Gravitationswellen sind Wellen im Gewebe der Raumzeit, die durch beschleunigte Massen entstehen und sich mit Lichtgeschwindigkeit von ihrem Ursprungsort ausbreiten. Anfang des 20. Jahrhunderts von dem französischen Mathematiker Henri Poincaré und dem in Deutschland geborenen theoretischen Physiker Albert Einstein vorhergesagt, haben sie sich kürzlich als Möglichkeit für Astronomen bewährt, Brillen zu untersuchen, die für elektromagnetische Observatorien unsichtbar sind. Insbesondere können sie ein Fenster zu einigen der heftigsten Phänomene des Kosmos öffnen – von Supernovae über verschmelzende Schwarze Löcher bis hin zu den Ursprüngen des Universums im Urknall.
Derzeit sind eine Reihe von Gravitationswellendetektoren in Betrieb, wobei die wohl bekanntesten die der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration sind, die drei „Laserinterferometer“ umfasst, die in den USA, Italien bzw. Japan stationiert sind.
Diese Detektoren arbeiten mit Zwillingslasern, um selbst kleinste Abstandsänderungen zu messen – und sind in der Lage, Gravitationswellen mit Frequenzen im Bereich von 1–1.000 Hertz zu detektieren.
Im Gegensatz dazu misst ein alternativer Ansatz subtile Variationen in den periodischen Signalen, die von Pulsaren empfangen werden, rotierenden Neutronensternen, die Strahlen von Radiowellen auf eine Weise aussenden, die den rotierenden Leuchtfeuern von Leuchttürmen nicht unähnlich ist.
Dieser Aufbau ist in der Lage, niederfrequentere Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich zu detektieren, wie sie beispielsweise durch die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher entstehen.
Dies bedeutet, dass aktuelle Detektoren zusammengenommen einen beträchtlichen blinden Fleck im Mikrohertzbereich haben, der zwischen diesen beiden Frequenzbändern liegt – und daher nicht in der Lage sind, die Art von Gravitationswellen zu erkennen, die Physiker als Paare von supermassereichen Schwarzen Löchern erwarten umkreisen sich in der Endphase, bevor sie kollidieren.
Der theoretische Physiker Dr. Alexander Jenkins vom University College London und sein Kollege Dr. Diego Blas von der Autonomen Universität Barcelona wollen, wie Ersterer es ausdrückt, „diese Lücke schließen“.
Um dies zu tun, erklärte Dr. Jenkins, schlagen sie vor, auf einer Idee aus den 1970er Jahren aufzubauen und zu messen, wie Gravitationswellen „die Umlaufbahnen von Doppelsternsystemen – einschließlich des Erde-Mond-Systems“ beeinflussen.
Laut dem Duo sollten Gravitationswellen, die die Erde und den Mond im Mikrohertz-Frequenzbereich treffen – das heißt alle paar Wochen etwa eine Schwingung – einen subtilen, aber nachweisbaren Einfluss auf die Umlaufbahn des Paares haben.
Als hypothetisches und sehr vereinfachtes Beispiel könnte eine kontinuierliche Gravitationswelle mit der gleichen Frequenz wie die Erd-Mond-Orbitalbewegung den Mond dank Resonanzphänomenen mit jedem Zyklus ein wenig näher an die Erde schieben.
Diese winzige Änderung der Orbitaleigenschaften wäre für uns nicht wahrnehmbar und kein Grund zur Sorge, da der Mond aufgrund der Wechselwirkung mit den Gezeiten der Erde seit Milliarden von Jahren mit einer viel größeren Geschwindigkeit davondriftet – derzeit etwa 1,5 Zoll pro Jahr .
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Obwohl Gravitationswellen den Mond nicht auf unsere Köpfe fallen lassen werden, könnte die Messung der subtilen Änderungen in der Umlaufbahn des Mondes mithilfe von Laser-Entfernungsmessungen das Vorhandensein von zuvor nicht nachweisbaren Mikrohertz-Gravitationswellen aufdecken.
Die Laser-Entfernungsmessung funktioniert, indem ein Strahl konzentrierten Lichts von einem der speziellen Reflektoren reflektiert wird, die von den US-Apollo- und sowjetischen Lunokhod-Missionen auf der Mondoberfläche zurückgelassen wurden, und gemessen wird, wie lange es dauert, bis das Signal zurückkommt.
In ihrer Arbeit zeigten Drs. Jenkins und Blas, dass solche Studien des Erde-Mond-Systems verwendet werden könnten, um es Physikern zu ermöglichen, eine neue, verfeinerte Obergrenze für die Stärke von Gravitationswellen in der Mikrohertz-Lücke festzulegen.
Und als ob es nicht großartig genug wäre, die Erde und den Mond als riesiges Laborgerät zu behandeln, sagen die Forscher, dass sie das Kernprinzip noch weiter erforschen wollen.
Dr. Jenkins sagte: „Es sind nicht nur einzelne Doppelsysteme – wir müssen auch sehen, wie ganze Galaxien auf Gravitationswellen reagieren.“
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Der Physiker Vitor Cardoso von der Universität Lissabon – der nicht an der vorliegenden Studie beteiligt war – sagte, die Idee sei „eine aufregende und neuartige Art, Gravitationswellen zu sehen“.
Er fügte hinzu: „Die Idee ist einfach, aber es erfordert schwierige Berechnungen, um sie umzusetzen und zu zeigen, dass sie funktioniert.“
Das Füllen der Erkennungsfrequenzlücke, fügte er hinzu, könnte unerwartete neue Quellen von Gravitationswellen aufdecken.
Experten könnten feststellen, fügte er hinzu, „dass das Universum voller mysteriöser Gravitationswelleninhalte ist“.
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.