Können wir Aliens durch Gravitationswellen finden?

Alien vor Gravitationswellen

Stammen Krümmungen in der Raumzeit von Aliens? Das könnte gut sein. Auf diese Art und Weise könnten wir endlich mächtige außerirdische Zivilisationen aufspüren. Was ist wirklich dran? Und verraten Gravitationswellen wirklich Aliens?

Gibt es Aliens? Die Antwort muss “Ja” lauten, denn das Universum ist gigantisch groß. Astronomen gehen mittlerweile davon aus, dass es bis zu eine Billion Galaxien gibt, riesige Sterneninseln, die jeweils aus Milliarden Sternen und Planeten bestehen. Eine dieser Galaxien heißt Milchstraße. 

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Die Milchstraße besteht aus mindestens 200 Milliarden Sternen und noch mehr Planeten, Monden und Zwergplaneten. Dass es bei dieser unfassbaren Anzahl von Himmelskörpern nur auf der Erde Leben geben soll, wäre ein bisschen egozentrisch gedacht. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr hoch, dass auf einem Alien-Planeten da draußen außerirdische Lebewesen sitzen. 

Aliens verraten sich durch elektromagnetische Wellen

Und jetzt kommt das Praktische: Alien-Zivilisationen würden jede Menge Signale in den Weltraum senden, unfreiwillig. Wie wir. Wir senden Radiowellen aus. Auch alle anderen elektromagnetischen Wellen von der Erde breiten sich in jede Richtung in den Weltraum aus. Das erste, was Aliens von uns hören werden, wäre also vermutlich ein lustiger Radio Jingle aus den Achtzigern und die Seitenbacher-Werbung. 

Galaxie von oben
So weit reichen unsere ausgesendeten Signale

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Radiowellen von der Erde sind dennoch noch nicht allzu weit gekommen. Aber jetzt könnte man davon ausgehen, dass Alien-Zivilisationen schon viel länger existieren, als unsere Radios in den Weltraum tröten. Das kann sehr gut sein und das würde bedeuten, dass wir rein von der zurückgelegten Distanz eine Chance hätten, diese Signale aufzufangen. Jetzt kommt nur leider das große Aber. Die Art von elektromagnetischen Wellen, die wir zur Kommunikation nutzen, schwächt sich ab, wenn sie sich ausbreitet. Das macht es fast unmöglich, das Rauschen jenseits von ein paar 100 Lichtjahren herauszufiltern. Wenn Aliens nicht gerade in unserer direkten galaktischen Nachbarschaft Signale aussenden, dann haben wir kaum Chancen, sie aufzufangen.

Gravitationswellen erzeugt durch kosmische Kollisionen

Es gibt Wellen im Kosmos, die sich nicht abschwächen und die auch nichts mit dem Licht zu tun haben. Wellen, die so mächtig und ausdauernd sind, dass sie die Raumzeit selbst zum wackeln und vibrieren bringen: Gravitationswellen. Stellt euch mal einen Stein vor, der ins Wasser fällt und dabei gleichmäßig Wellen in jede Richtung auslöst. So ähnlich kann man sich auch die Entstehung von Gravitationswellen vorstellen. Sie werden durch massive kosmische Kollisionen erzeugt; die von uns auf der Erde entdeckten Gravitationswellen wurden durch Kollisionen zwischen massiven kompakten Objekten wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen erzeugt. 

Kollision von zwei schwarzen Löchern
Gravitationswellen entstehen, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander kollidieren

Wenn diese super schweren und dichten stellaren Leichen zusammenkrachen und verschmelzen, bringen sie die Raumzeit zum vibrieren. Und selbst wenn in sehr weiter Entfernung zwei Schwarze Löcher einen kosmischen Tanz vollenden, können wir hier auf der Erde mit sehr teuren Gerätschaften das dadurch entstehende Wackeln der Raumzeit messen. Auch Ihr erzeugt übrigens Gravitationswellen. 

Wir bringen die Raumzeit zum Wackeln

Alle Objekte mit einer Masse und einer Geschwindigkeit bringen die Raumzeit zum wackeln, aber eben nur sehr leicht. Das könnten wir mit unseren derzeitigen Nachweismethoden niemals messen. Es braucht schon sehr mächtige, schwere Objekte, damit Gravitationswellen entstehen, die wir feststellen können. 

