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Die Grundlagen des Wissens

Physik-Nobelpreis 2017 Die Entdeckung der Gravitationswellen

Der Nobelpreis für Physik 2017 geht an die amerikanischen Wissenschaftler Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip S. Thorne. Im September 2015 gelang den Forschern eine wissenschaftliche Sensation: der erste direkte Nachweis einer Gravitationswelle. Die Entdeckung lieferte den finalen Beleg für Einsteins Raumzeit-Theorie – und eröffnet Astrophysikern nun eine völlig neue Sicht auf die Entstehung des Universums
Gravitationswellen durch Umkreisen zweier schwarzer Löcher

Umkreisen sich zwei Schwarze Löcher, krümmt die Bewegung ihrer gewaltigen Massen die Raumzeit. Dabei entstehen Gravitationswellen (blau), die durchs All laufen

Es ist genau 10.53 Uhr, als am 14. September 2015 der Zacken einer Kurve auf einem Bildschirm von einem wissenschaftlichen Durchbruch kündet, wie ihn die Astronomie wohl nur alle 50 Jahre erlebt. Der Ausschlag markiert den vorläufigen Höhepunkt einer unfassbar komplizierten Suche, die Forscher bereits seit Generationen antreibt und die bislang mehr als eine Milliarde Dollar an Forschungsgeldern verschlungen hat. Einer Suche, welche die Art und Weise, wie Menschen ins All blicken, für immer verändert.

Der erste Zeuge dieser Entdeckung ist der Italiener Marco Drago, ein Wissenschaftler, der am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in der Nähe von Hannover arbeitet. Sein Blick fällt an diesem Vormittag auf eine automatisch generierte E-Mail zweier monströser Messgeräte, die ein Forscherteam aus mehr als einem Dutzend Nationen an zwei Standorten in den USA installiert hat, in Louisiana und im Staat Washington.

Ungläubig betrachtet Drago die Kurve, die eine Software auf Grundlage aktueller Messdaten drei Minuten zuvor erstellt hat. Sie zeigt einen ganz bestimmten Ausschlag, auf den die Forscher zwar insgeheim bereits gewartet haben – aber nicht schon zu diesem Zeitpunkt, nicht in dieser Deutlichkeit. Denn eigentlich laufen die Detektoren noch im Testbetrieb.

Daher mag der Italiener den Daten zunächst kaum trauen. Dann, nach zehnminütigem Zögern, zieht er einen weiteren Forscher hinzu. Beide machen sich daran, sofort ihre Kollegen in den USA zu informieren, die um diese Zeit gerade schlafen und erst wenige Stunden zuvor an den Detektoren gearbeitet haben.

Von Einstein vorhergesagt – und zugleich angezweifelt

Der charakteristische Zacken in der Kurve scheint zu belegen, dass die Messgeräte einen Vorgang registriert haben, der bislang reine Mathematik war und noch nie direkt beobachtet werden konnte: Für einen kurzen Moment muss sich das Gefüge aus Raum und Zeit, in dem wir leben und das gewissermaßen das gesamte Universum ausfüllt, genau dort, wo die Detektoren in den USA stehen, minimal gestaucht und wieder gedehnt haben.

Mit anderen Worten: Die Anlagen müssen eine sogenannte Gravitationswelle registriert haben, die über die Sensoren der Geräte gleichsam hinweggerollt ist.  

Albert Einstein hat die Gravitationswellen vor mehr als 100 Jahren vorhergesagt – wenngleich er selbst zuweilen an seiner eigenen Theorie zweifelte. Der Jahrhundertphysiker revolutionierte damals unsere Vorstellung vom Kosmos, als er unter anderem erkannte, dass das Raum-Zeit-Gefüge nicht statisch ist, sondern sich verändert.

Es ist die Raumzeit selbst, die schwingt

So verursacht jedes Objekt aufgrund seiner Masse eine Delle in der Raumzeit – ganz so wie eine Eisenkugel (in einem sehr vereinfachten Modell) ein Gummituch einbeult, auf das man sie legt. Je schwerer solch ein Objekt (im Kosmos etwa ein Stern) ist, desto größer ist seine Gravitation und desto tiefer die Delle in der Raumzeit.

Wann immer das Objekt nun seine Geschwindigkeit oder Richtung ändert, ändert sich auch die Delle. Dadurch gerät die Raumzeit regelrecht in Schwingung, eine Welle entsteht und pflanzt sich – so die Einstein’sche Theorie – mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen fort.

