idw – Informationsdienst Wissenschaft
Nachrichten, Termine, Experten
Nachrichten, Termine, Experten
Verschmelzen zwei schwarze Löcher miteinander oder kollidieren zwei Neutronensterne, können Gravitationswellen entstehen. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und verursachen winzige Verformungen in der Raumzeit. Ihre Existenz wurde einst von Albert Einstein vorhergesagt und 2015 erstmals direkt experimentell nachgewiesen. Nun geht Prof. Ralf Schützhold, theoretischer Physiker am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), einen Schritt weiter. Er ersann ein Konzept für ein Experiment, mit dem sich Gravitationswellen nicht nur nachweisen, sondern sogar manipulieren lassen. Die Idee könnte auch neue Hinweise auf die bisher nur vermutete Quantennatur der Gravitation liefern.
„Gravitation wirkt auf alles, auch auf Licht“, sagt Schützhold. Und diese Wechselwirkung findet auch beim Auftreffen von Gravitations- auf Lichtwellen statt. Schützholds Idee: Von einer Lichtwelle lassen sich winzige Energiepakete auf eine Gravitationswelle übertragen. Dabei nimmt die Energie der Lichtwelle etwas ab und die Energie der Gravitationswelle um den gleichen Energiebetrag zu. Diese Energie entspricht der eines oder mehrerer Gravitonen, den in theoretischen Modellen angenommenen, aber bisher nicht nachgewiesenen Austauschteilchen der Schwerkraft. „Die Gravitationswelle wird dadurch etwas intensiver“, erklärt der Physiker. Die Lichtwelle dagegen verliert die exakt gleiche Energiemenge. Das führt zu einer winzigen Frequenzänderung der Lichtwelle.
„Der gleiche Prozess kann auch umgekehrt ablaufen“, fährt Schützhold fort. Dabei gibt die Gravitationswelle ein Energiepaket an die Lichtwelle ab. Beide Effekte, also die stimulierte Emission und die Absorption von Gravitonen, sollten sich – wenngleich mit großem experimentellem Aufwand – messen lassen. Die gewaltigen Dimensionen eines solchen Experiments hat Schützhold abgeschätzt: So könnten Laserpulse im sichtbaren oder auch nahen infraroten Spektralbereich bis zu eine Million Mal zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert werden. Daraus ergibt sich bei einer etwa einen Kilometer langen Anlage eine optische Weglänge von etwa einer Million Kilometern. Diese Größenordnung genügt für die gewünschte Messung des durch Absorption und Emission von Gravitonen verursachten Energieaustauschs zwischen Licht und einer zeitgleich einfallenden Gravitationswelle.
Allerdings wäre die Frequenzänderung der Lichtwelle durch die Aufnahme oder Abgabe der Energie eines oder mehrerer Gravitonen in Wechselwirkung mit der Gravitationswelle extrem klein. Aber mit einem geschickt konstruierten Interferometer sollten sich diese Frequenzänderungen nachweisen lassen. Zwei Lichtwellen erfahren dabei unterschiedliche Frequenzänderungen – abhängig davon, ob sie Gravitonen absorbieren oder emittieren. Nach dieser Wechselwirkung und dem Durchlaufen der optischen Weglänge treffen sie wieder aufeinander und erzeugen ein Interferenzmuster. Aus diesem lässt sich auf die erfolgte Frequenzänderung und damit auf die Übertragung von Gravitonen schließen.
Experiment könnte auch Hinweise auf Quanteneigenschaften des Gravitationsfelds liefern
„Von der ersten Idee bis zum Experiment können schon einige Jahrzehnte vergehen“, sagt Schützhold. Aber vielleicht klappt das für sein Konzept etwas schneller. Denn das LIGO-Observatorium – Kurzform für Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – zum reinen Nachweis von Gravitationswellen zeigt starke Ähnlichkeiten. LIGO besteht aus zwei, jeweils etwa vier Kilometer langen und im rechten Winkel zueinander angeordneten Vakuumröhren. Über einen Strahlteiler wird ein Laserstrahl auf beide Arme des Detektors aufgeteilt. Einfallende Gravitationswellen verzerren nun beim Durchlaufen die Raumzeit minimal. Dadurch verändert sich die zuvor gleiche Länge der beiden Arme um wenige Attometer (10-18 Meter). Diese winzige Längenänderung verändert das Interferenzmuster des Laserlichts und erzeugt so ein detektierbares Signal.
In einem an Schützholds Idee angepassten Interferometer könnten erstmals Gravitationswellen nicht nur nachgewiesen, sondern über die stimulierte Emission und Absorption von Gravitonen auch manipuliert werden. Mit Lichtpulsen, deren Photonen miteinander verschränkt, also quantenmechanisch gekoppelt sind, ließe sich laut Schützhold die Empfindlichkeit des Interferometers zudem deutlich steigern. „Dann wären auch Rückschlüsse auf den Quantenzustand des Gravitationsfeldes selbst möglich“, sagt Schützhold. Ein direkter Nachweis für das hypothetische und unter Physiker*innen intensiv diskutierte Graviton wäre das zwar noch nicht. Aber immerhin ein starkes Indiz für seine Existenz. Denn wenn die Lichtwellen in Wechselwirkung mit den Gravitationswellen nicht die vorhergesagten Interferenzeffekte zeigen würden, wäre die gängige auf Gravitonen aufbauende Theorie widerlegt. So verwundert es nicht, dass Schützholds Konzept zur Manipulation von Gravitationswellen unter Kolleg*innen auf großes Interesse stößt.
Publikation:
R. Schützhold: Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light, in Physical Review Letters, 2025 (DOI: 10.1103/xd97-c6d7)
Weitere Informationen:
Prof. Ralf Schützhold | Direktor
Institut für Theoretische Physik am HZDR
Tel.: +49 351 260 3618 | E-Mail: r.schuetzhold@hzdr.de
Medienkontakt:
Simon Schmitt | Leitung und Pressesprecher
Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR
Tel.: +49 351 260 3400 | Mobil: +49 175 874 2865 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat sechs Standorte (Dresden, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt fast 1.500 Mitarbeiter*innen – davon etwa 700 Wissenschaftler*innen inklusive 200 Doktorand*innen.
Prof. Ralf Schützhold | Direktor
Institut für Theoretische Physik am HZDR
Tel.: +49 351 260 3618 | E-Mail: r.schuetzhold@hzdr.de
R. Schützhold: Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light, in Physical Review Letters, 2025 (DOI: 10.1103/xd97-c6d7)
https://www.hzdr.de/presse/light_graviton
Schematische Darstellung des Interferometer-Aufbaus für Licht unter dem Einfluss einer Gravitationsw ...
Quelle: B. Schröder
Copyright: B. Schröder/HZDR
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Energie, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
Schematische Darstellung des Interferometer-Aufbaus für Licht unter dem Einfluss einer Gravitationsw ...
Quelle: B. Schröder
Copyright: B. Schröder/HZDR
Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.
Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).
Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.
Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).
Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).
