Neuer Durchbruch bei Gravitationswellen: Forschende vermessen das schwingende Universum
Anhand von Gravitationswellen lässt sich das Universum völlig neu erforschen. Doch nicht nur einzelne Ereignisse wie die Verschmelzung Schwarzer Löcher lassen sich untersuchen – auch der ganze, sich ausdehnende und schwingende Kosmos lässt sich neuerdings vermessen.
Als Gravitationswellen im Jahr 2015 erstmals direkt nachgewiesen wurden, war das ein Wendepunkt in der Astronomie. Die winzigen Verzerrungen der Raumzeit, etwa ausgelöst, wenn Schwarze Löcher verschmelzen, lassen uns völlig neu auf das Universum blicken. Seitdem können Wissenschaftler immer besser verstehen, wie sich solche Signale im nahezu leeren Weltraum ausbreiten.
Komplizierter wird es jedoch, wenn nicht nur einzelne Himmelsereignisse betrachtet werden, sondern das ganze Universum. Denn die Raumzeit selbst befindet sich in ständiger Bewegung. Dichte- und Geschwindigkeitsschwankungen lassen dann den kosmischen Hintergrund ganz leicht schwingen. Dadurch verschwimmt die klare Grenze zwischen einer Gravitationswelle und dem Raum, durch den sie sich bewegt.
Gemessenes Licht
Genau das war ein grundlegendes Problem. Zwar existierten theoretische Erklärungen für Gravitationswellen in einem dynamischen Universum, doch die Vorhersagen hingen stark von der Wahl mathematischer Koordinatensysteme ab. Für die Physik ist jedoch nicht die mathematische Beschreibung ausschlaggebend, sondern das, was tatsächlich gemessen wird.
Ein Forschungsteam um Dr. Guillem Domènech vom Institut für Theoretische Physik der Leibniz Universität Hannover hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, der dieses Problem lösen soll. Statt abstrakte Feldgrößen zu analysieren, simulierten die Wissenschaftler ein realistisches Experiment, bei dem zwei frei fallende Testmassen oder Atomuhren durch einen Lichtstrahl miteinander verbunden werden.
Passiert eine Gravitationswelle das System, verändert sie minimal die Laufzeit des Lichts. Diese winzigen Abweichungen schlagen sich in messbaren Zeit- und Frequenzunterschieden nieder. Genau diese Größen berechneten die Forschenden erstmals vollständig und unabhängig von der Wahl eines Koordinatensystems.
„Gravitationswellendetektoren messen die Unterschiede in den Frequenzen und Ankunftszeiten von Lichtstrahlen“, erklärt Erstautor Guillem Domènech. „Wir berechnen diese Größen exakt innerhalb einer expandierenden Raumzeit und unterscheiden deutlich zwischen dem, was tatsächlich messbar ist, und Effekten, die auf der mathematischen Beschreibung beruhen.“ Dadurch werde sichergestellt, dass theoretische Vorhersagen für künftige Experimente genau und zuverlässig sind.
Die neue Methode schafft damit eine gemeinsame Grundlage für theoretische Modelle und experimentelle Beobachtungen. In einem ruhigen, nahezu unveränderten Raum liefert sie dieselben Ergebnisse wie bestehende Messverfahren etwa bei bodengebundenen Interferometern. In einem kosmologischen Umfeld bleibt die Beschreibung jedoch eindeutig und belastbar.
Erforschung des Urknalls
Die Ergebnisse könnten sich auf die Erforschung des frühen Universums auswirken. Insbesondere bei der Suche nach primordialen Gravitationswellen – also Signalen aus den ersten Momenten nach dem Urknall – benötigen Wissenschaftler verlässliche Theorien, um Messdaten möglichst korrekt interpretieren zu können.
Der nun vorgestellte Ansatz liefert genau diesen Rahmen. Er könnte künftig eine wichtige Rolle bei internationalen Großprojekten spielen, darunter sogenannte Pulsar Timing Arrays sowie das geplante Weltraum-Observatorium LISA. Beide Programme sollen Gravitationswellen mit größter Empfindlichkeit aufspüren und neue Einblicke in die Geschichte des Kosmos ermöglichen.
Quellenhinweis:
Guillem Domènech, Shi Pi & Ao Wang (2026): Observable Gravitational Wave Strain at Second Order. Physical Review Letters.
Verpassen Sie nicht die neuesten Nachrichten von Meteored und genießen Sie alle unsere Inhalte auf Google Discover völlig KOSTENLOS
+ Folgen Sie Meteored