Stark vereinfacht kann man Gravitationswellen mit jenen Wellen vergleichen, die ein Fisch im Wasser erzeugt, der plötzlich in eine andere Richtung schwimmt, an Tempo zulegt oder abbremst. Auch dann wird das Wasser entsprechend gedrückt und gedehnt, Wellen breiten sich kreisförmig vom Ort ihrer Entstehung aus und flauen mit zunehmendem Abstand ab.

Allerdings gibt es bei den Gravitationswellen kein Medium wie Wasser oder Luft, das die Welle „trägt“ – es ist vielmehr die Raumzeit selbst, die schwingt. 

Physiker konstruieren Messgeräte von nie da gewesener Präzision

Den Modellen zufolge erzeugen also prinzipiell alle Objekte, die ihre Geschwindigkeit oder ihre Richtung im All ändern, Gravitationswellen. Auch von der Erde gehen permanent solche Raumzeitwellen aus. Sie sind jedoch so schwach, dass es wahrscheinlich unmöglich ist, sie jemals zu registrieren.

Mehr noch: Lange Zeit gingen viele Physiker, darunter auch Einstein, davon aus, dass Menschen überhaupt nie in der Lage sein würden, eine Stauchung oder Dehnung der Raumzeit experimentell zu ergründen – zu filigran erschien ihnen das Phänomen.

So kam es, dass jene Forscher, die sich dennoch auf die Jagd nach den Gravitationswellen machten, von Beginn an die gewaltigsten kosmischen Objekte im Blick hatten, die wir kennen: Neutronensterne sowie Schwarze Löcher, die unvorstellbar viel Masse auf sich vereinen und bisweilen mit irrem Tempo umeinander rasen. Und die dementsprechend vergleichsweise mächtige Gravitationswellen erzeugen.

Doch den Berechnungen zufolge erreichen selbst Wellen solchen Ursprungs die Erde nur in nahezu unvorstellbar schwacher Ausprägung – unter anderem auch deshalb, weil sie (wie jede Welle) mit zunehmender Entfernung zum Entstehungsort an Stärke verlieren. Daher mussten die Physiker Messgeräte von nie da gewesener Raffinesse und Präzision konstruieren – Maschinen wie die zwei Anlagen in Louisiana und Washington.

Die Gravitationswelle staucht die Raumzeit – und das Messgerät

Gravitationswellen-Detektor

Um Gravitationswellen aufzuspüren, leiten Forscher einen Laserstrahl (blau) in zwei Röhren (A, B), an deren Ende je ein Spiegel montiert ist (C). Die zurückgeworfe­nen Lichtwellen (rot) treffen am Kreuzungs­punkt so aufeinander, dass sie sich gegen­seitig neutralisieren – und kein Signal den Lichtsensor (D) erreicht (1). Durchquert eine Gravitationswelle (grün) den Detektor (2), verändert sie die Länge der Röhre um weni­ger als den Durchmesser eines Atomkerns (E). Die Strahlen kehren daher nicht syn­chron zurück und neutralisieren sich nicht an der Kreuzung. Der Sensor empfängt ein Signal und misst so den Effekt der Gravi­tationswelle. Ist die Welle hindurchgezogen, kehrt der Detektor zum ursprünglichen Zu­stand zurück (3)

Die beiden Detektoren mit dem Namen „LIGO“ (für Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) bestehen im Prinzip aus zwei jeweils vier Kilometer langen Betonröhren, die ein Vakuum enthalten, im rechten Winkel zueinander liegen und einen gemeinsamen Schnittpunkt haben. An diesem Schnittpunkt befindet sich eine hochkomplexe Apparatur, die einen außerhalb der Messkonstruktion erzeugten Laserstrahl in zwei Teile aufspaltet und in beide Röhren leitet. An den jeweiligen Enden der Tunnel reflektieren Spiegel die Laserstrahlen – so rasen sie mit Lichtgeschwindigkeit von einem Ende zum anderen, hin und her.

Unter normalen Umständen geschieht dies völlig simultan: Beide Teilstrahlen kehren stets zum exakt gleichen Zeitpunkt zum Messpunkt zurück. Läuft aber eine Gravitationswelle durch den Detektor, dehnt und staucht sie für winzige Bruchteile einer Sekunde die Raumzeit, sodass (je nach Winkel der eintreffenden Welle) die Wegstrecke in einer der Röhren kurzzeitig länger, in der anderen Röhre kürzer wird.

Das bedeutet: Einer der Laser-Teilstrahlen, die in diesem Augenblick durch die Röhren rasen, benötigt (im Vergleich zum anderen) minimal mehr Zeit, um zum Scheitelpunkt zurückzukehren.

Und genau diese Differenz kann der Detektor registrieren. Allerdings beträgt der Unterschied gerade einmal einen tausendstel Teil vom Billionstel einer Billionstelsekunde.

