Detektion von Gravitationswellen - ein Analogieversuch
Der Nachweis der Gravitationswellen
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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
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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. 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. |
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.