Wissenschaftler haben eine erstaunlich einfache Methode zur Erkennung von Gravitationswellen entdeckt, die fast unmöglich zu glauben ist

Ein neuer Ansatz zur Suche nach Gravitationswellen

Wissenschaftler der Universität Stockholm, Nordita und der Universität Tübingen haben einen völlig anderen Weg vorgeschlagen, um Gravitationswellen zu entdecken. Anstatt die Schwingungen der Wellenlänge des Lichts in kilometerlangen Interferometern zu messen, planen sie, Änderungen der Farbe von Photonen zu registrieren, die von Atomen ausgesendet werden.

Warum das wichtig ist
* Aktuelle Detektoren

LIGO, Virgo und KAGRA verwenden Spiegel mit Armen von etwa drei Kilometern. Dadurch sind sie empfindlich gegenüber hochfrequenten Wellen, die bei Zusammenstößen kleiner Schwarzer Löcher und Neutronensterne entstehen.

* Niedrigfrequente Ereignisse

Die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher erzeugt Gravitationswellen mit Perioden von bis zu mehreren Jahren. Für deren Erfassung sind Spiegel erforderlich, die hunderte‑tausende Kilometer auseinander liegen – das ist nur im Weltraum möglich (Pläne für Ende 2030).

* Kompakte Alternative

Schweizer Wissenschaftler haben eine Theorie entwickelt, die es ermöglicht, tragbare Detektoren für solche Ereignisse zu bauen. Das wird deren Bau erheblich vereinfachen und beschleunigen.

Wie die neue Idee funktioniert
1. Modulation des Quantenfeldes – die vorbeiziehenden Gravitationswellen verändern leicht die Phase des elektromagnetischen Feldes um die Atome.

2. Spontane Emission – die Atome absorbieren Energie, wechseln in angeregte Zustände und kehren nach einer gewissen Zeit wieder auf das Grundniveau zurück, wobei sie Photonen aussenden.

3. Frequenzverschiebung der Photonen – die Modulation führt zu einer kleinen Verschiebung der Frequenz (Farbe) der ausgesandten Photonen. Diese Verschiebung hängt von der Bewegungsrichtung der Photonen ab.

Bisher wurden solche Effekte nicht beobachtet, weil Gravitationswellen die Intensität der spontanen Emission nicht beeinflussen; die Helligkeit bleibt unverändert. Die spektralen Eigenschaften des Lichts ändern sich jedoch je nach Stärke und Richtung der Wellen – das ist bereits theoretisch bestätigt.

Technologische Umsetzung
* Atomuhren – die neuen Detektoren werden superstabile Atomuhren mit ultrakalten Atomen verwenden.

* Ereignisdauer – solche Uhren können Prozesse verfolgen, die mehrere Jahre dauern, was ideal für die Beobachtung von Verschmelzungen supermassiver Schwarzer Löcher ist.

* Vorteile – Kompaktheit und schnellere Inbetriebnahme im Vergleich zu gigantischen Weltraumlaserinterferometern.

Nächste Schritte
Die Wissenschaftler betonen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Analyse des Rauschens, aber erste Bewertungen sehen vielversprechend aus. Wenn die Theorie bestätigt wird, werden kompakte Geräte entstehen, die eine neue Klasse von Gravitationswellen eröffnen, die bisher nicht beobachtbar war.