Der erste Nachweis ist fast zu perfekt

LIGO arbeitet damit derart feinfühlig, dass das Gerät theoretisch imstande wäre, eine Veränderung der Raumzeit zu registrieren, die etwa den australischen Kontinent um den Durchmesser eines Atomkerns stauchen oder dehnen würde.

Die Spiegel, die die Laserstrahlen reflektieren, sind an frei schwingenden Glasfasern aufgehängt, die bereits zu zittern beginnen, wenn im Umland der Anlage ein Lastwagen über die Straße rollt oder sich 100 Kilometer entfernt eine Ozeanwelle an der Küste bricht.

Die Anfälligkeit für Störsignale ist der Grund dafür, dass Ingenieure gleich zwei dieser Anlagen errichtet haben, gut 3000 Kilometer voneinander entfernt. Nur wenn beide Detektoren ein identisches Signal empfangen, können sich die Wissenschaftler sicher sein, dass es nicht aus der näheren Umgebung stammt.

Zwar stehen beide Anlagen in den USA, doch haben deutsche Forscher von den Max-Planck-Instituten für Gravitationsphysik in Potsdam und in Hannover die Schlüsseltechnologien für LIGO entscheidend mitentwickelt. So erscheint es wie ein passender Zufall, dass sich ausgerechnet dort die Sensationsmeldung vom 14. September 2015 als Erstes verbreitet.

Allerdings erscheint das Signal, das die Geräte aufgezeichnet haben, den
führenden Köpfen des Forscherteams fast zu perfekt, um sofort die Öffentlichkeit zu informieren – und sich womöglich mit einer Falschmeldung zu blamieren. 

Zwei gigantische Schwarzer Löcher sind kollidiert

Nun gehen daher viele der insgesamt rund 1000 Wissenschaftler aus 16 Nationen alle denkbaren Szenarien durch: Könnte es sich um einen fehlerhaften Alarm handeln? Einen Programmierfehler in der komplizierten Software? Hat jemand die Daten manipuliert, um die Wachsamkeit der Wissenschaftler zu testen? Monatelang prüfen die Experten jede denkbare Erklärung.

Erst am 11. Februar 2016  sind die Projektleiter von ihren Daten so überzeugt, dass sie die Entdeckung öffentlich verkünden und dem Signal, das ihre Messgeräte aufgezeichnet haben, einen Namen geben: GW150914.

Und sie glauben sogar zu wissen, was die Erschütterung der Raumzeit hervorgerufen haben muss: eine Kollision zweier gigantischer Schwarzer Löcher, die zu einer machtvollen Gravitationswelle führte. Denn das Signal, das die Geräte aufgezeichnet haben, entspricht exakt der theoretischen Vorhersage, die Physiker mithilfe der Gleichungen Einsteins für ein solches Ereignis getroffen haben.

Die Berechnungen zeigen: Die Kollision war so gewaltig, dass der Energieausstoß für den Bruchteil einer Sekunde die Strahlungsleistung sämtlicher Sterne in allen Galaxien um ein Vielfaches übertraf. 

Die Einstein’schen Raumzeit-Theorie ist erneut bestätigt

Diese Energie haben die Massemonster jedoch nicht in Form von Licht, Wärme oder anderer Strahlung abgegeben, sondern in Form von Gravitationswellen.

Um als Laie den Triumph der Forscher angemessen bewerten zu können, muss man sich klarmachen: Mit dem Nachweis von Gravitationswellen haben die Physiker gewissermaßen den Schlussstein der Einstein’schen Raumzeit-Theorie geliefert. Sie haben die letzte, bis dahin noch nicht überprüfte Vorhersage dieser fundamentalen Theorie bewiesen – und damit deren Gültigkeit belegt.

Mehr noch: Die Entdeckung hat den Wissenschaftlern zudem neue Einblicke ermöglicht, etwa in die Natur Schwarzer Löcher. Denn bislang konnte man nicht untersuchen, ob die gegenwärtigen kosmologischen Modelle bei derart extremen Bedingungen überhaupt gültig sind.

Nie zuvor ist eine heftigere Explosion registriert worden. Nun haben die Physiker sowohl für die Existenz solcher Phänomene als auch für die Korrektheit der Gleichungen eine Bestätigung erhalten. 

Die Beobachtung öffnet ein neues Tor ins All

Obendrein verfügen die Wissenschaftler mit LIGO nun über einen Detektor, der ein völlig neues Fenster in den Kosmos aufstößt. Und der es prinzipiell möglich macht, die Entwicklung des Universums bis zu dessen Ursprung zurückzuverfolgen.

