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Detektion von Gravitationswellen - ein Analogieversuch

Im September 2015 gelang es erstmals, die in Einsteins Relativitätstheorie postulierten Gravitationswellen nachzuweisen. Für diese spektakuläre Entdeckung gab es den Nobelpreis für Physik im Jahr 2017.

Der Nachweis der Gravitationswellen

spinning black holes

Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Caltech/MIT/LIGO Laboratory

Die erstmalige Detektion von Gravitationswellen gelang im September 2015 und wurde 2016 veröffentlicht. Detektiert wurde die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher, die einen Abstand von 1,3 Milliarden Lichtjahren zur Erde hatten (links eine künstlerische Darstellung).

Gemessen wurde das Ereignis von den beiden LIGO-Observatorien in den USA (LIGO = Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Dies war der erste direkte Nachweis der Existenz von Gravitationswellen, wie sie Albert Einstein bereits ca. 100 Jahre zuvor vorhergesagt hat. Damit war es ebenso eine weitere Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Im Jahr 2017 wurden dann sogleich drei federführend an der Entwicklung der LIGO-Detektoren beteiligte Wissenschaftler mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet: Barry C. Barish, Kip S. Thorne und Rainer Weiss.

 Der Analogieversuch im Schülerlabor

Im Schülerlabor möchten wir daher mit Hilfe eines Analogieversuchs anschaulich machen, wie die Detektion von Gravitationswellen prinzipiell funktioniert. Die LIGO-Detektoren sind im Grunde erweiterte Michelson-Interferometer, allerdings in riesigen Dimensionen und mit zuvor nie dagewesener Präzision. Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Luftaufnahme des Detektors in Livingston, USA.
Die beiden Interferometerarme erstrecken sich im Bild jeweils 4km nach rechts und nach oben.

Auch im Schülerlabor verwenden wir ein Michelson-Interferometer, an dessen Ausgang wir eine Photodiode stellen, die feinste Veränderungen in der Lichtintensität detektieren kann. Statt Gravitationswellen senden wir Schallwellen in den Aufbau.

                                        LIGO Livingston  

Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Caltech/MIT/LIGO Laboratory 

Im Schülerlaborversuch muss zunächst das Michelson-Interferometer aufgebaut werden. Danach zeigen wir, wie man damit die Schallwellen detektieren kann und auch welchen Einfluss äußere Faktoren wie z.B. Störgeräusche, Bewegung in und vor dem Haus usw. haben. Dies ist auch ein wichtiges Thema in der Gravitationswellen-Detektion, da seismische Aktivitäten, Zugverkehr und andere menschliche Faktoren für die extrem empfindlichen Messungen einen wesentlichen Aspekt darstellen, der berücksichtigt werden muss.

Wir zeigen viele Prinzipien und Aspekte, die bei der Gravitationswellendetektion eine Rolle spielen. Wir besprechen aber genauso, wo die Analogien nicht mehr anwendbar sind und welche besonderen Eigenschaften Gravitationswellen besitzen.

Bitte beachten Sie: Aufgrund der Komplexität des Themas und des Aufbaus können wir diesen Versuch nur für sehr kleine Gruppen anbieten. Es eignet sich also vor allem für besonders interessierte Schüler/innen, die idealerweise bereits mit dem Aufbau eines Michelson-Interferometers vertraut sind (maximal 6 Schüler/innen).