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Allgemeine Relativitätstheorie: Gravitationswellensignal schwächt Alternativen zu Einstein

Der Nachweis von GW150914 war ein Test, den die Relativitätstheorie mit Bravur bestanden hat. Das haben nun Forscher der LIGO-Kooperation bestätigt. Verschiedenen mathematischen Prüfungen hielt die ART demnach stand.
GravitationswellenLaden...

Die Luft wird dünner für alternative Gravitationsmodelle jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie. Das zeigt eine genaue Analyse des Signals zweier kollidierender Schwarzer Löcher, mit dem im März 2016 erstmals Gravitationswellen direkt nachgewiesen wurden. Forscher der LIGO-Kollaboration haben sich die Messwerte zu dem Ereignis, das in Fachkreisen als GW150914 bekannt ist, nun noch mal im Detail angesehen. Sie führten diverse Tests dahingehend durch, wie gut sich das Signal mit Einsteins Beschreibung der Gravitation verträgt. Das Ergebnis: Sie fanden "keinen Hinweis auf eine Verletzungen der allgemeinen Relativitätstheorie im Bereich starker Gravitationsfelder". Diese Nachricht ist in ihrem Ergebnis nicht unbedingt überraschend. Spannend ist jedoch, wie genau das Signal den Vorhersagen der ART für ein besonders ausgeprägtes Gravitationsphänomen entspricht.

Der umfassendste der Tests begann mit einer Berechnung der Wellenform – auch "Template" genannt – auf Grundlage von Simulationen der ART, die am besten den Messungen von GW150914 entsprachen. Dann zogen die Forscher das gemessene vom berechneten Signal ab. Was übrig blieb, war nichts als das Rauschen, das jeder physikalischen Messung anhaftet. Untersucht man das relativ unverrauschte Messsignal von GW150914, müssten alternative Erklärungen für die Messwerte innerhalb oder außerhalb der ART mathematisch sehr nah an der bekannten Lösung nach Einstein liegen.

Außerdem betrachteten die Forscher einzelne Teile des Signals sehr genau. So berechneten sie aus dem niederfrequenten Teil, der mit dem einsetzenden Umkreisen der Schwarzen Löcher erklärt wird, die Masse und die Rotation der beiden Objekte und mit Hilfe der ART daraus wiederum die Masse und Rotation des neuen Schwarzen Lochs, das nach der Verschmelzung übrig geblieben sein sollte. Die Gegenprobe lieferte eine Berechnung der beiden Größen für das neue Schwarze Loch aus dem späten, hochfrequenten Teil von GW150914. Bis auf die erwarteten Messunsicherheiten waren die beiden Ergebnisse konsistent.

Ein weiterer Test erfasste höhere mathematische Terme einer so genannten Reihenentwicklung des Gravitationswellensignals nach der Geschwindigkeit seiner Quellen, also der Schwarzen Löcher. So konnten die LIGO-Forscher das Ereignis gegen das Signal eines Binärsystems aus zwei Pulsaren abgrenzen. Damit bestätigt GW150914 erstmals experimentell alle theoretischen Erwartungen, die man an Schwarze Löcher und das Ereignis der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher hatte. Es ist der erste Nachweis, dass die ART auch für "extreme Raumzeitdynamiken am Ereignishorizont Schwarzer Löcher" gilt, wie Frans Pretorius von der Princeton University in einem Kommentar zu der Studie schreibt. Alternative Modelle der Gravitation müssten für dieses und alle anderen Messsignale eine ebenso passende Erklärung finden. Die Entdeckung und Vermessung von GW150914 hat die Messlatte dafür nun sehr hoch gelegt.

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