Wenn Gravitationswellen sich nicht wie elektromagnetische Wellen über längere Distanzen merklich abschwächen, dann könnten wir sie nutzen, um Alien-Zivilisationen zu entdecken, egal wie weit sie weg sind, selbst am anderen Ende der Galaxis. Da wir festgestellt haben, dass unsere Messmethoden bislang nur erheblich starke Raumzeitkrümmungswellen nachweisen können, müsste die Alien-Technologie, die für uns nachweisbare Gravitationswellen erzeugt, verdammt beeindruckend sein. 

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RAMAcraft-Raumschiff – könnten wir es entdecken?

Forscher von der University of California in Los Angeles haben nun die Größe und Geschwindigkeit eines potentiell für uns auf diese Art nachweisbaren außerirdischen Raumschiffs errechnet – sie nannten es ein Rapid And/or Massive Accelerating Spacecraft, kurz RAMAcraft. Als Basis für die Berechnung dienten die Fähigkeiten des LIGO-Observatoriums, mit dem vor sieben Jahren erstmals Gravitationswellen nachgewiesen wurden, wofür es dann 2017 folgerichtig auch den Nobelpreis gab. Was die Forscher nun ausgerechnet haben, ist ein bisschen bizarr, also haltet euch gut fest: LIGO wäre in der Lage, ein RAMAcraft von der Masse des Jupiters, also mehr als 300 Erdmassen, mit einem Warp-Antrieb zu entdecken, der auf zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte. Wenn ein solches Raumschiff in einer Entfernung von bis zu 326.000 Lichtjahren von der Erde operieren würde, könnten wir es entdecken. 

So könnte das RAMAcraft-Raumschiff aussehen
So könnte das RAMAcraft-Raumschiff aussehen

Das klingt schon ein bisschen abgedreht. Aber seht es mal so: Ein solches RAMAcraft müsste kein traditionelles Raumschiff sein. Es könnte sich um gigantische Megastrukturen handeln wie sogenannte Dyson-Sphären, gigantische Konstruktionen, die fortschrittliche Zivilisationen um ganze Sonnen errichten könnten, um deren Energie vollständig zu nutzen. Oder riesige Generationenschiffe, die Aliens nutzen, um für Äonen durch die Galaxis zu reisen. Herausfinden können wir es nur, in dem wir genauer nachschauen und da sieht es so aus, als wäre die Gravitationswellenmethode unsere beste Chance. 

Nachweis von Gravitationswellen: RAMADAR

Der an der Studie beteiligte Physiker Gianni Martire sagt: “Unsere Studie über Warp-Antriebe hat den Weg für den Nachweis von Gravitationswellen geebnet. Wir sind bereits in der Lage, alle 10 hoch 11 Sterne in der Milchstraße auf Warp-Antriebe zu untersuchen, und bald auch in Tausenden anderer Galaxien.” Denn das Gravitationswellendetektionsprogramm soll nun ausgebaut und auf andere Galaxien erweitert werden unter dem Namen RAMAcraft Detection And Ranging, kurz RAMADAR. 

Definitiv eines der vielversprechendsten Projekte, um außerirdische Zivilisationen zu finden. Und vielleicht suchen auch Aliens mit genau dieser Methode nach anderen Lebensformen, haben aber viel feinere und bessere Messmethoden, so dass sie bereits Gravitationswellen von jedem irdischen Raketenstart empfangen haben. Möglich ist alles. 

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Quanten-Leuchten: Sensationeller Durchbruch beim Warp-Antrieb

Darstellung des Warp-Antriebs

Wir sind der Erforschung des Warp-Antriebs wieder einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler haben einen Durchbruch hinsichtlich des Quanten-Leuchtens gemacht.

Ihr alle kennt den Warp-Antrieb aus Star Trek. Zumindest dürfte euch das charakteristische Aussehen bekannt sein, sobald ein Raumschiff den Warp-Drive betätigt. Diese Optik des Warp-Antriebs, dieses ringförmige Glühen, entsteht durch den sogenannten Unruh-Effekt – und Wissenschaftler haben nun einen großen Durchbruch erzielt. 

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Wie funktioniert der Warp-Antrieb?

Aber immer der Reihe nach: Wie funktioniert überhaupt der Warp-Antrieb? Stellen wir uns zwei Himmelskörper vor, beispielsweise die Erde und den Mond – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. Seit Albert Einstein wissen wir, dass Raum und Zeit nicht statisch sind, sondern gestaucht und gedehnt werden können. Je schwerer etwas ist, desto mehr krümmt es den Raum. Und genau auf diese Art und Weise krümmen auch die Erde und der Mond die Raumzeit. In der Delle, die die Erde erzeugt, kugelt der Mond herum. In der Raumzeitdelle des Mondes wiederum könnte man mondgebundene Sateliten oder Raumstationen platzieren, die dann den Mond umkreisen. 

