Theoretische Physiker haben einen neuen Weg gefunden, um Albert Einsteins Gravitationstheorie oder allgemeine Relativitätstheorie zu testen und – nur vielleicht – das ferne Universum nach winzigen, schwer zu entdeckenden Objekten zu untersuchen. Gravitationswellen – Wellen im Weltraum, die ausgelöst werden, wenn massive Objekte wie Schwarze Löcher zusammenwirbeln und kollidieren – sollten von anderen massiven Objekten abprallen, um Echos der Signale zu erzeugen, die direkt zur Erde kommen, sagen die Theoretiker voraus. Solche „Gravitationsblitze“ könnten als eine Art Radar dienen, um Weiße Zwerge, Neutronensterne und andere stellare Leichen zu entdecken, die außerhalb unserer Galaxie schwer zu sehen sind.
Wenn die allgemeine Relativitätstheorie richtig ist, muss das Echo auf einer bestimmten Ebene existieren, sagt Craig Copi, ein theoretischer Physiker an der Case Western Reserve University und Hauptautor des Papiers. Dennoch, warnt er, „das garantiert nicht, dass es beobachtbar ist.“
Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie verzerren massive Objekte wie Sterne und Planeten die Raumzeit, um den Effekt zu erzeugen, den wir Gravitation nennen. Wenn zwei massive Objekte wie ein Paar Schwarze Löcher zusammenwirbeln, sollte die Kollision Gravitationswellen in alle Richtungen ausstrahlen.
Seit 2015 sind Wissenschaftler in der Lage, diese unglaublich schwachen Wellen mit riesigen L-förmigen optischen Instrumenten, sogenannten Interferometern, wie den beiden des Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana und im US-Bundesstaat Washington, und dem Virgo-Detektor in der Nähe zu erkennen Pisa, Italien. Zusammen haben die Detektoren Dutzende von flüchtigen Gravitationswellensignalen beobachtet, von denen die meisten von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher stammen.
Aber manchmal sollte ein solches Signal von einem beträchtlichen Echo begleitet werden, das einen Bruchteil einer Sekunde später kommt, sagen Copi und Glenn Starkman, ein Theoretiker bei Case Western, voraus. Sie betrachten ein kompaktes Objekt wie einen Weißen Zwerg oder einen Neutronenstern, der nahe, aber nicht direkt auf der Sichtlinie zu den verschmelzenden Schwarzen Löchern liegt. Mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie berechnen sie, dass die Gravitationswellen am Objekt streuen können das direkt von der Quelle kommende Signal reproduzierensie melden sich diese woche in Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Die Physik ist subtil. Die Wellen streuen nicht am Material des Objekts – das sie direkt durchdringen –, sondern am Gravitationsfeld des Objekts. Theoretiker hatten zuvor berechnet, dass die Streuung von einem unendlich kleinen punktförmigen Objekt wie einem Schwarzen Loch nur eine sehr schwache Streuung erzeugen sollte. Das liegt wahrscheinlich an der besonderen mathematischen Natur des Feldes einer Punktquelle, deren Stärke bekanntermaßen umgekehrt mit dem Quadrat der Entfernung zum Punkt variiert.
Anstelle eines Punktes analysierten Copi und Starkman die Streuung von einem dichten kugelförmigen Objekt, das eher einer Bowlingkugel ähnelt. Sie hatten erwartet, dass es auch ein Echo erzeugen würde, das zu klein war, um erkannt zu werden. „Das Erschreckende, was wir herausgefunden haben, ist, dass dies nicht der Fall ist“, sagt Copi. Der Schlüssel zu dem Effekt liegt darin, dass das Gravitationsfeld innerhalb der Kugel von der Punktquellenform modifiziert wird, erklärt er.
Andere Arten von Echos könnten möglich sein. Einige Physiker haben berechnet, dass, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie auf bestimmte Weise durch die Quantenmechanik modifiziert wird, das Ende des Signals von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher einen pulsierenden Nachhall aufweisen sollte. Aber dieser Effekt erfordert neue Physik und erzeugt eine Folge unvollkommener Echos. Der Gravitationsschimmer erzeugt ein einzelnes, originalgetreues Echo des gesamten Signals, bemerkt Madeline Wade, Gravitationswellenphysikerin am Kenyon College. „Ich habe noch nie von einer Vorhersage wie dieser gehört, wo [the echo] ist eine Art Kopieren und Einfügen des Signals mit einer gewissen Zeitverzögerung.“
Es gibt eine andere Standardmethode, um mehrere Signale zu erzeugen, sagt Neil Cornish, ein Gravitationswellenastronom an der Montana State University. Wenn ein dichtes Objekt genau entlang der Sichtlinie zu einer Quelle der Gravitationswellen sitzt, kann es wie eine Linse wirken, um mehrere „Bilder“ des Ereignisses zu erzeugen. Aber, sagt er, die Chancen, ein solches Lensing-Ereignis zu sehen, sollten viel geringer sein.
Geht man von nominellen Populationen von Neutronensternen, Weißen Zwergen und anderen kompakten Objekten aus, sollte ein Echo von einem Drittel der Größe des ursprünglichen Signals ungefähr jedes 225. Gravitationswellenereignis begleiten, schätzen Copi und Starkman. Ein oder zwei große Echos könnten sich also in den 90 Ereignissen verstecken, die LIGO und Virgo bereits entdeckt haben, sagt Leslie Wade, ein LIGO-Mitglied und Gravitationswellenphysiker in Kenyon. Also bereiten sich die Wades darauf vor, nach ihnen zu schleppen. „Der Gewinn ist groß, während die Kosten für die Suche nach diesen Dingen gering wären“, sagt Leslie Wade, „also, lass es uns versuchen.“
Cornish, ebenfalls LIGO-Mitglied, stellt fest, dass die sich ständig verbessernden Detektoren im nächsten Jahrzehnt Tausende von Ereignissen erkennen sollten. Das Erkennen von nur einem oder zwei Glitzern würde als eine Art „Gradar“ dienen, um Wissenschaftlern eine grobe Schätzung darüber zu geben, wie viele kompakte Objekte wie Neutronensterne und Weiße Zwerge weit jenseits unserer Galaxie existieren, sagt er. „Es ist ein bisschen so, als würde der Blinde den Elefanten befühlen“, sagt Cornish. „Sie werden hier nicht wie eine superscharfe Sonde, aber es wären immer noch einige Informationen, die wir sonst nicht hätten.“