicht und somit gemessen werden kann. Der Pulsar rotiert rund 17 Mal pro Sekunde. Mit dem Arecibo-Teleskop ließen sich die Ankunftszeiten der Radiosignale auf etwa 20 Millionstel Sekunden genau bestimmen – inzwischen wurde die Präzision noch um das Zehnfache gesteigert. Die Regelmäßigkeit ihrer „Pulsfolgen” machen Pulsare zu hochgenauen „Uhren”. Das erlaubt es, mit ihnen auch subtile Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie zu prüfen. Neben fünf klassischen Parametern wie Bahnexzentrizität und -periode, die nun mit einer Genauigkeit von besser als 1 zu 1 Million bekannt sind, lassen sich auch acht verschiedene relativistische Messgrößen bestimmen – und das über mittlerweile mehr als drei Jahrzehnte. Dadurch war es erstmals möglich, die ART für starke Gravitationsfelder zu testen. Ergebnis: Die Messungen stimmen exzellent mit den Voraussagen überein.
SPIRALE DER VERNICHTUNG
Noch wichtiger war der Nachweis, dass die Orbitalperiode von PSR 1913+16 um etwa 75 Millionstel Sekunden pro Jahr abnimmt. Das bedeutet: Die beiden Himmelskörper tanzen immer schneller umeinander in einer immer enger werdenden Spiralbahn. Diese schrumpft um mehr als 3 Millimeter pro Umlauf (oder um rund 3,5 Meter jedes Erdjahr), sodass die beiden Neutronensterne in ungefähr 300 Millionen Jahren miteinander kollidieren werden. Der Grund für die Abnahme der Orbitalgeschwindigkeit ist, dass beschleunigte Massen Energie in Form von Gravitationswellen abstrahlen – analog zur Emission elektromagnetischer Strahlung, wenn Kräfte auf geladene Teilchen wirken.
Eine direkte Messung der Gravitationswellen steht noch aus. Sie würde ein neues Fenster zum All aufstoßen. Physiker stehen kurz davor, denn inzwischen sind die Gravitationswellendetektoren so ausgereift, dass es nur noch eine Frage der Zeit ist, bis sich die ersten Schwingungen der Raumzeit erhaschen lassen: Wenn uns morgen das Licht einer neuen Sternexplosion irgendwo in der Milchstraße erreichen sollte, dann werden die hochempfindlichen Gravitationswellendetektoren LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in den USA und GEO600 bei Hannover diese kosmische Erschütterung registrieren. ■