Denn bislang gründen kosmische Beobachtungen auf der Analyse elektromagnetischer Strahlung – also Wellen, zu denen auch das sichtbare Licht gehört. Die liefern allerdings oft nur verschwommene Bilder. Das liegt unter anderem daran, dass die Wellen auf ihrem Weg zur Erde nicht selten abgefangen und gestreut werden, etwa von riesigen Gaswolken oder durch Staub.

Zudem führen auf elektromagnetischer Strahlung basierende Beobachtungen zu blinden Flecken bei der Erforschung des Alls. So besitzen etwa Schwarze Löcher derart viel Masse, dass sie sämtliche Information und Materie in ihrem Umfeld schlucken, auch Lichtstrahlen. Daher war es bislang unmöglich, sie direkt zu beobachten. Kein Teleskop der Welt hätte die Kollision einfangen können, die zum Signal GW150914 führte – obwohl der Zusammenstoß mächtiger war als jedes kosmische Ereignis, das man bisher kennt. Mithilfe der Beobachtung von Gravitationswellen ist dieser Zugang zum All nun gefunden. 

Forscher wollen Echos des Urknalls aufnehmen

Seit dem 14. September 2015 haben die Wellenforscher eine Reihe weiterer Signale detektiert, die auf extraterrestrisch ausgelöste Raumzeitvibrationen hindeuten, allerdings keines, das an GW150914 heranreicht.

Dennoch sind die Wissenschaftler zuversichtlich, mithilfe der Technik Gravitationswellen von vielen weiteren Objekten im All auffangen zu können.

Auch hoffen die Forscher, in den kommenden Jahren solche Wellen zu detektieren, die bereits unmittelbar nach dem Urknall entstanden. Damals hat sich die Raumzeit, so jedenfalls lautet die gängige Theorie, für einen kurzen Moment unvorstellbar schnell ausgedehnt. Viele Wissenschaftler glauben, dass diese „Inflationsphase“ bis heute in Form eines Echos aus Gravitationswellen durch den Kosmos hallt. Anders als bei GW150914 würde es sich dabei aber eher nicht um eine einzelne Welle handeln, sondern um ein regelloses Muster, das die Raumzeit des Universums darstellt, vergleichbar mit dem Muster im Schlick des Wattenmeers.

Selbst LIGOs erstaunliche Messfähigkeiten werden allerdings nicht ausreichen, um solch frühzeitliche Schwingungen zu erfassen, denn dazu müssten die Detektoren noch viel feinere Signale aufspüren können.

Ein Gravitationswellendetektor fürs Weltall

Doch Astronomen arbeiten bereits an einer neuen Generation von Geräten. So plant etwa die Europäische Weltraumbehörde ESA, innerhalb der nächsten 20 Jahre einen Gravitationswellendetektor namens LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ins All zu schicken.

Wie LIGO wird LISA die Laufzeit von Laserstrahlen messen, um Stauchungen und Dehnungen der Raumzeit aufzuspüren. Doch während LIGOs Messtunnel gerade mal vier Kilometer lang sind, wird LISA mit separat fliegenden Satelliten arbeiten, sodass sich die Wegstrecken der Laserstrahlen über Hunderttausende von Kilometern erstrecken können.

Auf diese Weise soll der Detektor noch weitaus mächtigere Ereignisse aufspüren – wie etwa superschwere Schwarze Löcher, die besonders große Wellenlängen generieren. Erste Versuche mit Testsatelliten waren bereits erfolgreich.

Abzuwarten bleibt, was die Forscher mithilfe solcher Instrumente alles entdecken werden. Ob sie etwa endlich verstehen, was genau kurz nach der Geburt des Universums vor sich ging. Denn auch für die von der Urknalltheorie beschriebene Inflation der Raumzeit fehlt bis heute der experimentelle Beleg.

In nicht allzu ferner Zukunft könnten Physiker dank der Gravitationswellen also bereits zu einer nächsten Jahrhundertentdeckung gelangen. Schon jetzt steht für viele fest, dass LIGOs bahnbrechender Fund sich einen Nobelpreis verdienen wird. Allerdings können dabei nicht alle fast 1000 Wissenschaftler der Forschergruppe auch gewürdigt werden.

Und so wird ausgerechnet Marco Drago, der als erster Mensch überhaupt Zeuge einer Gravitationswelle wurde, am Ende möglicherweise leer ausgehen.

Update 03.10.2017: Für die Entdeckung von Gravitationswellen wurden die drei US-Amerikaner Barry Barish, Rainer Weiss und Kip Thorne stellvertretend für die Forschergruppe von LIGO mit dem Nobelpreis für Physik 2017 ausgezeichnet.

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