Wissenschaftler haben zwei Möglichkeiten, um Gravitationswellen zu erkennen. Hier sind einige andere Ideen.

Bis vor kurzem könnten Gravitationswellen eine Erfindung von Einsteins Vorstellungskraft gewesen sein. Bevor sie entdeckt wurden, existierten diese Wellen im Raum-Zeit-Kontinuum nur in der allgemeinen Relativitätstheorie des Physikers, soweit Wissenschaftler wussten.

Jetzt haben Forscher nicht nur eine, sondern zwei Methoden zur Detektion der Wellen. Und sie suchen weiterhin nach mehr. Die Untersuchung von Gravitationswellen boomt, sagt Astrophysiker Karan Jani von der Vanderbilt University in Nashville. "Das ist einfach bemerkenswert. Kein Fachgebiet in der fundamentalen Physik hat einen derart schnellen Fortschritt gesehen."

Genau wie Licht in einem Spektrum vorkommt, oder in einer Vielzahl von Wellenlängen, so auch Gravitationswellen. Unterschiedliche Wellenlängen deuten auf unterschiedliche Arten kosmischer Ursprünge hin und erfordern unterschiedliche Arten von Detektoren.

Gravitationswellen mit einer Wellenlänge von einigen tausend Kilometern - wie diejenigen, die von LIGO in den Vereinigten Staaten und seinen Partnern Virgo in Italien und KAGRA in Japan entdeckt wurden - stammen hauptsächlich von verschmelzenden Paaren schwarzer Löcher, die etwa zehnmal so massereich sind wie die Sonne, oder von Kollisionen dichter kosmischer Brocken, sogenannter Neutronensterne (SN: 11/02/2016). Diese Detektoren könnten auch Wellen von bestimmten Arten von Supernovae - explodierenden Sternen - und von schnell rotierenden Neutronensternen namens Pulsare (SN: 06/05/2019) aufspüren.

Im Gegensatz dazu werden immens große Wellen, die Lichtjahre umspannen, vermutlich von umkreisenden Paaren riesiger schwarzer Löcher mit Milliardenfacher Masse der Sonne erzeugt. Im Juni berichteten Wissenschaftler über die erste starke Evidenz für diese Art von Wellen, indem sie die gesamte Galaxie in einen Detektor verwandelten und beobachteten, wie die Wellen die Timingregelung regelmäßiger Augenzwinkern von Pulsaren in der Milchstraße veränderten (SN: 28/06/2023).

Mit sowohl kleinen Wellen als auch großen Tsunamis in der Hand hoffen Physiker nun auf das Eintauchen in einen weiten kosmischen Ozean von Gravitationswellen aller Größen. Diese Wellen könnten neue Details über das geheime Leben exotischer Objekte wie schwarzer Löcher und unbekannte Aspekte des Kosmos offenbaren.

"Es gibt immer noch viele Lücken in der Abdeckung des Gravitationswellenspektrums", sagt Physiker Jason Hogan von der Stanford University. Aber es macht Sinn, alle Möglichkeiten abzudecken, sagt er. "Wer weiß, was wir sonst noch finden könnten?"

Diese Suche nach dem vollständigen Spektrum der Gravitationswellen des Universums könnte Observatorien ins tiefe Weltall oder zum Mond, in den atomaren Bereich und anderswo führen.

Hier ist eine Auswahl von einigen der von Wissenschaftlern beobachteten Gebiete auf der Suche nach neuen Arten von Wellen.

Das Laser Interferometer Space Antenna (LISA) klingt auf den ersten Blick unglaublich. Ein Trio von Raumfahrzeugen, angeordnet in einem Dreieck mit 2,5 Millionen Kilometer langen Seiten, würde Laserstrahlen zueinander senden, während es sich in einer Umlaufbahn um die Sonne dreht. Aber die geplante Mission der Europäischen Weltraumorganisation, die für Mitte der 2030er Jahre geplant ist, ist keine bloße Fantasie (SN: 20/06/2017). Es ist die größte Hoffnung vieler Wissenschaftler, um in neue Bereiche der Gravitationswellen vorzudringen.

"LISA ist ein atemberaubendes Experiment", sagt der theoretische Physiker Diego Blas Temiño von der Universitat Autònoma de Barcelona und dem Institut de Física d'Altes Energies.

Wenn eine Gravitationswelle vorbeifliegt, würde LISA die Dehnung und Stauchung der Seiten des Dreiecks anhand der gegenseitigen Beeinflussung der Laserstrahlen an den Ecken des Dreiecks erkennen. Ein Proof-of-Concept-Experiment mit einem einzigen Raumschiff, LISA Pathfinder, wurde 2015 durchgeführt und demonstrierte die Machbarkeit der Technik (SN: 07/06/2016).

