Mario Sedlak
Wissenschaft
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Frequenzen von Gravitationswellen

Im Vergleich zu elektromagnetischer Strahlung haben Gravitationswellen viel niedrigere Frequenzen. Nach unten gibt es nur durch die Größe des Universums eine Grenze (wobei zu beachten ist, dass erst einige Wellenlängen von der Quelle entfernt das typische Aussehen einer Welle sichtbar wird, da in der Nähe Beiträge, die mit der 3. Potenz des Abstands abfallen, noch dominieren[1]).

Nach oben hin ist bei Gravitationswellen früher Schluss, da kosmische Körper nicht so schnell wie geladene Teilchen schwingen bzw. einander umkreisen können.

Größenordnungen

Frequenz Periodendauer Wellenlänge (vermutete oder nachgewiesene) Ursache
ab 3·10−18 Hz bis 10 Mrd. Jahre bis 10 Mrd. Lichtjahre Dichteschwankungen kurz nach dem Urknall
10−9 Hz 32 Jahre 32 Lichtjahre supermassive Schwarze Löcher, die einander umkreisen (in Zentren von Galaxien)[2]
10−6 Hz 11,5 Tage 300 Mrd. km 2 supermassive Schwarze Löcher bei der Verschmelzung[3]
bis 250 Hz ab 4 ms ab 1200 km 2 kleinere Schwarze Löcher oder Neutronensterne bei der Verschmelzung
10–1000 Hz 1–100 ms 300–30 000 km schnell rotierender, nicht 100% rotationssymmetrischer Neutronenstern
bis 1 kHz ab 1 ms ab 300 km Supernova[4]
> 10 kHz < 0,1 ms < 30 km hypothetische sonderbare kosmische Körper oder Ereignisse kurz nach dem Urknall[5]

Messung

Frequenz Periodendauer Wellenlänge (theoretisches oder bereits erfolgreiches) Verfahren
10−17–10−15 Hz 32 Mio.–3 Mrd. Jahre 32 Mio.–3 Mrd. Lichtjahre Messung der Polarisierung der kosmischen Hintergrundstrahlung
10−9–3·10−5 Hz 1 Tag–32 Jahre 30 Mrd. km-32 Lichtjahre Pulsar Timing Array[6]
10−4–0,1 Hz 10 Sekunden–2 3/4 Stunden 3 Mio.–3 Mrd. km Interferometer im Weltraum (LISA)
10–1000 Hz 1–100 ms 300–30 000 km Interferometer auf der Erde (LIGO)

Beim Interferometer LISA im Weltall ergibt sich die obere Frequenzgrenze durch die Messtrecke, die Millionen Kilometer lang ist. Gravitationswellen mit kürzerer Wellenlänge können damit nicht verstärkt werden.

Auf der Erde sind Frequenzen unter 10 Hz kaum zu messen, weil seismische Schwingungen schwer ausgefiltert werden können ("Ein Pendel, dessen Auslenkungspunkt man ganz langsam hin und her bewegt, bewegt sich mit."). Als dominierende Störquellen werden angegeben:[7]

< 1 Hz Wetter (Wolken und Dichteschwankungen der Atmosphäre ziehen, vom Wind getrieben, über den Detektor und üben – wie jede Masse – eine gravitative Anziehungskraft aus.)
< 40 Hz (minimale) Erdbeben
40–200 Hz thermische Schwingungen in den Aufhängungen
> 200 Hz Schrotrauschen (dadurch, dass einzelne Lichtquanten gemessen werden)
kurze Störimpulse wenn die Aufhängungen plötzlich nachgeben (auf mikroskopischer Ebene)

Weiter

Leistung von Gravitationswellen

Quellen

[1] Gravitational waves demystified: "you only start to see propagating wave-like behaviour when you're several wavelengths from the source (closer in the 1/r3 near-zone field dominates over the 1/r radiative field)"; "gravitational and electromagnetic radiation are basically quite similar."
[2] Exploring realistic nanohertz gravitational-wave backgrounds – "Hundreds of millions of supermassive black hole binaries are expected to contribute to the gravitational-wave signal in the nanohertz frequency band."
[3] Probing supermassive black hole mergers and stalling with pulsar time arrays (PDF), S. 2 – "the innermost stable circular orbital frequency of an equal-mass 109 M☉" supermassive black hole binary "is ~4 µHz, assuming it is not spinning."
[4]
  • Einstein-Online: Schwingende Körper – "Im Frequenzbereich um 1000 Hertz erwarten die Astrophysiker nur ganz kurze Gravitationswellenpulse, die entstehen, wenn ein Stern als Supernova explodiert."
  • Welt der Physik: Wie entstehen Gravitationswellen? – "Supernovae zählen mit Emissionen von bis zu einem Kilohertz zu den hochfrequenteren Gravitationsquellen."
[5] Gravitational Waves Initiative: Ultra-High-Frequency Gravitational Waves – "Gravitational waves at frequencies higher than 10 kHz are bound to be sourced by some phenomenon involving beyond the Standard Model physics, such as exotic astrophysical objects or cosmological events in the early Universe. In particular, several cosmological sources – for instance preheating after inflation and phase transitions at high energies – would leave their imprint in the gravitational wave spectrum at frequencies around the GHz."
[6] NASA/ADS: The astrophysics of nanohertz gravitational waves – "PTAs are sensitive to the frequency band ranging just below 1 nanohertz to a few tens of microhertz."
[7] Vorlesungsskriptum Gravitational Waves (PDF), S. 5 und 12 (Abschnitt 3.3)

Seite erstellt am 1.5.2023 – letzte Änderung am 6.3.2024