WISSENSCHAFT AKTUELL

Zur Kooperation der Potsdamer Universität mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen

GRAVITATIONSWELLEN, SCHWARZE LOCHER UND DIE ALLGEMEINE RELATIVITÄTSTHEORIE

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)

Eines der Markenzeichen der Potsdamer Universität ist ihre enge Zu­sammenarbeit mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen, die sich in Potsdam und seinem unmittelbaren Umland sehr zahlreich an­gesiedelt haben. Für diese Kooperation, die über an anderen Stand­orten üblichen Verknüpfungen weit hinausgeht, wurden verschieden­artige Formen entwickelt: so z. B. gemeinsame Berufungen von Pro­fessoren, die Durchführung gemeinsamer Studiengänge und der Auf­bau Interdisziplinärer Zentren. Auch laufen die Vorbereitungen für die Errichtung ei­nes gemeinsamen Campus’ der Potsdamer Naturwissenschaften mit Instituten der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) in Golm der­zeit auf Hochtouren. In dieser Ausgabe der PUTZ wird das Albert-Einstein-Institut (AEI) der Max-Planck-Gesellschaft (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) vorgestellt.

Anfang dieses Jahrhunderts entwickelte Albert Einstein die Allgemeine Relativitäts­theorie, 1916 wurde sie in den Annalen der Physik veröffentlicht. Ihre Gleichungen be­schreiben, wie die Gravitation (also das Kraftfeld, welches ein Körper aufgrund sei­ner Masse erzeugt und welches mit ande­ren Massen wechselwirkt) auf Raum und Zeit wirkt. Nach der Allgemeinen Relativi­tätstheorie kommen die Erscheinungen der Schwere dadurch zustande, daß jeder Kör­per in seiner Umgebung den Raum krümmt und den Zeitablauf beeinflußt und umge­kehrt jeder Körper diese Krümmung spürt, wodurch seine Bewegung bestimmt wird.

Schwarze Löcher und Allgemeine Relativitätstheorie

Eine Einstein selbst unheimliche Folgerung aus der Relativitätstheorie bezieht sich auf das Endstadium im Leben der Sterne. Die­ses wird erreicht, wenn ein Stern in seinem Innern nicht mehr ausreichend Energie produziert. Dann nämlich beginnt er auf­grund seiner eigenen Gravitation in sich zu­sammenzustürzen. Dabei kann er entweder wieder einen genügend großen Innendruck aufbauen, so daß er sich stabilisiert und ei­nen sogenannten Neutronenstern bildet. Unter bestimmten Vorraussetzungen aber, unter anderem muß die Masse des Sterns einen bestimmten kritischen Wert über­schreiten, stabilisiert sich der kollabieren­de Stern nicht mehr, sondern fällt immer weiter in sich zusammen.

Nach der Relativitätstheorie bildet sich wäh­rend des Zusammensturzes eine den Stern umgebende Fläche, aus deren Innern keine Signale oder Teilchen nach außen gelangen können; bereits Robert Oppenheimer und Hartland Snyder formulierten 1939 in ihrer Arbeit über Schwarze Löcher: „Der kollabie­rende Stern strebt danach, sich gegen jede Kommunikation mit einem entfernten Beob­achter abzuschließen; nur sein Gravitations­feld bleibt bestehen.“ Im Innern dieses so­

Zeitlicher Verlauf (vertikale Achse) des Zusam­menstoßes zweier Schwarzer Löcher.

Abb.: Anninos, Masso, Seidel, Suen, Walker 0.

genannten Horizonts entsteht eine Singulari­tät des Gravitationsfeldes. Ein Stern, dem dieses Schicksal wiederfährt, endet als Schwarzes Loch. Die Existenz Schwarzer Löcher sowie anderer Singularitäten folgen unter gewissen Voraussetzungen aus den Lösungen der Gravitationsgleichungen. „Es ist noch ein schwieriges und ungeklärtes Problem, herauszubekommen, wie die Be­dingungen genau aussehen müssen, damit bei einem solchen Prozeß ein Neutronen­stern beziehungsweise ein Schwarzes Loch übrigbleibt“, sagt Prof. Dr. Jürgen Ehlers, Di­rektor des Albert-Einstein-Instituts (AEI) und Honorarprofessor an der Universität Pots­dam. Unter anderem werden am AEI die für die Entstehung Schwarzer Löcher notwendi­gen Voraussetzungen untersucht.

Das Institut, welches seine Arbeit im April 1995 aufnahm, ist eines der drei neu­gegründeten Institute der Max-Planck-Ge­sellschaft in Brandenburg, die zusammen mit den Naturwissenschaften der Universität einen gemeinsamen Campus in Golm bil­den sollen. Dabei trägt das Institut sein For­schungsgebiet in die Universität, nämlich die Weiterentwicklung der Theorie der Gra­

vitation als Tfeil der Allgemeinen Relativitäts­theorie sowie Arbeiten, die zur Vereinigung von Quantentheorie und Allgemeiner Relati­vitätstheorie beitragen sollen. Hierfür Potsda­mer Studenten zu interessieren und ihnen eine Diplom- oder Doktorarbeit am AEI zu ermöglichen, ist eines der Ziele des Instituts. Bereits jetzt halten neben Ehlers weitere Mitarbeiter des Instituts Vorlesungen an der Universität. Darüber hinaus findet in jedem Semester ein Seminar am AEI statt, welches ebenfalls für Studenten zugänglich ist.

Die Arbeitsgruppe „Allgemeine Relativi­tätstheorie“ am AEI, deren Leiter Ehlers ist, konzentriert sich auf die physikalischen Grundlagen und mathematischen Metho­den der Allgemeinen Relativitätstheorie. Den Kern dieser Theorie bilden die Einstein- schen Gravitationsfeldgleichungen. Läßt sich in einem rechtwinkligen Koordinatensy­stem beispielsweise der Abstand zweier Punkte durch den Satz des Pythagoras be­rechnen, so ist in Räumen, die (aufgrund der Gravitation) gekrümmt sind, dafür ein sehr viel komplizierterer Ausdruck nötig, der durch die sogenannte Metrik bestimmt wird. Diese Metrik beschreiben zehn komplizier­te Funktionen von Ort und Zeit. Die Einstein- schen Gleichungen schreiben nun vor, wie diese zehn Gleichungen mit der Massen- und Impulsdichte der Matene verknüpft sind. Am AEI untersucht man allgemeine Lösungen dieser Gleichungen. Dazu gibt man lediglich die Art der Materie vor - im Falle einer Gaswolke beispielsweise müs­sen deren Druck und Dichte sowie ihr Geschwindigkeitsfeld in die Gleichung ge­schrieben werden - und untersucht z.B., ob das Feld in großen Entfernungen der Gas­wolke in bestimmter Weise abfällt, oder ob die Gleichungen ein statisches Gebilde be­schreiben. Aber auch die Frage, in welchen Fällen sich Singularitäten, wie etwa ein Schwarzes Loch, im Gravitationsfeld bilden, sind hier Thema der Forschung.

Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitationswellen

Besonders spannend ist es für die Physiker, den Zusammenstoß von Schwarzen Löchern zu berechnen. „Dabei lernen wir zum einen, wie man diese komplizierten Einsteinschen Feldgleichungen in einem physikalisch wichtigen Fall lösen kann. Zum anderen ist der Zusammenstoß von Schwarzen Löchern vermutlich eme der wichtigsten Quellen für Gravitationswellen, die man gerne nachwei- sen möchte, “ erklärt Ehlers. Die Existenz von Gravitationswellen folgt ebenfalls aus der

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