Im Allgemeinen benötigt man zur Erfassung von längeren Wellenlängen von Gravitationswellen einen größeren Detektor. LISA würde den Wissenschaftlern ermöglichen, Wellenlängen von Millionen von Kilometern zu sehen. Das bedeutet, dass LISA umkreisende schwarze Löcher erfassen könnte, die zwar enorm, aber nur mäßig groß wären - Millionen Mal so massereich wie die Sonne anstatt Milliarden.

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Mit der NASA-Artemis-Mission, die eine Rückkehr zum Mond anstrebt, suchen Wissenschaftler Inspiration bei der Nachbarin der Erde (SN: 16/11/2022). Ein vorgeschlagenes Experiment namens Laser Interferometer Lunar Antenna (LILA) würde einen Gravitationswellendetektor auf dem Mond platzieren.

Ohne das Schaukeln der menschlichen Aktivität und andere irdische Unruhe sollten Gravitationswellen auf dem Mond leichter erkennbar sein. "Es ist fast wie eine spirituelle Ruhe", sagt Jani. "Wenn man den Klängen des Universums zuhören möchte, gibt es keinen besseren Ort im Sonnensystem als unseren Mond."

Wie LISA hätte auch LILA drei Stationen, die Laser in einem Dreieck senden, wobei die Seiten dieses Dreiecks etwa 10 Kilometer lang wären. Es könnte Wellenlängen zwischen zehn- oder hunderttausenden Kilometern auffangen. Das würde die Lücke zwischen den Wellenlängen schließen, die vom im Weltraum befindlichen LISA und dem auf der Erde befindlichen LIGO gemessen werden.

Weil Objekte wie Schwarze Löcher sich beschleunigen, wenn sie sich einander annähern, geben sie im Laufe der Zeit gravitationale Wellen mit kürzeren Wellenlängen ab. Das bedeutet, dass LILA Schwarze Löcher beobachten könnte, wenn sie sich in den Wochen vor der Verschmelzung annähern, und den Wissenschaftlern einen Hinweis geben könnte, dass eine Kollision bevorsteht. Dann, sobald die Wellenlängen kurz genug sind, könnten irdische Observatorien wie LIGO das Signal aufnehmen und den Moment des Aufpralls einfangen.

Eine andere Option auf dem Mond würde die lunare Laser-Entfernungsmessung nutzen - eine Technik, bei der Wissenschaftler mit Hilfe von Lasern den Abstand von der Erde zum Mond messen, dank Reflektoren, die während früherer Mondlandungen auf der Oberfläche des Mondes platziert wurden.

Die Methode könnte Wellen erkennen, die die Erde und den Mond durcheinanderbringen, mit Wellenlängen zwischen denen, die mit Pulsar-Timing-Methoden und LISA beobachtet werden, berichten Blas Temiño und ein Kollege in Physical Review D aus dem Jahr 2022. Diese Technik würde jedoch verbesserte Reflektoren auf dem Mond erfordern - ein weiterer Grund, dorthin zurückzukehren.

LISA, LIGO und andere Laser-Observatorien messen die Dehnung und Stauchung von Gravitationswellen, indem sie überwachen, wie Laserstrahlen nach dem Durchqueren der langen Arme ihrer Detektoren miteinander interferieren. Aber eine vorgeschlagene Technik geht einen anderen Weg.

Anstatt nach geringfügigen Änderungen in den Längen der Detektorarme Ausschau zu halten, wenn Gravitationswellen vorbeiziehen, hat diese neue Technik ein Auge auf den Abstand zwischen zwei Atomwolken. Die quantenmechanischen Eigenschaften von Atomen bedeuten, dass sie sich wie Wellen verhalten können, die miteinander interferieren. Wenn eine Gravitationswelle hindurchläuft, verändert sie den Abstand zwischen den Atomwolken. Wissenschaftler können diese Änderung des Abstands aufgrund dieser quantenmechanischen Interferenz herausfinden.

Die Technik könnte Gravitationswellen mit Wellenlängen zwischen denen, die von LIGO und LISA nachweisbar sind, aufdecken, sagt Hogan. Er ist Teil eines Projekts zur Entwicklung eines Prototyp-Detektors namens MAGIS-100 am Fermilab in Batavia, Illinois.

Atom-Interferometer wurden noch nie zur Messung von Gravitationswellen verwendet, obwohl sie die Schwerkraft der Erde spüren können und grundlegende physikalische Gesetze überprüfen können (SN: 2/28/22; SN: 10/28/20). Die Idee ist "völlig futuristisch", sagt Blas Temiño.

