Zusätzliche Dimensionen beeinflussen Gravitationswellen

LIGOs erste Gravitationswellenmessung von verschmelzenden schwarzen Löchern im September 2015 hat ein neues Fenster ins Universum geöffnet. Aber möglicher­weise können Forscher mit dieser neuen Mess­methode nicht nur schwarze Löcher und andere exotische astro­physi­kalische Objekte beobachten, sondern auch die Schwer­kraft selbst verstehen. „Im Vergleich zu den anderen Grund­kräften, etwa dem Elektro­magne­tismus, ist die Schwer­kraft extrem schwach“, erklärt David Andriot vom MPI für Gravita­tions­physik. Der Grund für diese Schwäche könnte sein, dass die Schwer­kraft mit mehr als den drei Raum­dimen­sionen und einer Zeit­dimen­sion wechsel­wirkt.

Zusätzliche Dimensionen, die aufgrund ihrer Winzigkeit verborgen bleiben, sind ein unver­zicht­barer Bestand­teil der String­theorie – einer viel­ver­spre­chenden Kandi­datin für eine Theorie der Quanten­gravi­tation. Physiker suchen nach einer solchen Theorie, die Quanten­mechanik und Allge­meine Relati­vitäts­theorie vereint, um zu verstehen, was passiert, wenn sehr große Massen auf sehr kleinen Abständen beteiligt sind. Dies betrifft beispiels­weise die Vorgänge im Innern eines schwarzen Lochs oder beim Urknall.

„Physiker suchen am Large Hadron Collider am CERN nach zusätzlichen Dimen­sionen, bislang aller­dings ergeb­nis­los“, sagt Gustavo Lucena Gómez vom MPI für Gravi­tations­physik. „Aber Gravi­tations­wellen­detek­toren könnten in der Lage sein, experi­mentelle Hinweise zu liefern.“ Die beiden Forscher entdeckten, dass zusätz­liche Dimen­sionen zwei unter­schied­liche Effekte auf Gravi­tations­wellen haben: Sie würden die Standard-Gravi­tations­wellen verändern und darüber hinaus zusätz­liche Wellen bei hohen Frequenzen oberhalb von tausend Hertz verur­sachen. Aller­dings ist die Beob­achtung dieser Frequenzen unwahr­schein­lich, da die boden­gestützten Gravita­tions­wellen­detek­toren bei hohen Frequenzen nicht empfind­lich genug sind.

Hingegen sollte der Einfluss zusätzlicher Dimensionen auf die Art und Weise, wie Standard-Gravi­tations­wellen die Raumzeit stauchen und dehnen, leichter zu erkennen sein, wenn man mehrere Detek­toren für die Beob­achtung verwendet. Da der Virgo-Detektor gemeinsam mit den beiden LIGO-Detektoren am nächsten Beob­achtungs­lauf teil­nehmen wird, könnte das bereits Ende 2018 oder Anfang 2019 geschehen.

AEI / RK