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Das Zirpen der Neutronensterne

Gravitationswellen, die astronomische Objekte aussenden, ähneln in einiger Hinsicht mehr einem Orchesterklang als einem Bild - was uns etwa von einem Paar umeinander kreisender Neutronensterne erreicht, ist kein unzusammenhängendes Gemisch vieler kleiner Beiträge, aus denen sich die Detailstruktur des Entstehungsgebiets rekonstruieren ließe, sondern eine harmonische Gesamtwelle, die Informationen über ihren großräumigen Entstehungsprozess enthält.

Tatsächlich geht die Analogie noch weiter, denn die Frequenzen einiger Gravitationswellen liegen im gleichen Frequenzbereich wie die von einer ganz anderen Art von Wellen - den Schallwellen nämlich, die wir mit unseren Ohren hören können. Diese Gravitationswellensignale lassen sich daher in hörbare Töne "übersetzen" - überträgt man die Frequenz ders Gravitationswellensignals und seine zeitliche Entwicklung auf Schall, so kann man bestimmte kosmische Prozesse hörbar machen.

Kreisende Neutronensterne

Bestes Beispiel sind zwei Neutronensterne, die umeinander kreisen. Durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert ein solcher Doppelstern fortwährend Energie. Durch diesen Energieverlust kommen die Neutronensterne einander immer näher, die Umlaufzeit wird immer kürzer und auch die Schwingungsdauer der Gravitationswellen (die gerade die Hälfte der Umlaufzeit beträgt) wird immer kürzer, entsprechend steigender Frequenz. Da mit schnellerem Umlaufen auch der Energieausstoß steigt, schaukelt sich der Prozess auf, und kurz, bevor die Neutronensterne sich so nahe gekommen sind, dass sie miteinander verschmelzen, wird die Frequenz merklich immer schneller immer größer. Grafisch ist dieser Prozess in dem folgenden Bild dargestellt:

Chirp-Grafik

Wieweit die blaue Kurve von der Mittellinie abweicht ist dabei ein Maß für die Stärke der Raumverzerrungen, die die Gravitationswelle bewirkt. Je enger Wellenberge und -täler der blauen Kurve beieinanderliegen, umso größer ist die Frequenz der Welle. Wie in der Abbildung sichtbar, nimmt die Frequenz der Welle mit der Zeit stark zu, ebenso wie die maximale Stärke der Raumzerzerrungen.

"Hörbare" Gravitationswellen

In hörbare Töne übersetzt entspricht das einer Art Zirpen - einem Ton, der leise und tief beginnt, und dann immer höher und immer lauter wird. Die folgende Audio-Datei im MP3-Format lässt ein solches Zirpen verschmelzender Neutronensterne erklingen:

Abspielen [MP3, 71 kB], Download [ZIP, 38kB]
[© B. Owen, Penn State University]

Für Astrophysiker wäre ein direkter Nachweis solch eines Zirpens hochinteressant - der Verlauf des Zirpens enthält nämlich Informationen über die Stärke der ausgesandten Gravitationswellen. Vergliche man dies mit der Stärke der Welle, die uns hier auf der Erde tatsächlich erreichten, dann könnte man erschließen, wie weit das verschmelzende Sternpaar von uns entfernt ist: Je weiter in den Raum die Wellen hinauseilen mussten, um uns zu erreichen, umso weniger davon kommt hier bei uns auf der Erde davon an.

Vor dem Nachweis steht allerdings noch die technische Herausforderung. Die folgenden beiden Audio-Dateien im MP3- Format illustrieren dies: Die erste davon macht das Signal eines Neutronensterns hörbar, der immer schneller um ein Schwarzes Loch kreist und schließlich hineinfällt:

Abspielen [MP3, 88 kB], Download [ZIP, 40kB]
[© AEI/GEO600]

Hier dasselbe Signal, überlagert vom Rauschen der Störeinflüsse, das sich in einem interferometrischen Gravitationswellendetektor wie GEO 600 über die kosmische Melodie legt:

Abspielen [MP3, 187 kB], Download [ZIP, 183kB]
[© AEI/GEO600]

Nur die allerletzte Phase des Verschmelzungsprozesses, entsprechend den lautesten und höchsten Tönen, kann sich gegen das Grundrauschen behaupten.

 


Further Information

Die relativistischen Grundkonzepte, die diesem Vertiefungsthema zugrundeliegen, werden in Einstein für Einsteiger erklärt, insbesondere im Abschnitt Gravitationswellen.

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