Theoretisches Konzept zur aktiven Gravitationswellen-Manipulation mittels Licht am HZDR vorgestellt

Professor Ralf Schützhold, theoretischer Physiker am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), hat ein neuartiges Experiment konzipiert, das auf der fundamentalen Wechselwirkung zwischen Gravitationswellen und Lichtwellen basiert, um eine aktive Beeinflussung der Raumzeit-Verformungen zu ermöglichen. Schützhold, der laut aktuellem Stand Direktor des Instituts für Theoretische Physik am HZDR ist, stützt sein Konzept auf die Annahme, dass die Gravitation sämtliche Energieformen, einschließlich des Lichts, beeinflusst. Die Forschungseinrichtung HZDR gehört zur Helmholtz-Gemeinschaft und betreibt Grundlagenforschung an sechs Standorten, wobei die theoretischen Physiker unter Schützholds Leitung unter anderem Quanteneffekte in extrem starken Laserfeldern untersuchen.

Der Kern der vorgeschlagenen Methode liegt im theoretisch beschriebenen Austausch winziger Energiepakete zwischen einer Lichtwelle und einer durchlaufenden Gravitationswelle, analog zu hypothetischen Gravitonen. Diese Energieübertragung, die detailliert in einer Publikation aus dem Jahr 2025 im Fachjournal Physical Review Letters dargelegt wurde, würde zu einer minimalen Intensitätssteigerung der Gravitationswelle führen. Im Gegenzug erfährt die Lichtwelle eine entsprechend geringfügige Frequenzverschiebung, da sie exakt die gleiche Energiemenge abgibt. Theoretisch ist auch der umgekehrte Prozess möglich, bei dem die Gravitationswelle Energie an die Lichtwelle abgibt, was die Messbarkeit von stimulierter Emission und Absorption von Gravitonen in Aussicht stellt.

Um diesen minimalen Effekt detektierbar zu machen, erfordert der Versuchsaufbau einen immensen technischen Aufwand. Die Laserpulse müssten bis zu einer Million Mal zwischen Spiegeln in einer Anlage von etwa einem Kilometer Länge reflektiert werden, um eine optische Weglänge von annähernd einer Million Kilometern zu erzeugen. Die resultierenden Frequenzverschiebungen sollen mithilfe eines präzise konstruierten Interferometers messbar sein. Dieses Design weist konzeptionelle Ähnlichkeiten mit etablierten Gravitationswellendetektoren wie LIGO auf, welche von Caltech und MIT betrieben und von der National Science Foundation finanziert werden.

Die jüngste vierte Beobachtungskampagne (O4) dieser Detektoren, die unter anderem die Beobachtung von Ereignissen wie der Verschmelzung Schwarzer Löcher ermöglichte und deren erste Ergebnisse im Katalog GWTC-4.0 veröffentlicht wurden, endete planmäßig am 18. November 2025. Mit dem Abschluss von O4 traten die LIGO-, Virgo- und KAGRA-Interferometer in eine geplante Upgrade- und Inbetriebnahmephase ein, wobei eine neue Beobachtungskampagne (O5) für den Spätsommer oder Frühherbst 2026 angestrebt wird. Schützhold schlägt vor, die Empfindlichkeit des Interferometers durch den Einsatz von verschränkten Photonen zu steigern, was ein tieferes Verständnis der Quanteneigenschaften der Gravitation ermöglichen könnte.

Obwohl dieser Ansatz keinen direkten Nachweis des Gravitons liefern würde, wäre ein erfolgreiches Experiment ein starkes Indiz für dessen Existenz, während ein Fehlschlag die auf dem Graviton basierende Theorie widerlegen würde. Das Konzept stellt somit einen theoretisch hochrelevanten Pfad zur Untersuchung der Quantennatur der Gravitation dar, indem es einen beobachtbaren Effekt – die Lichtfrequenzverschiebung – direkt mit dem hypothetischen Trägerteilchen der Gravitation verknüpft. Die Nutzung von Konzepten bestehender Infrastruktur bietet einen gangbaren Rahmen für zukünftige Entwicklungen, ungeachtet der enormen technischen Hürden bei der Realisierung des vorgeschlagenen optischen Pfades.