Die Erde krümmt den Raum wie bei einem Trampolin

Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich doch zunutze machen, um gigantische Strecken zu verkürzen. Und genau das tut der Warp-Antrieb aus Star Trek, ein bisschen wie ein Wurmloch, aber nicht ganz. Die USS Enterprise macht das Ganze wie folgt: in Reiserichtung wird die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer sogenannten Warp-Blase, in der die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Also eine Art transportable Raumzeitkrümmungsvorrichtung. Innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Gesetze der klassischen Physik würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff selbst nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Genial. 

Einem Kurztrip nach Proxima Centauri steht aber leider noch im Wege, dass die allermeisten Aspekte des Warp-Antriebs technisch noch nicht umsetzbar sind. Bis jetzt. Forscher der Universität Waterloo in Kanada haben einen großen Durchbruch erzielt. Das hat etwas – und jetzt festhalten – mit dem Fulling-Davies-Unruh-Effekt zu tun. 

Was ist der Unruh-Effekt?

Der Unruh-Effekt besagt Folgendes: Ein im Vakuum gleichmäßig beschleunigter Beobachter sieht anstelle des Vakuums ein Gas von Teilchen (wie Photonen, Elektronen, Positronen) mit einer Temperatur, die proportional zur Beschleunigung ist. Im Prinzip bezeichnet diese Formel das, was wir beim Warp-Drive bei Star Trek sehen oder auch in etwas weniger wissenschaftlich akkurater Form bei Star Wars, wenn der Hyperantrieb gestartet wird. Man könnte das Ganze auch etwas einfacher als Quantenleuchten bezeichnen. Klingt auch irgendwie romantischer. 

Formel des Unruh-Effekts

Was bedeutet Quantenleuchten?

Quantenleuchten bedeutet im Prinzip einfach nur Folgendes: Ein Körper, zum Beispiel die USS Enterprise, der sich schnell durch das Vakuum des Weltraums bewegt, sollte als Folge der Beschleunigung eine warme Strahlung erzeugen. Diese Strahlung kommt durch Quantenwechselwirkungen und Fluktuationen im Raum zustande, also durch Effekte auf der allerkleinsten Ebene, der Quantenebene. Noch einfacher gesagt: Wenn ein Raumschiff auf Warp-Speed beschleunigt, dann fängt es zu leuchten an. 

Jetzt aber das Problem: Dieser Unruh-Effekt, das Quantenleuchten, war bislang rein theoretisch beschrieben worden. Um diesen Effekt auf atomarer Ebene zu beobachten, müsste ein Atom in weniger als einer Millionstel Sekunde auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Ziemlich schwierig, versucht mal ein Atom so schnell zu beschleunigen… Dieser Effekt ist verwandt mit der sogenannten Hawking-Strahlung bei Schwarzen Löchern. Barbara Šoda, Doktorandin der Physik an der University of Waterloo, die an der Forschung zum Unruh-Effekt beteiligt war, sagt: “Man geht davon aus, dass Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind. Wie Stephen Hawking entdeckte, sollten Schwarze Löcher stattdessen Strahlung aussenden. Das liegt daran, dass einem Schwarzen Loch zwar nichts anderes entkommen kann, wohl aber Quantenfluktuationen der Strahlung.”

Unruh-Effekt auf atomarer Ebene

Das ist also eine ganz ähnliche Quantenfluktuation wie diejenige, die bei der Beschleunigung mit Warp-Drive entstehen würde. Das Forscherteam der University of Waterloo hat nun herausgefunden, dass es einen Weg gibt, den Unruh-Effekt zu stimulieren, damit er unter weniger extremen Bedingungen direkt untersucht werden kann, also ein Mini-Warp-Leuchten zu erschaffen. Um das zu verstehen, müssen wir uns kurz den Unterschied zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik ansehen. 