Ein weiterer Ansatz zielt darauf ab, Gravitationswellen aus den frühesten Momenten des Universums genau zu lokalisieren. Solche Wellen würden während der Inflation erzeugt, den Momenten nach dem Urknall, als das Universum in Größe expandierte. Diese Wellen hätten längere Wellenlängen als je zuvor - bis zu 1021 Kilometer oder 1 Sextillion Kilometer.

Doch die Suche begann 2014 mit einem Fehlstart, als Wissenschaftler des BICEP2-Experiments die Entdeckung von Gravitationswellen in Wirbelformen im ältesten Licht des Universums, der kosmischen Hintergrundstrahlung oder CMB, verkündeten. Der Anspruch wurde später widerlegt (SN: 1/30/15).

Ein Vorhaben namens CMB-Stage 4 wird die Suche fortsetzen, mit Plänen für mehrere neue Teleskope, die das älteste Licht des Universums nach Anzeichen der Wellen absuchen sollen - diesmal hoffentlich ohne Fehler.

Bei den meisten Arten von Gravitationswellen, auf die Wissenschaftler ihr Augenmerk richten, wissen sie einiges darüber, was sie erwarten können. Bekannte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne können diese Wellen erzeugen.

Aber bei Gravitationswellen mit den kürzesten Wellenlängen, möglicherweise nur wenige Zentimeter lang, "ist die Geschichte anders", sagt die theoretische Physikerin Valerie Domcke vom CERN bei Genf. "Wir kennen keine bekannte Quelle ... die uns tatsächlich solche Gravitationswellen von ausreichender Amplitude liefern würde, dass wir sie realistisch erkennen könnten."

Trotzdem möchten Physiker überprüfen, ob es diese kleinen Wellen gibt. Diese Wellen könnten durch gewaltsame Ereignisse in der frühen Geschichte des Universums erzeugt werden, wie zum Beispiel Phasenübergänge, bei denen das Universum von einem Zustand in einen anderen übergeht, ähnlich wie Wasser vom Dampf in die Flüssigkeit kondensiert. Eine andere Möglichkeit sind winzige, urzeitliche Schwarze Löcher, die zu klein sind, um auf herkömmliche Weise entstanden zu sein und möglicherweise im frühen Universum geboren wurden. Die Physik in diesen Regimen ist so schlecht verstanden, "selbst nach Gravitational Waves zu suchen und sie nicht zu finden, würde uns etwas sagen", sagt Domcke.

Diese Gravitationswellen sind so geheimnisvoll, dass auch ihre Nachweistechniken noch unbekannt sind. Aber die Wellenlängen sind klein genug, dass sie mit hochpräzisen, laborbasierten Experimenten anstelle von riesigen Detektoren sichtbar sein könnten.

Wissenschaftler könnten sogar in der Lage sein, Daten aus Experimenten, die für andere Zwecke konzipiert wurden, umzufunktionieren. Wenn Gravitationswellen auf elektromagnetische Felder treffen, können sich die Wellen ähnlich wie hypothetische subatomare Teilchen namens Axionen verhalten (SN: 3/17/22). Daher könnten Experimente, die nach diesen Teilchen suchen, auch minimale Gravitationswellen enthüllen.

Gravitational waves come in a spectrum of shorter and longer wavelengths. Each wavelength range is generated by different sources. Pulsars and exploding stars, or supernovas, generate some short wavelength ripples. Other waves are produced by pairs of neutron stars, or by pairs of stellar mass black holes, with masses less than 100 times that of the sun. Still longer wavelengths are generated by pairs of supermassive black holes.

Different wavelengths can be spotted using different types of detectors, including ground-based detectors such as LIGO, space-based detectors such as LISA, and measurements of blips from dead stars called pulsars. Especially long wavelengths may be detected by studying the light released shortly after the Big Bang, the cosmic microwave background. Other detector types (not pictured) could fill in the gaps.

Catching gravitational waves is like paddling against the tide: tough going, but worth it for the scenic views. “Gravitational waves are really, really hard to detect,” Hogan says. It took decades of work before LIGO spotted its first swells, and the same is true of the pulsar timing technique. But astronomers immediately began reaping the rewards. “It’s a whole new view of the universe,” Hogan says.

Already, gravitational waves have helped confirm Einstein’s general theory of relativity, discover a new class of black holes of moderately sized masses and unmask the fireworks that happen when two ultradense objects called neutron stars collide (SN: 2/11/16; SN: 9/2/20; SN: 10/16/17).

And it’s still early days for gravitational wave detection. Scientists can only guess at what future detectors will expose. “There’s way more to discover,” Hogan says. “It’s bound to be interesting.”

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