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Gravitationsphysik: Erde und Jupiter als Observatorium für Gravitationswellen

Planeten wie Jupiter und Erde könnten als riesiges Weltall-Observatorium dienen. Durch ihre Magnetosphäre könnten Gravitationswellen in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden.



Laut einer Forschungsgruppe des Instituts für Hochenergiephysik in Peking und der Universität für Wissenschaft und Technologie in Hongkong können Planeten wie die Erde und der Jupiter dazu genutzt werden, um Gravitationswellen zu entdecken. Die Planeten in unserem Sonnensystem dienen dabei als riesige Observatorien.

Mit ihren Magnetosphären könnten schwer fassbare Gravitationswellen in leichte Teilchen umgewandelt werden, die von speziell entwickelten Raumsonden in der Umlaufbahn aufgefangen werden. Dieser Ansatz könnte zur Beobachtung von hochfrequenten Gravitationswellen führen, die möglicherweise direkt nach dem Urknall entstanden und mit den bestehenden bodengestützten Einrichtungen nicht zu erfassen sind.

Gravitationswellen sind Wellen der Raumzeit, die durch die gewaltigsten Prozesse im Universum verursacht werden. So kann die Kollision zweier schwarzer Löcher in der Umlaufbahn eine enorme Menge an Gravitationsenergie freisetzen, die sich in alle Richtungen von der Quelle weg ausbreitet. Diese kosmischen Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, enthalten grundlegende Informationen über ihren Ursprung und die Natur der Schwerkraft selbst.

Der inverse Gertsenshtein-Effekt

Diverse Forschungsgruppen haben Wege erforscht, um hochfrequente Gravitationswellen indirekt zu beobachten. Dazu gehört unter anderem der inverse Gertsenshtein-Effekt. Dieser beschreibt die Umwandlung von Gravitationswellen in elektromagnetische Wellen in Gegenwart eines externen Magnetfelds.

Wenn Licht ein starkes Magnetfeld durchlaufe, erzeuge es eine Gravitationswelle – und umgekehrt, so der russische Physiker Mikhail Gertsenshtein. Lange Zeit galt diese Idee als experimentell nicht umsetzbar, da das Magnetfeld astronomisch groß und sehr weit im Raum verteilt sein müsste.

Jupiter und Erde als Magnete

Doch die Erde und der Jupiter könnten als riesige Magnete verwendet werden, erklärt die chinesische Forschungsgruppe. Das Magnetfeld der Erde entstehe durch die Bewegung von geschmolzenem Eisen im Erdkern, das eine Magnetosphäre bilde, die sich weit in den Weltraum erstrecke und den Planeten vor Sonneneruptionen und kosmischer Strahlung schütze.

Das Team berechnete die potenzielle Menge und die Frequenzen von Lichtteilchen, die mit hochfrequenten Gravitationswellen erzeugt werden, die die Magnetosphären von Erde und Jupiter durchlaufen. Die Ergebnisse seien sehr ermutigend, so die Forscher.

Zudem nutzten sie auch bestehende wissenschaftliche Sonden, um zu zeigen, dass sie möglicherweise bereits einige der aus Gravitationswellen umgewandelten Lichtteilchen eingefangen haben. Darunter Japans Röntgenastronomie-Satellit Suzaku und die Juno-Sonde der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa.

"Im Vergleich zu anderen Nachweismethoden kann unser Ansatz einen breiten Bereich von Gravitationswellenfrequenzen abdecken. Neben anderen Vorteilen haben wir auch Gewissheit über die Stärke des Magnetfelds", erklärte Mitautor Liu Tao von der Hongkong Universität der South China Morning Post.

Zur Studie

Die Forschungsarbeit wurde am 28. März 2024 in der Fachzeitschrift Physics Review Letters veröffentlicht: Limits on High-Frequency Gravitational Waves in Planetary Magnetospheres (Grenzwerte für hochfrequente Gravitationswellen in planetarischen Magnetosphären).

https://glm.io/184791
https://journals.aps.org/prl/abstrac...ett.132.131402
https://www.scmp.com/news/china/scie...pgtype=article