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Eine Illustration zeigt ein Raumschiff, das einen Warp-Antrieb zur Raumzeitverschiebung verwendet (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Eine neue Forschungsarbeit „wagt“ sich an Orte, an denen Physiker noch nie zuvor gewesen sind, indem sie vorschlägt, was mit dem Raum um einen versagenden Warp-Antrieb herum passieren würde.

Science-Fiction-Fans sind mit dem Konzept des „Warp-Antriebs“ mehr als vertraut, einem Gerät, das es Raumschiffen ermöglicht, mit Geschwindigkeiten schneller als das Licht zu reisen, auch bekannt als „superluminale“ Geschwindigkeiten. Von diesen Geräten wird in der Regel behauptet, dass sie in der Lage sind, die Struktur von Raum und Zeit bzw. die Raumzeit selbst zu manipulieren. Doch selbst eingefleischte Science-Fiction-Fans werden überrascht sein, dass es auch in der echten Wissenschaft einige theoretische Überlegungen zum Warp-Antrieb gibt. Das bekannteste Beispiel ist der „Alcubierre-Antrieb“ des mexikanischen Physikers Miguel Alcubierre.

Darüber hinaus hat ein Team der Queen Mary University of London, der Cardiff University, der Universität Potsdam und des Max-Planck-Instituts (MPI) für Gravitationsphysik herausgefunden, dass Raumschiffe, die bereits superluminale Warp-Antriebe verwenden, über winzige Wellen in der Raumzeit, die so genannten „Gravitationswellen“, nachgewiesen werden können, wenn diese Antriebe ausfallen.

„Obwohl Warp-Antriebe rein theoretisch sind, haben sie eine wohldefinierte Beschreibung in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, und so erlauben uns numerische Simulationen, die Auswirkungen zu erforschen, die sie auf die Raumzeit in Form von Gravitationswellen haben könnten“, sagte die Teamleiterin Katy Clough von der Queen Mary University of London in einer Erklärung.

Science Fiction vs. Science Fact

Warp-Antriebe sowohl in der Science-Fiction als auch in der echten Wissenschaft beruhen in der Regel auf Albert Einsteins Gravitationstheorie, die als allgemeine Relativitätstheorie bekannt ist. Die 1915 postulierte allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse die vierdimensionale Struktur der Raumzeit verzerren. Die Auswirkungen der Schwerkraft, die wir erleben, ergeben sich aus dieser Verformung.

Je mehr Masse ein Objekt hat, desto extremer ist die Krümmung des Raums, die es erzeugt, und desto stärker ist seine Gravitationswirkung. Licht und andere Objekte mit Masse sind gezwungen, die komplexe Raumkrümmung zu überwinden.

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Die allgemeine Relativitätstheorie besagt auch, dass Objekte, die beschleunigen, die Raumzeit mit Gravitationswellen zum „Klingeln“ bringen. Allerdings haben Objekte von planetarischem Ausmaß, wie z. B. ein beschleunigendes Auto, zu wenig Masse, um signifikante Gravitationswellen zu erzeugen. Massereiche Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne, die in Doppelsternsystemen umeinander kreisen und schließlich kollidieren, erzeugen jedoch Gravitationswellen, die hier auf der Erde nachgewiesen werden können.

Clough und Kollegen vermuten, dass Warp-Antriebe auch Gravitationswellen aussenden könnten, insbesondere wenn sie versagen.

Eine künstlerische Illustration von zwei schwarzen Löchern, die sich spiralförmig zusammenschließen und dabei Gravitationswellen erzeugen. (Bildnachweis: NASA)

Darüber hinaus baute Einstein die allgemeine Relativitätstheorie auf seine spezielle Relativitätstheorie von 1905 auf; die Grundlage der speziellen Relativitätstheorie ist, dass sich nichts mit Masse schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann.

