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Einsteins Vorhersage bestätigt: Forscher entdecken erstmals Gravitationswellen

Ein Schwarzes Loch saugt Materie an. Dabei schießen heiße Ströme ins All.

Ein Schwarzes Loch saugt Materie an. Dabei schießen heiße Ströme ins All.

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AFP/NASA/ESA

Es geschah am 14. September 2015 um 10:51 Uhr. Auf dem Computer schauten sich Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover die Rohdaten an, die gerade von zwei riesigen Messinstrumenten in den USA aufliefen – ein reiner Routinecheck. Plötzlich zeigte sich ein kleiner Buckel in den Daten. „Zuerst dachten wir, dass es nur ein Test war“, erinnert sich Institutsdirektor Bruce Allen. „Doch dann realisierten wir, dass es sich um ein echtes Signal handeln musste.“

Einige Monate und unzählige Datenchecks später ist nun klar: Die beiden US-amerikanischen Detektoren haben die erste Gravitationswelle entdeckt – feinste Kräuselungen der Raumzeit, ausgelöst von zwei Schwarzen Löchern, die in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zusammengeprallt und verschmolzen waren. Am Donnerstag präsentierten die Forscher ihre Ergebnisse erstmals öffentlich.

Kandidaten für den Nobelpreis

Jahrzehntelang hatten die Physiker nach Gravitationswellen gesucht und dabei manche Pleite erlebt. Nun ist die Erleichterung groß, der Nobelpreis scheint sicher – und die Forscher haben ein neues Beobachtungsfenster zum Kosmos aufgestoßen: Künftig sollen Gravitationswellen unbekannte Details über die gewaltigsten Erscheinungen im All liefern – Schwarze Löcher, Supernova-Explosionen und den Urknall. „Wir öffnen ein neues Fenster zum Kosmos, ähnlich wie Galileo vor 400 Jahren mit der Erfindung des ersten Teleskops“, sagte der Laserphysiker Dave Reitze bei der Vorstellung.

„Gravitationswellen sind eine unmittelbare Folge von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie“, erklärt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut in Hannover, das an den Messungen der Ligo-Observatorien beteiligt ist. Kollidieren zum Beispiel zwei Sterne miteinander, sollten sie regelrechte Dellen in den Raum schlagen, die dann lichtschnell durchs All rasen. Nur: Die Raumzeit-Kräuselungen sind winzig – weshalb Einstein zeitlebens der Meinung war, man könne sie niemals nachweisen.

Doch das Genie irrte, was die Bestätigung seiner Prophezeihung betraf: „Später zeigte sich, dass Gravitationswellen soviel Energie transportieren sollten, dass man sie mit Detektoren nachweisen könnte“, sagt Danzmann. Doch die ersten Versuche in den 60er-Jahren scheiterten. Für eine erfolgreiche Wellenjagd waren die frühen Detektoren schlicht zu unempfindlich. Später setzen die Physiker auf ein Verfahren, das kleinste Längenänderungen sichtbar machen kann – das Laserinterferometer. Das Prinzip: Zwei Laserstrahlen, die rechtwinklig zueinander laufen, werden überlagert. Es entsteht ein Hell-Dunkel-Muster. Kommt eine Gravitationswelle daher, wird der eine Laserarm stärker gestaucht als der andere, muss also einen kürzeren Weg zurücklegen. Dadurch verschiebt sich das Muster, und diese Verschiebung lässt sich präzise vermessen.

