11.6 Drei klassische Effekte der ART
Quelle: Mitschrift §7.2.2
1) Periheldrehung des Merkur — der sonnennächste Punkt (Perihel) wandert langsam weiter. Der allein durch die ART erklärte Anteil beträgt 43 Bogensekunden pro Jahrhundert (die gesamte beobachtete Drehung ist mit ~574″/Jh größer; der weitaus größte Teil davon stammt aus den Bahnstörungen der anderen Planeten, nur die 43″/Jh blieben klassisch übrig). ✎ Die erste Erklärung für diesen Rest war ein noch sonnennäherer, unbekannter Planet (hypothetisch „Vulkan"), der Merkurs Bahn stört — er wurde aber nie gefunden. Klassisch blieb der Effekt unerklärbar; die ART erklärt ihn, weil das Gravitationsfeld selbst Energie/Masse trägt.
Abbildung: die Merkur-Ellipse rotiert langsam um die Sonne (Perihel wandert).
2) Lichtablenkung im Gravitationsfeld — Masse lenkt Licht ab (runde Krümmung, kein Knick). 1919 von Eddington bei einer Sonnenfinsternis (Westafrika) bestätigt (Mitschrift nennt 1915 — das ist das Jahr der ART; die Messung war 1919). Messmethode: Ein halbes Jahr vorher fotografierte er dasselbe Sternfeld, dann während der Finsternis nochmals — im Vergleich erschienen die Sterne nahe der Sonne leicht nach außen verschoben. Folge: Mehrfachbilder → Gravitationslinsen / Einstein-Ringe (eine massereiche Vordergrundmasse bündelt das Licht einer dahinterliegenden Quelle wie eine Linse; steht alles exakt auf einer Linie, erscheint das Bild zu einem Ring verschmiert).
Abbildung: Licht einer Quelle wird vom Gravitationsfeld eines massereichen Objekts gekrümmt → mehrere scheinbare Bilder.
Skizze: Lichtablenkung — der Lichtstrahl eines Sterns wird beim Vorbeigang an einer großen Masse (Sonne) gekrümmt; der Stern erscheint verschoben.
3) Gravitationswellen — beschleunigte Massen erzeugen Wellen in der Raumzeit (Analogie zu Maxwell: beschleunigte Ladungen → EM-Wellen). Sie sind extrem schwer messbar (
Skizze (Maxwell-Analogie): eine beschleunigte Ladung strahlt EM-Wellen ab — analog erzeugen beschleunigte Massen Gravitationswellen.
Abbildung: indirekter Nachweis (Hulse-Taylor-Pulsar) — die gemessene Bahnänderung (Punkte) folgt exakt der ART-Vorhersage für Energieverlust durch Gravitationswellen (Kurve).
- Indirekt (Hulse-Taylor-Pulsar): ein Doppel-Pulsar (ein Pulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern, dessen Strahlungskegel wie ein Leuchtturm regelmäßig die Erde überstreicht; „Doppel-" = zwei umeinander kreisende) verliert Bahnenergie genau wie die ART vorhersagt.
- Direkt (LIGO, Ereignis GW150914, 2015): zwei verschmelzende schwarze Löcher; LIGO misst Längenänderungen von ~
m per Interferenz (das Interferenzmuster schwingt mit der Welle).
✎ Nachfrage: Wie misst LIGO denn
m? LIGO = Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Das Herzstück ist ein Michelson-Interferometer: ein Laserstrahl wird an einem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die durch zwei senkrecht aufeinander stehende, je 4 km lange Arme laufen, an Endspiegeln reflektiert werden und sich wieder zu einem Interferenzmuster überlagern. Läuft eine Gravitationswelle durch, wird der Raum (und mit ihm die Armlänge) abwechselnd gestaucht/gedehnt — der eine Arm wird kürzer, während der andere länger wird → das Interferenzmuster schwingt mit der Welle mit. Interferenz ist auf winzigste relative Längenänderungen extrem empfindlich, daher die Auflösung von m, weit kleiner als ein Atomkern.
GW150914 — der erste direkte Nachweis (2015)
Das erste direkt gemessene Gravitationswellen-Ereignis trägt die Bezeichnung GW150914 (Gravitational Wave, Datum 2015-09-14, also 14. September 2015). Es ist eines der wichtigsten Daten der modernen Physik und im Hearing ein dankbares Detail.
| Größe | Wert von GW150914 |
|---|---|
| Quelle | Verschmelzung zweier schwarzer Löcher (≈ 36 und 29 Sonnenmassen → ein BH von ≈ 62 |
| Entfernung | ≈ 1,3 Milliarden Lichtjahre (das Signal war also 1,3 Mrd. Jahre unterwegs) |
| Signalfrequenz | ≈ 35 → 250 Hz — ein Chirp („Zwitschern"): Frequenz und Amplitude steigen rasch an und brechen bei der Verschmelzung ab (im Hörbereich) |
| Detektoren | die zwei LIGO-Stationen Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana), ≈ 3000 km voneinander entfernt |
| Detektortyp | je ein Michelson-Interferometer mit 2 Armen à 4 km |
| Nobelpreis | Physik-Nobelpreis 2017 an Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne für LIGO und den Nachweis |
✎ Warum braucht es zwei Stationen (Hanford + Livingston)? Ein einzelnes Interferometer kann eine echte Welle nicht von lokalen Störungen (vorbeifahrender LKW, Seismik, Temperaturdrift, …) unterscheiden. Eine echte Gravitationswelle durchquert die ganze Erde und muss daher in beiden weit entfernten Detektoren auftauchen — und zwar mit dem richtigen Zeitversatz (≈ 7 ms, der Laufzeit des Signals über die 3000 km). Nur ein Koinzidenz-Signal in beiden Stationen zählt als Nachweis; so werden zufällige lokale Erschütterungen herausgefiltert. (Der Zeitversatz hilft zusätzlich, die Richtung der Quelle am Himmel grob einzugrenzen.)
✎ Der „Chirp" anschaulich: Während die beiden schwarzen Löcher sich umkreisen, strahlen sie Gravitationswellen ab und verlieren Energie → sie kommen sich näher und kreisen immer schneller → die Frequenz steigt (von ≈ 35 auf ≈ 250 Hz) und die Amplitude wächst, bei der Verschmelzung wird am meisten Energie abgestrahlt (das Signal steigt „chirp"-artig an und bricht abrupt ab). Genau dieses charakteristische Anschwellen ist der „Fingerabdruck" einer Schwarzloch-Verschmelzung.
✎ Ausblick — die Weltraum-Version LISA: Die geplante LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ist ein Interferometer aus drei Satelliten im Millionen-km-Abstand. Im Weltraum entfällt die seismische Störung der Erde, und die riesigen Armlängen machen LISA empfindlich für niederfrequentere Gravitationswellen (z. B. von supermassereichen schwarzen Löchern), die erdgebundene Detektoren wie LIGO nicht erfassen können.