12 Feb. Laserlicht als Sonde der Quantengravitation
Gravitationswellen entstehen bei extremen astrophysikalischen Ereignissen wie der Verschmelzung schwarzer Löcher oder der Kollision von Neutronensternen. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und führen zu minimalen Verzerrungen der Raumzeit. Nachdem ihre Existenz 2015 erstmals experimentell nachgewiesen wurde, entwickelt Professor Ralf Schützhold, theoretischer Physiker am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), nun ein Konzept, mit dem sich Gravitationswellen nicht nur detektieren, sondern gezielt beeinflussen lassen könnten.
Laser und Gravitation koppeln
Ausgangspunkt ist nach Angaben des Forschers die fundamentale Wechselwirkung zwischen Gravitation und elektromagnetischer Strahlung. Nach Schützholds Ansatz kann Laserlicht Energie mit einer Gravitationswelle austauschen. Dabei überträgt eine Lichtwelle winzige Energiequanten auf die Gravitationswelle oder nimmt diese von ihr auf. In theoretischen Modellen entspricht dieser Energieaustausch der Emission oder Absorption von Gravitonen, den bislang hypothetischen Quantenteilchen der Gravitation. Für das Licht äußert sich dieser Prozess in einer extrem kleinen Frequenzverschiebung. Um diesen Effekt messbar zu machen, schlägt Schützhold ein Interferometerkonzept vor, bei dem intensive Laserpulse über eine große effektive Weglänge mehrfach zwischen Spiegeln reflektiert werden. Bei einer Anlagenlänge von etwa einem Kilometer und bis zu einer Million Umläufen ließe sich eine optische Weglänge im Bereich von einer Million Kilometern realisieren. In einem solchen Aufbau könnten zwei Lichtwellen, die unterschiedlich mit einer einfallenden Gravitationswelle wechselwirken, nach dem Durchlaufen des Interferometers ein messbares Interferenzmuster erzeugen, sagt der Physiker.
Gravitonen-Theorie bestätigen oder widerlegen
Die Idee knüpft konzeptionell an bestehende Gravitationswellendetektoren wie Ligo an, geht nach Aussage des Forschers jedoch einen Schritt weiter. Schützholds Ansatz würde erstmals eine kontrollierte Wechselwirkung zwischen Licht und Gravitationswellen untersuchen. Durch den Einsatz quantenmechanisch verschränkter Lichtpulse ließe sich die Empfindlichkeit zusätzlich steigern. Das vorgeschlagene Experiment könnte somit auf lange Sicht Hinweise auf Quanteneigenschaften des Gravitationsfelds liefern. Zwar wäre damit noch kein direkter Nachweis von Gravitonen verbunden, doch ließe sich überprüfen, ob die vorhergesagten quantenmechanischen Effekte tatsächlich auftreten. Abweichungen von den Erwartungen würden bestehende theoretische Modelle infrage stellen und neue Ansätze in der Quantengravitation erforderlich machen.
Originalveröffentlichung:
[R. Schützhold: Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light, in Physical Review Letters, 2025, DOI: 10.1103/xd97-c6d7]
Quelle: www.hzdr.de
Bild: B. Schröder / HZDR