Hannover. Wenn Forschende Gravitationswellen messen, lauschen sie dem Universum. Doch was passiert, wenn nicht nur einzelne Schwarze Löcher ein Signal senden, sondern der ganze Kosmos selbst in Bewegung ist? Genau diese Frage hat ein Team der Leibniz Universität Hannover (LUH) nun genauer beantwortet. Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Gravitationswellensignale in einem expandierenden und zugleich leicht schwingenden Universum eindeutig beschreiben lassen. Das Team um Dr. Guillem Domènech vom Institut für Theoretische Physik richtet den Blick dabei nicht auf abstrakte mathematische Felder, sondern auf das, was ein Detektor tatsächlich messen würde.Gravitationswellen gelten als winzige Verformungen der Raumzeit. Seit der ersten direkten Messung im Jahr 2015 sind Signale etwa von verschmelzenden Schwarzen Löchern gut verstanden, solange sie sich durch nahezu leeren, ruhigen Raum bewegen. In der Kosmologie ist die Lage komplizierter: Denn der Kosmos ist kein stiller, glatter Hintergrund. Er dehnt sich aus. Er enthält Galaxien, Schwarze Löcher, Sterne, Gaswolken und unsichtbare Materieverteilungen. Überall gibt es kleine Schwankungen. Dadurch ist auch die Raumzeit selbst nicht vollkommen ruhig.

Das Problem klingt fast philosophisch, ist aber sehr praktisch: Wenn das ganze Universum leicht „wackelt“, was misst ein Gravitationswellendetektor dann eigentlich? Ist es wirklich eine Gravitationswelle? Oder nur ein Effekt der Art, wie Forschende das Universum mathematisch beschreiben?

Genau hier setzt die Arbeit von Dr. Guillem Domènech und seinem Team am Institut für Theoretische Physik der Leibniz Universität Hannover an. Dafür betrachten sie ein realistisches Experiment: Zwei frei fallende Testmassen oder Atomuhren werden durch Lichtsignale miteinander verbunden. Kommt eine Gravitationswelle vorbei, verändert sich die Laufzeit oder Frequenz dieses Lichts winzig klein. Genau solche Veränderungen wären messbar. Der entscheidende Punkt: Das Team berechnet diese Messgröße so, dass sie unabhängig davon ist, welches mathematische Koordinatensystem verwendet wird. Das ist wichtig, weil in der Kosmologie manche Effekte auf dem Papier entstehen können, aber nicht zwangsläufig etwas sind, das ein Detektor wirklich sehen würde.

Man könnte sagen: Die Forschenden bauen eine Art Übersetzer zwischen Theorie und Messgerät. Dieser Übersetzer soll helfen, echte Signale von rechnerischen Schein-Effekten zu unterscheiden. Das ist besonders wichtig für die Suche nach sehr alten Gravitationswellen, die möglicherweise aus der Frühzeit des Universums stammen. Solche sogenannten primordialen Gravitationswellen wären eine Art Echo aus der kosmischen Kindheit. Sie könnten Hinweise darauf geben, wie sich das Universum kurz nach dem Urknall entwickelt hat.

Direkt sichtbar werden diese Signale dadurch noch nicht. Aber die neue Arbeit liefert einen zuverlässigeren theoretischen Rahmen dafür, wonach künftige Experimente eigentlich suchen sollen. Relevant ist das unter anderem für Pulsar Timing Arrays und für das geplante Weltraumobservatorium LISA. Und das ist eine wichtige Voraussetzung, um eines Tages vielleicht Signale aus der allerfrühesten Geschichte des Kosmos sicher erkennen zu können. RED