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Während die klassische einsteinsche Physik wunderbar die großen Abläufe im Kosmos erklärt, die Einflüsse von Zeit und Raum, Ihr erinnert euch an die Raumzeitdelle, ist die Quantenmechanik die passende Theorie für die Abläufe im ganz Kleinen, auf Elementarteilchenebene. Oftmals stehen klassische Physik und Quantenmechanik im Widerspruch, da die Regeln der klassischen Physik für kleinste Teilchen nicht zu gelten scheinen. Es ist eine der großen Aufgaben der modernen Physik eine Verbindungstheorie zwischen einsteinscher Physik und Quantenmechanik zu finden und der Unruh-Effekt liegt genau an der Grenze zwischen den Quantengesetzen und der allgemeinen Relativitätstheorie. 

Atome im Vakuum

Stellt euch mal ein Atom im Vakuum vor. Wie sich ein Atom im Vakuum verhält, hängt davon ab, ob wir die Situation durch die Brille der Quantenmechanik oder durch die Brille der einsteinschen Physik betrachten. Nach den Gesetzen der Quantenphysik müsste das Atom darauf warten, dass ein eintreffendes Photon, ein Lichtteilchen, sein elektromagnetisches Feld durchdringt und seine Elektronen zum Wackeln bringt. Dann wäre das Atom erleuchtet oder angeregt.  Wenn wir die Relativitätstheorie, also die klassische Physik, berücksichtigen, gibt es eine Möglichkeit zu schummeln. Durch einfache Beschleunigung könnte ein Atom die kleinsten Erschütterungen im umgebenden elektromagnetischen Feld als Photonen mit niedriger Energie erleben und dadurch angeregt werden. Bislang gingen die Quantenphysiker aber davon aus, dass dieser Effekt, die Anregung des Atoms durch einfache Bewegung absolut vernachlässigbar sei und sich auf Quantenebene auf Dauer ausgleichen würde. Pustekuchen, genau das hat das Forscherteam der Uni Waterloo nun widerlegt. Sie fanden heraus, dass diese normalerweise vernachlässigbaren Bedingungen bei der Beschleunigung eines Atoms weitaus bedeutender werden und sich sogar als dominante Effekte durchsetzen können. Dafür haben sie ein Atom auf die richtige Art und Weise mit einem starken Laser gekitzelt. Und haben dadurch bewiesen, dass es möglich ist, diese Wechselwirkungen durch Bewegung zu nutzen, um bewegte Atome den Unruh-Effekt erleben zu lassen, ohne dass große Beschleunigungen erforderlich sind. Einfacher gesagt – für die Physik-Noobs: Sie haben es geschafft das Warp-Leuchten der USS Enterprise auf Atomebene zu stimulieren, ohne dabei wirklich Warpspeed erreichen zu müssen. Wahnsinn. 

Und obwohl es super cool ist, dass wir einen Bestandteil des Warp-Speeds im Labor nachahmen konnten, ist das fazinierendste und wichtigste an der Entdeckung vermutlich, dass es ein Schritt hin zur Vereinheitlichung von klassischer Physik und Quantenmechanik ist. Der beteiligte Forscher  Vivishek Sudhir sagt: “Seit über 40 Jahren werden Experimente dadurch behindert, dass die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Gravitation nicht erforscht werden kann. Wir haben hier eine praktikable Möglichkeit, diese Schnittstelle in einer Laborumgebung zu erforschen. Wenn wir einige dieser großen Fragen klären können, könnte das alles verändern.”

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Wie man aus Versehen eine Warp-Blase erschafft

Forscher haben versehentlich eine Warp-Blase erschaffen. Heißt das, dass wir bald schon wie die Enterprise durch das Universum düsen können? Oder sind wir davon immer noch weit entfernt?

Es gibt so viel im Kosmos zu entdecken. Einfach mal zu fremden Exoplaneten düsen, andere Galaxien erkunden oder sogar bis zum Urknall zurückreisen. Was für eine schöne Vorstellung. Die Herausforderung an der Sache: All diese Ziele sind sehr weit weg – entweder räumlich oder zeitlich. Wenn man sich jetzt in ein Raumschiff setzen würde, wäre man bis zum nächsten Exoplaneten mehrere Jahrtausende unterwegs. Und das ist in einem Menschenleben niemals zu schaffen. Oder doch?

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Wie die Enterprise das Universum durchstreift 

Die Besatzung des Raumschiffs Enterprise hat dieses Problem der fehlenden Zeit nicht, weil die USS Enterprise mit Warp Speed durchs All düsen kann. Um das zu verstehen, müssen wir uns vor Augen führen, dass Raum und Zeit gedehnt und gestaucht werden können. Das ist sehr schwer vorstellbar, weil wir weder den Raum noch die Zeit wirklich sehen können – geschweige denn uns vorstellen können, dass sie gestaucht werden könnten. 

