Ein Team von Forscher:innen aus Großbritannien und Deutschland hat erstmals berechnet, was mit dem Raumzeit-Gefüge passieren müsste, wenn ein so genannter Warp-Antrieb kollabiert. In der auf der Preprint-Plattform ArXiv veröffentlichten Studie kommen sie zu dem Schluss, dass dabei tatsächlich Gravitationswellen erzeugt werden, die sich – rein theoretisch – auch mit Gravitationswellen-Detektoren nachweisen ließen.

Die Studie sieht auf den ersten Blick tatsächlich sehr exotisch aus. Denn Warp-Antriebe kennen wir bislang nur aus der Science-Fiction-Serie Star Trek. Der laut dem Serien-Universum im Jahr 2063 erfundene Antrieb erlaubt überlichtschnelle Raumfahrt. Aber auch wenn die Drehbuchautoren die hohe Kunst des pseudowissenschaftlichen Brimboriums beherrschten – etwa: „Wir müssen die Dilithium-Matrix rekalibrieren“ – blieb der wissenschaftliche Gehalt dieser Idee zunächst recht dünn. Erst in den 1990er Jahren begannen einzelne Physiker sich ernsthaft mit der Physik des Unmöglichen zu beschäftigen – was mitunter zu kuriosen Ergebnissen führte.

Das neue Paper hat aber einen ernsthaften wissenschaftlichen Hintergrund. Denn im Kern geht es darum, zu simulieren, wie sich die Raumzeit unter extremen Bedingungen verhält, und ob die dabei entstehenden Signale mit – tatsächlich existierenden – Detektoren messbar wären. Ein wesentliches Insturument dazu sind numerische Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen am Computer.

Jein. Das Grundprinzip führt auf einen physikalischen Widerspruch.

Dreh- und Angelpunkt der ganzen Überlegungen ist die Relativitätstherorie. In seiner speziellen Relativitätstheorie diskutierte Albert Einstein erstmals die Konsequenzen des so genannten Universalitätsprinzips: Das besagt, dass in Systemen, die sich relativ zueinander mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegen, die gleichen physikalischen Gesetze gelten müssen.

Daraus folgt unter anderem, dass Raum und Zeit nicht getrennt betrachtet werden können, sondern eine Einheit bilden, dass es keine universale Zeit gibt, und die Masse wächst, wenn ein Körper sich schneller bewegt. In seiner allgemeinen Relativitätsthoerie konnte Einstein schließlich zeigen, dass dieses „Raum-Zeit-Kontinuum“ durch Massen verzerrt wird. In der kompakten, mathematischen Formulierung wird das durch die Einsteinschen Feldgleichungen beschrieben. Die lassen sich allerdings nur in vereinfachten Sonderfällen analytisch lösen.

Der mexikanische Physiker Miguel Alcubierre, der sich mit Gravitationstheorie beschäftigt, kam erstmals 1994 in seiner Freizeit – angeblich nachdem er mehrere Episoden Star Trek gesehen hatte – auf eine Idee: Statt wie üblich zu berechnen, welche Wirkung eine gegebene Masse – zum Beispiel ein Stern – auf das Raum-Zeit-Kontinuum hat, berechnete Alcubierre, welche Massenverteilung man benötigen würde, um das Gefüge des Universums so zu verzerren, dass überlichtschnelles Reisen möglich ist.

Das Ergebnis sieht eigentlich gar nicht so kompliziert aus: Wenn man es schafft, die Raumzeit auf einer Seite seines Raumschiff zu komprimieren und auf der anderen Seite auszudehnen, müsste sich diese Störung der Raumzeit schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen. Das Raumschiff zwischen diesen beiden Verzerrungen befindet sich dagegen relativ zu der Blase in Ruhe – erfährt also keinerlei Beschleunigung.

Klingt gut, hat aber zwei Nachteile: Erstens bräuchte man eine riesige Masse, um die Raumzeit auf der einen Seite zu komprimieren. Die Masse der Erde, komprimiert auf eine kleine Kugel, würde nicht reichen.

Zweitens aber – und das ist noch viel schlimmer – bräuchte man auf der anderen Seite der Blase eine ebenso große negative Masse. Oder negative Energie. Beides ist bisher noch nicht nachgewiesen worden.

Man soll nie „nie“ sagen. Die Tatsache, solch eine Massenverteilung mit negativer Masse rein rechnerisch die Einstein-Feldgleichungen erfüllt, heißt nicht automatisch, dass es so etwas geben muss. Es kann auch heißen, dass die Gleichungen die Realität nicht vollständig beschreiben. Andererseits haben die Physiker auch 1928 den Kopf geschüttelt, als Paul Dirac aus der relativistischen Formulierung der Quantenmechanik die Existenz von Antimaterie vorhergesagt hat (das erste Antimaterie-Teilchen, das Positron wurde 1932 nachgewiesen.)

Aber selbst falls ein Warp-Drive reine Theorie bleibt, ist die Studie interessant, denn sie beruht auf einer numerischen Lösung der Feldgleichungen. Wer nicht gerade in Astrophysik promoviert hat, aber trotzdem gerne selbst mal mit den Gleichungen herumspielen möchte, kann das übrigens seit kurzem mit dem Open-Source-Toolkit Warp Factory tun. Das Tool wurde von der Initiative Applied Physics entwickelt, die auch Forschungsgelder in diesem Bereich vergibt.

Die Studie zeigt zudem, dass – zumindest theoretisch – auch sehr hochfrequente Gravitationswellen denkbar wären. Diese Wellen, die beim Kollaps einer Warp-Blase entstünden, unterscheiden sich signifikant von denen, die durch andere kosmische Phänomene wie die Verschmelzung von schwarzen Löchern erzeugt werden. Die Forscher:innen stellten fest, dass die Gravitationswellen eine charakteristische Frequenz aufweisen müssten, die von der Größe der Warp-Blase abhängt. Für eine hypothetische Warp-Blase von einem Kilometer Größe würde die Frequenz der Gravitationswellen bei etwa 300 kHz liegen, was außerhalb des derzeitigen Empfindlichkeitsbereichs der meisten Gravitationswellendetektoren liegt.