„Allerdings braucht man kilometergroße Geräte, um gegen die unvermeidlichen Störungen ankämpfen zu können, etwa gegen winzige Erdbeben“, sagt Danzmann. Drei dieser Riesen wurden mittlerweile gebaut: Virgo in Italien sowie die beiden Vier-Kilometer-Detektoren des amerikanischen Ligo-Projekts. Der eine Detektor befindet sich im Nordwesten im Bundesstaat Washington auf dem Gelände des Atommüll-Lagers Hanford, der andere im Südosten in einem Sumpfgebiet in Louisiana – beides relativ ruhige, isolierte Gegenden. 2002 startete die Datensuche, mehrere Jahre lauschten die Detektoren nach Signalen aus dem All – mit einem ernüchternden Resultat. „Keines der Experimente hatte damals eine Gravitationswelle gemessen“, sagt Hartmut Grote, Physiker am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.

Also entschlossen sich die Forscher, die Anlagen aufzurüsten und damit deutlich empfindlicher zu machen – allen voran die beiden Ligo-Detektoren in den USA. „Eine Maßnahme war, die Spiegel, zwischen denen man die Laserstrahlen hin- und herschickt, besser vor störenden Vibrationen zu schützen“, erläutert Grote, der im Ligo-Team mitarbeitet. „Bei der ersten Generation waren sie nur einfach aufgehängt, jetzt sind sie als Vierfach-Pendel ausgelegt und viel besser vor Erschütterungen geschützt.“

Die neuen Spiegelaufhängungen wurden maßgeblich in Hannover entwickelt, ebenso wie das bessere Lasersystem, das mittlerweile bei Ligo zum Einsatz kommt. Dadurch sind die Detektoren mittlerweile rund dreimal empfindlicher als früher – die Voraussetzung dafür, dass am 14. September die Entdeckung gelang. Damit konnten die Forscher nicht nur Einsteins Prophezeiung bestätigen, sondern bereits exklusive Informationen über das Verhalten Schwarzer Löcher sammeln: „Als sich die beiden Löcher bis auf 200 Kilometer genähert hatten, begannen sie zu einem einzigen zu verschmelzen“, beschreibt Institutsdirektor Bruce Allen. „Dabei strahlten sie in einem Sekundenbruchteil mehr Leistung ab, als alle Sterne im Universum zusammen!“

Weltweites Messnetz entsteht

Doch die Entdeckung soll nur der erste Schritt sein. In den nächsten Jahren werden mit Virgo in Italien und Kagra in Japan weitere hochempfindliche Anlagen dazukommen und ein regelrechtes Gravitationswellen-Messnetz bilden. Damit wollen die Forscher viele weitere Wellen aufschnappen, um den Ablauf kosmischer Katastrophen zu klären. „Zum Beispiel könnten die Signale zweier kollidierender Neutronensternen verraten, wie diese Sternleichen im Detail zusammengesetzt sind“, sagt der Astrophysiker Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität in Frankfurt am Main. „Jeder Typ von Neutronenstern müsste einen anderen Gravitationswellen-Abdruck hinterlassen.“

Zu klären wäre auch, ob – wie vermutet – zusammenprallende Neutronensterne hinter jenen ominösen Gammastrahlen-Ausbrüchen stecken, die immer wieder am Rand des Universums aufblitzen. „Würden wir einen Gammastrahlen-Ausbruch gleichzeitig mit einer Gravitationswelle messen, dürften die Ausbrüche tatsächlich von Neutronensternen herrühren“, meint der Astrophysiker Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität in Frankfurt am Main.

Voraussichtlich im Jahre 2034 soll mit „eLisa“ dann sogar ein Weltraumteleskop ins All starten. Der Plan: Drei Satelliten sollen ein Dreieck aufspannen und über eine Strecke von einer Million Kilometern Laserstrahlen hin und her schießen – ein Riesensensor im All. Er wird die Aufgabe haben, nach Gravitationswellen zu schauen, die vor 13,8 Milliarden Jahren vom Urknall erzeugt wurden und seitdem durch den Kosmos geistern. „Wir können uns heute noch gar nicht ausmalen, was wir alles aus Gravitationswellen lernen werden“, schwärmt Karsten Danzmann. „In ein paar Jahren werden wir eine blühende Gravitationswellen-Astronomie haben!“