Das bedeutet, dass Science-Fiction-Autoren Umstände einführen müssen, die es ermöglichen, diese Regel zu brechen oder zumindest leicht zu verdrehen, um eine Reise über das Licht hinaus zu ermöglichen. In DC Comics zum Beispiel gibt es ein allgegenwärtiges Feld außerhalb der Raumzeit, die so genannte „Geschwindigkeitskraft“, die Wally West, dem Flash, die nötige Energie verleiht, um schneller als das Licht zu sein (und Superman, wenn du mich fragst). In Star Trek ermöglicht exotische Materie mit negativer Masse der USS Enterprise, mit Überlichtgeschwindigkeit oder „Warp-Geschwindigkeit“ zu reisen, indem sie eine Warp-Blase um das Schiff herum erzeugt, in der die Raumzeit verformt, vor dem Schiff komprimiert und hinter ihm gedehnt wird. Das bedeutet, dass die USS Enterprise die Raumzeit selbst krümmt und verformt und damit nicht gegen Einsteins spezielle Relativitätsregeln verstößt, anders als der Flash und seine Geschwindigkeitskraft.

Dieses Team untersuchte, was passieren würde, wenn eine Warpblase, wie sie in Star Trek verwendet wird, entweder kollabiert oder wenn die Eindämmung dieses hypothetischen Konzepts versagt. Zu diesem Zweck begannen sie mit der Erstellung numerischer Simulationen der Raumzeit.

Sie fanden heraus, dass ein solches Ereignis einen Ausbruch von Gravitationswellen erzeugen würde, der hochfrequenter ist als das „Zirpen“ der Raumzeitwellen, die entstehen, wenn binäre schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren und verschmelzen.

Ein Diagramm zur Veranschaulichung des Gravitationswellenspektrums. (Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center)

Genauso wie ein Teil des Lichts zu hochfrequent ist, um von unseren Augen gesehen zu werden, wäre dieser hochfrequente Ausbruch von Gravitationswellen jenseits der Nachweisfähigkeit von Interferometern wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Zukünftige Gravitationswellendetektoren könnten jedoch in der Lage sein, sie zu entdecken.

„In unserer Studie ist die anfängliche Form der Raumzeit die von Alcubierre beschriebene Warpblase“, sagte Teammitglied Sebastian Khan von der Cardiff University. „Wir konnten zwar zeigen, dass ein beobachtbares Signal im Prinzip von zukünftigen Detektoren gefunden werden könnte, aber angesichts des spekulativen Charakters der Arbeit ist dies nicht ausreichend, um die Entwicklung zukünftiger Instrumente voranzutreiben.

Das Team fand auch heraus, dass ein kollabierender Warp-Antrieb abwechselnd Wellen von „Materie mit negativer Energie“ und dann Wellen mit positiver Energie aussenden würde. Sollten diese Wellen mit gewöhnlicher, nicht exotischer Materie interagieren, würde dies den Wissenschaftlern eine weitere Möglichkeit bieten, nach ausgefallenen Warp-Antrieben zu suchen.

Das Team will nun untersuchen, wie sich das Gravitationswellensignal verändern würde, wenn man andere Modelle von Warp-Antrieben und die Folgen eines Kollapses bei Superluminalgeschwindigkeit in Betracht zieht.

Natürlich ist dies alles Spekulation, wenn auch fundiert und mathematisch robust, da es keinen wirklichen Beweis für die Existenz von Warp-Antrieben gibt. Aber das bedeutet nicht, dass diese Erkenntnisse ohne Anwendungen sind.

„Für mich ist der wichtigste Aspekt der Studie die Neuheit der genauen Modellierung der Dynamik von Raumzeiten mit negativer Energie und die Möglichkeit, die Techniken auf physikalische Situationen auszuweiten, die uns helfen können, die Entwicklung und den Ursprung unseres Universums besser zu verstehen“, sagte Teammitglied Tim Dietrich vom Max-Planck-Institut (MPI) für Gravitationsphysik in der Erklärung.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Open Journal of Astrophysics veröffentlicht.