20.03.2026

Gravitationswellen hinterlassen Spuren im von Atomen emittierten Licht

Gravitationswellen künftig mit kompakten Messinstrumenten nachweisen statt wie bislang mittels riesiger Messanlagen: Das schlägt ein internationales Forschungsteam vor und nimmt dazu Atome in den Blick. Das Team unter Leitung der Universität Stockholm mit Beteiligung des Nordic Institute for Theoretical Physics (Nordita) und der Universität Tübingen haben den unkonventionellen, theoretischen Ansatz entwickelt, dessen experimenteller Nachweis aussteht. Die Studie ist nun in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen.

Gravitationswellen sind Verzerrungen in der Raumzeit, ausgelöst von kosmischen Ereignissen, etwa das Zusammentreffen zweier Schwarzer Löcher, die sich wellenförmig durch die Raumzeit ausbreiten. Bislang konnten Gravitationswellen anhand winziger Entfernungsveränderungen an kilometerlangen Messinstrumenten nachgewiesen werden. Die Forschenden schlagen nun vor, die Gravitationswellen anhand ihrer Auswirkungen auf die Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Feldes nachzuweisen, die für das Phänomen der spontanen Emission verantwortlich sind: Atome, die angeregt wurden und wieder in den Grundzustand wechseln, strahlen Photonen, also Licht, in einer bestimmten Frequenz ab.

Wie ein gleichmäßiger Ton aus einem Lautsprecher

Atome emittieren Licht in etwa so wie ein Musiklautsprecher einen gleichmäßigen Ton wiedergibt. Gravitationswellen beeinflussen in diesem Bild den Klang des Tons, je nachdem aus welcher Richtung er gehört wird. Die Ergebnisse könnten einen Weg aufzeigen, der zu kompakten Gravitationswellenmessgeräte führt.
„Gravitationswellen modulieren das Quantenfeld, das wiederum die spontane Emission auslöst“, sagt Jerzy Paczos, Doktorand an der Universität Stockholm und Erstautor der Studie. Diese Modulationen verändern die Frequenz der emittierten Photonen im Gegensatz zu den Fällen, in denen keine Gravitationswellen vorhanden sind. „Letztlich ist es die Auswirkung der Gravitationswellen auf die elektromagnetischen Wellen, die durch die spontane Emission angeregt werden, die wir detektieren. Die elektromagnetischen Wellen haben eine viel größere Ausdehnung als das Atom selbst und sind damit viel besser für den Nachweis von Gravitationswellen geeignet“, sagt Prof. Daniel Braun von der Universität Tübingen und Co-Autor der Studie.

Ein Signal vom Grundrauschen unterscheiden

Die Forschenden gehen davon aus, dass die Emission richtungsabhängig ist; Atome emittieren Photonen zwar gleichmäßig, allerdings variiert die Frequenz der Photonen mit der Ausrichtung der Emission. Dieses gerichtete Spektralmuster, also die Farbe des ausgestrahlten Lichtes in verschiedene Richtungen, hängt von der Richtung und Polarisation der Gravitationswelle ab und kann dazu beitragen, ein Signal vom Grundrauschen zu unterscheiden. Besonders interessant ist der Effekt für Gravitationswellen im niedrigen Frequenzbereich, die noch nicht beobachtet werden konnten, für die aber bereits Pläne für künftige Weltraum-Observatorien bestehen.

Auf Grundlage einer Pressemitteilung der Universität Stockholm

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