So funktioniert eine Warp-Blase

Zur Vereinfachung stellen wir uns einfach mal die Erde und die Sonne vor – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. In der Delle, die etwa die Sonne erzeugt, kugelt die Erde um sie herum. Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht etwa ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er in diesem eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich zunutze machen, um gigantische Strecken zu verkürzen. Und genau das tut der Warp-Antrieb aus Star Trek, ein bisschen wie ein Wurmloch, aber nicht ganz. 

Was passiert in einer Warp-Blase?

Im Prinzip wird in Reiserichtung die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer Warp-Blase, innerhalb derer die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Das ist eine geniale Idee, denn innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Einstein-Gesetze würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Das Prinzip einer solchen Warp-Blase war aber bis jetzt nur Science-Fiction und Captain Kirk und Co vorbehalten.

Bis jetzt. 

Mit Warp-Antrieb durch das Universum – ist das bald möglich?

Einem Forscherteam rund um Dr. Harold White vom Limitless Space Institute ist es wohl gelungen, eine echte Warp-Blase zu erschaffen. Aus Versehen. Was einem eben so aus Versehen passiert. Dr. Harold White sagt dazu: “Um keine Missverständnisse aufkommen zu lassen, will ich das ganz klar sagen, unsere Entdeckung ist kein Analog-Modell zur Vorstellung einer Warp-Blase. Es handelt sich um eine echte, wenn auch extrem winzige und sehr schwache Warp-Blase.”

Idee der Warp-Blase schon seit den 90er Jahren

Aber immer der Reihe nach, wie ist das gelungen? Eigentlich experimentierte das Forscherteam mit Metallplatten, um mehr über den Casimir-Effekt herauszufinden. Das ist ein Effekt auf Quantenebene, also auf sehr kleiner Ebene, der bewirkt, dass auf zwei parallele, leitfähige Platten im Vakuum eine Kraft wirkt, die beide zusammendrückt. Woher diese Kraft genau stammt, ist ziemlich rätselhaft. Deswegen mussten Quantenphysiker annehmen, dass es bislang noch unbekannte Teilchen geben müsste, sogenannte virtuelle Teilchen, die das verursachen. 

Dieser Casimir-Effekt könnte sehr interessant sein für die Nanotechnologie innerhalb von Mikrosystemen, also zum Beispiel Mikrochips. Während der Experimente zum Casimir-Effekt entdeckten die Forscher überraschenderweise eine Struktur auf Nanoebene, die negative Energieeigenschaften aufweist und den Voraussetzungen der Theorie des mexikanischen Forschers Miguel Alcubierre entspricht. Er war einer der ersten, der schon 1994 die Idee einer Warp-Blase wissenschaftlich untermauert hatte und zu dem Ergebnis kam, dass für eine Warp-Blase ein Treibstoff mit negativer Energiedichte erforderlich wäre, den man auch als exotische Materie bezeichnet. Und nicht nur die negative Energie entspricht den Vorhersagen von Miguel Alcubierre, sondern auch auch die ringförmige Struktur der Mini-Warp-Blase. 

Mini-Warp-Blase als Grundstein für mehr?

Bedeutet das, dass wir jetzt bald wie die Enterprise ans andere Ende der Galaxis fliegen können? So schnell wird es wohl nicht gehen, denn die entdeckte Mini-Warp-Blase ist natürlich viel zu klein, um sie zur Beförderung eines Raumschiffs zu verwenden. Dafür bräuchte man noch viel viel mehr exotische Materie. Aber Dr. White und seine Kollegen haben ein Konzept für ein sehr kleines Warp-Raumschiff entwickelt, das sich durch die Erschaffung einer eigenen Warp-Blase von einem Ort zum anderen fortbewegen könnte. 

Diese Mini-Enterprise soll dann aus einer Kugel mit einem Durchmesser von einem Mikrometer bestehen, die sich im Inneren eines Zylinders mit einem Durchmesser von vier Mikrometern befindet. Wenn das klappt, sind wir wieder einen Schritt näher dran an der Erschaffung größerer Warp-Blasen. Man kann jedenfalls sagen, dass es nun konkrete Forschungsergebnisse gibt, deren Vertiefung uns am Ende zur Entwicklung eines funktionalen Warp-Antriebs führen könnte – und das wäre doch wirklich genial, oder? 

Alles Wichtige über die neue Warp-Blase erfahrt ihr im folgenden Video:


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