Wie genau entstehen eigentlich Gravitationswellen, und warum können sie sich durch den Raum ausbreiten, obwohl der doch eigentlich leer ist?
Hey,
in Physik haben wir gerade ein ähnliches Thema und beim Bearbeiten einer Präsentation ist mir diese Frage aufgekommen. Es geht halt um Ausbreitungen im Vakuum.
LG
5 Antworten
Vielleicht eine anschauliche "Hilfskonstruktion":
Massen ziehen sich an, die Kraft nimmt mit der Entfernung quadratisch ab.
Stell Dir vor, um einen Stern kreist ein großer Planet. Du selbst befindest Dich fest in der Bahnebene aber außerhalb der Bahn des Planeten. Jetzt misst Du die Kraft, mit der die Konstellation Stern-Planet Dich anzieht.
Du wirst feststellen: befindet sich der Planet zwischen Dir und der Sonne ist die Anziehungskraft am höchsten. Befindet er sich auf der Gegenseite, ist sie am niedrigsten. Zeichnest Du die Anziehung auf der Zeitachse auf, bekommst Du eine Welle.
Eine Gravitationswelle= sich periodisch ändernde Anziehung im Raum.
Sind die Massen sehr groß, z.B. Neutronensterne, die verschmelzen, dann kreisen die mit immer höherer Geschwindigkeit umeinander bis zur Verschmelzung , was die Anziehungskraft aufgrund der Masse mit hoher Stärke und Frequenz variiert, sodass man das auch noch in großer Entfernung messen kann.
Ich fand diese Erklärung recht anschaulich, vielleicht hilft es Dir.
Um die „Leere“ im Raum muss man ein häufiges Missverständniss vorab klarstellen.
„Leere“ ist nicht gleich „nichts“. Genau gesagt gibt es in der Physik das „Nichts“ nicht. Auch im Vakuum, selbst nachdem man jedes Teilchen entfernt hat, selbst könnte man jegliche Strahlung abschirmen, selbst könnte man (physikalisch und energetisch nicht möglich) Gravitation abschirmen wäre da noch etwas, was sich zunächst paradox anhört… „Raum“. Und dieser Raum ist voll, voll mit permanent entstehenden und erlöschenden „Quantenfluktuationen“ (diese nur am Rande erwähnt). Geringste Energieladungen die (durch den „Casimir-Effekt real nachgewiesen) einen negativen Druck ausüben.
Der Raum ist trotz fehlendem Trägermaterials wie Luft für Schallwellen ein beeinflussbares „Segment“ (wenn man es hierbei so nennen mag). Durch Gravitationskräfte (Objekte) kann dieser zb verzerrt oder gestaucht werden.
Wenn sich „Gravitationswellen“ nun durch den Raum bewegen, geschieht das vereinfacht gesagt durch eine fließende Stauchung des Raumes, nach wie vor ohne dass dieser ein Medium ist. Zu versinnbildlichen mit einem gespannten Tuch durch das eine Welle läuft. Nur das Ganze im 3 dimensionalen Raum (Zeit/ -dilatation mal vernachlässigend).
Hallo Rakete752,
zunächst zur Ausbreitung von Wellen durch den leeren Raum: Wir kennen dies schon von elektromagnetischen Wellen – also Licht.
Anders als Schallwellen, die sich als Verdichtung und Verdünnung (=> Über- und Unterdruck) von Materie manifestieren und sich ohne Materie nicht ausbreiten können, bestehen elektromagnetische Wellen aus oszillierenden elektromagnetischen Feldern (oder besser: Anregungen des universellen elektromagnetischen Feldes), die sich sogar am besten durch materiefreien Raum ausbreiten, mit c≈3×10⁸m/s.
Gravitation ist noch etwas anderes, nämlich Verzerrungen der Geometrie der Raumzeit selbst, die räumliche Abstände und Zeitspannen beeinflusst. Verursacht werden diese Verzerrungen durch Ansammlungen großer Mengen Energie, z.B. Massen massiver Himmelskörper.
Bewegen sich zwei solche Körper in periodischer Weise relativ zueinander, etwa, indem sie einander umrunden, führt das zu periodischen Störungen im Gravitationsfeld, die sich mit c ausbreiten und dabei auch in großen Entfernungen – natürlich mit entsprechender Verzögerung – Abstände zwischen Objekten beeinflussen.
Natürlich verlieren diese Zweikörpersysteme durch die Abstrahlung von Gravitationswellen Energie, wodurch sie sich einander nähern und noch mehr abstrahlen, in höherer Frequenz; irgendwann werden sie kollidieren. Bei normalen Systemen dieser Art dauert das ein Vielfaches des momentanen Alters des Universums, weil Gravitationswellen extrem schwach sind. Umrunden sich dagegen Neutronensterne oder Schwarze Löcher bereits eng genug, sind die Gravitationswellen stark genug, um schon innerhalb eines Bruchteils des momentanen Weltalters eine Fusion zu verursachen. Bei Neutronensternen nennt man dies Kilonova, und dabei entstehen die schwersten chemischen Elemente.
Licht bewegt sich ja auch durch den leeren Raum. Gravitationswellen sind nicht - im Gegensatz zu Licht etwa - Bewegung von Teilchen im Raum, sondern "Bewegung" der Raumzeitstruktur selbst, egal, ob da was "drin" ist oder nicht.
Ob der Raum wirklich so "leer" ist, ist mehr denn je fraglich, siehe Thema Dunkle Materie usw.
Auch im Vakuum existiert die Raumzeit. Massen krümmen diese. Wenn sich Massen bewegen, so verändert sich die Krümmung der Raumzeit ebenso mit. Wenn sich nun sehr große Massen bewegen bzw sich Massen schlagartig lokal ändern, so ändert sich auch die "Form" der Raumzeit und eine Art Vibrationswelle breitet sich aus -Graviationswelle. Diese ist nur eine Änderung der Krümmung der Raumzeit.
Vergleiche den Raum mit einem See. Wirf einen Stein hinein, so breitet sich eine Welle in jede Richtung aus.