Gravitationswellen sollen zusätzliche Dimensionen offenbaren


Computersimulation der von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern ausgelösten Gravitationswellen in der Raum-Zeit (Illu.)
Copyright: LIGO

Potsdam (Deutschland) – Neben den uns bekannten drei Raumdimensionen und der Zeit gelten zusätzliche Dimensionen bislang entweder als Fantasieprodukte von Mystery- und Science-Fiction-Romanen oder aber als bislang lediglich theoretisch angedachte Konstrukte kosmologischer Konzepte und physikalischer Theorien, wie etwa der bis zu 10-dimensionalen sog. String-Theorie. Physiker wollen nun in Gravitationswellen nach Hinweisen auf verborgenen Dimensionen suchen.

Wie Forscher um Gustavo Lucena Gómez und David Andriot vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik gegenüber dem „New Scientist“ erläuterten, basiert ihre Hypothese auf der Frage, warum die Gravitation so deutlich schwächer erscheint als die anderen physikalischen Grundkräfte im Universum. Eine Möglichkeit sehen die Wissenschaftler darin, dass „unsere“ Gravitation auch mit anderen, uns bislang nicht bekannten Dimensionen wechselwirkt.

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Während wir zur Beschreibung des von uns vordergründig wahrnehmbaren Universums mit den vier uns bekannten Dimensionen gut auskommen, stoßen wir damit schon beim Versuch des Verstehens dessen, wie sich Materie im Kleinsten verhält, an Grenzen. Das Konzept von mindestens sechs weiteren Dimensionen, wie sie beispielsweise die String-Theorie „in den Raum stellt“, schafft da Abhilfe und Erklärt das Verhalten unseres Universums auf subatomarer und Quantenebene sehr viel besser.

Hintergrund
Derzeit gilt die String-Theorie als eine der vielversprechendsten Ansätze für eine Verbindung zwischen der klassischen und der Quantenphysik. Laut ihr bestehen selbst die kleinsten bislang nachweisbaren Teilchen, sie sog. Quarks, selbst noch aus kleineren, eindimensionalen, vibrierenden filamentartigen, also fadenartigen Strukturen – eben den sogenannten Strings. Diese „Strings“ sind nun in der Lage, sämtliche bekannten Naturkräfte auf einen Streich zu beschreiben: Gravitation, Elektromagnetismus und die Kernkräfte. Zudem könnten sie auch erklären, warum unser Universum sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt.

Das einzige Problem ist jedoch, dass die String-Theorie eben besagte 10 Dimensionen erfordert, von denen wir bislang noch nicht einmal eine weitere jenseits der uns bekannten vier Dimensionen gefunden haben geschweige denn auch nur ansatzweise nachweisen können.

Gómez und Andriot hoffen nun, dass die schon von Einstein vorhergsagten und im vergangenen Jahr erstmals nachgewiesenen Gravitationswellen (…GreWi berichtete) Hinweise auf zusätzliche Dimensionen offenbaren können, da diese auch möglicherweise bei ihrer Reise durch das Universum auch die kleinsten Dimensionen durchqueren und mit diesen auf eine für uns erkennbare Weise wechselwirken könnten.

In einem mathematischen Modell haben die beiden Wissenschaftler jene Effekte beschrieben, wie sie verborgene Dimensionen auf Gravitationswellen haben dürften und dabei zwei Schlüsselfaktoren gefunden: Zum einen könnten spezielle Wellen mit hoher Frequenz existieren und zum anderen könnten die betroffenen Gravitationswellen entlang der zusätzlichen Dimensionen die Raum-Zeit unterschiedlich verzerren.

Die erste Art der beschriebenen besonderen Gravitationswellen hätten jedoch eine für derzeitige Detektoren wie das LIGO-Observatorium zu hohe Frequenz – weshalb die Empfindlichkeit dieser Instrumente um das rund 1000-fache erhöht werden müsste. „Dann aber wäre es durchaus möglich, ein sehr deutliches Signal zu empfangen, wie es sich eindeutig von bekannten astrophysikalischen Quellen unterscheiden würde. (…) Derartig hohe Frequenzen von mehr als 1.000 Hz wären dann recht eindeutige Symptome einer neuen Physik“, so die Forscher gegenüber dem „New Scientist„.

Die zweite Form der Hinweise auf bislang unbekannte Dimensionen in den Eigenschaften von Gravitationswellen, wäre besagte Abweichung von der Art und Weise, wie Gravitationswellen die Raum-Zeit (also die Struktur des Universums) in einer bestimmten Art und Weise verzerren würden. „Auch hier ließe sich wahrscheinlich eine sehr deutliche Signatur in den Messwerten erkennen.“

Notwendig hierfür wäre eine Anlage aus drei Detektoren wie das an der Erstentdeckung der Gravitationswellen beteiligte Gravitationswellenobservatorium LIGO, mit denen die gleiche Gravitationswelle simultan beobachtet und vermessen werden müsste.

Bislang, so streichen die Forscher selbst hervor, befinde sich die Hypothese und Fragen ihrer Überprüfbarkeit und deren Umsetzung allerdings noch in einer frühen Phase. Die beiden Forscher haben einen Fachartikel kürzlich via ArXiv.org vorveröffentlicht und erwarten nun das Expertenfeedback und Kritik von Fachkollegen weltweit.

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