Quantendetektor für Gravitationswellen

Auf einen Schreibtisch passt er zwar nicht, aber doch in einen normalen Laborraum: Forscher aus Großbritannien und Israel haben einen Detektor für Gravitationswellen vorgeschlagen, der nicht mit kilometerlangen Laserstrahlen, sondern mit einer Wolke aus extrem kalten Gas-Atomen arbeitet. Die Schwingungen der Raumzeit regen in einem solchen Bose-Einstein-Kondensat eine Art akustischer Schwingung an, wie das Team in einer online auf dem wissenschaftlichen Dokumentenserver arXiv publizierten Analyse zeigt.

„Der Nachweis von Gravitationswellen mit dieser Methode ist in Reichweite der experimentellen Möglichkeiten“, schreiben Carlos Sabín von der University of Nottingham und seine Kollegen. Albert Einstein hatte die Existenz von Gravitationswellen im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt: Schnelle Bewegungen massereicher Objekte führen demnach zu Schwingungen des Raumes und der Zeit, die sich wellenförmig mit Lichtgeschwindigkeit im Kosmos ausbreiten. Als astrophysikalische Ursachen von Gravitationswellen kommen beispielsweise explodierende Sterne und kollidierende Schwarze Löcher infrage.

Mit gewaltigen Detektoranlagen wie dem US-amerikanischen Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, kurz LIGO, suchen Physiker in aller Welt nach den Raumzeit-Schwingungen – bislang ohne Erfolg. LIGO besteht aus zwei Anlagen mit jeweils zwei vier Kilometer langen Armen, in denen Laserstrahlen hin und her sausen. Sabín und seine Kollegen verfolgen nun einen ganz anderen Ansatz. Kühlt man ein aus Atomen bestehendes Gas ausreichend ab, so geht es in einen exotischen Quantenzustand über, es bildet ein Bose-Einstein-Kondensat. Experimente zeigen, dass Änderungen zum Beispiel der Größe der Kammer, in der sich das Gas befindet, zu Schwingungen in dem Kondensat führen.

Auch Gravitationswellen ändern die Kammergröße, argumentieren Sabín und seine Kollegen und sollten deshalb nachweisbare Schwingungen, so genannte Phononen, erzeugen. Wie die Forscher in ihrer Analyse zeigen, liegt der Effekt nicht nur in Reichweite der experimentellen Möglichkeiten: Ein solcher Detektor wäre zudem viermal empfindlicher für Gravitationswellen als etwa LIGO. Diesen Vergleich hält Hartmut Grote vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover allerdings für falsch: „Es wird eine sehr lange Integrationszeit mit einer spektralen Dichte bei LIGO verglichen – LIGO ist bei sehr langer Integrationszeit aber auch viel empfindlicher.“ Grote ist Forschungsgruppenleiter am deutsch-britischen Gravitationswellen-Detektor Geo600. „Wenn die Methode also funktioniert, ist sie noch sehr weit davon entfernt, den Laser-Interferometern Konkurrenz machen zu können – ich würde schätzen Jahrzehnte.“