Physik-Nobelpreis 2017

Die Jagd nach Einsteins Gravitationswellen

Von Manfred Lindinger
 - 16:56
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Es war eine wissenschaftliche Sensation, was eine internationale Forschergruppe am 11. Februar 2016 verkündete. Die beiden amerikanischen Ligo-Observatorien in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) hätten am 14. September 2015 erstmals winzige periodische Längenänderungen registriert, die von sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Gravitationswellen ausgelöst worden seien. Damit waren den Ligo-Forschern endlich jene periodischen Verzerrungen der Raumzeit ins Netz gegangen, deren Existenz Albert Einstein aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie 1916 gefolgert hatte. Die Quelle für die gemessenen Signale waren zwei massereiche Schwarze Löcher, die in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren miteinander kollidiert und verschmolzen waren. Für diese Jahrhundertentdeckung wird nun den drei Amerikanern Rainer Weiss Barry C. Barish und Kip Thorne der diesjährige Nobelpreis für Physik zuerkannt. Die Wissenschaftler haben maßgeblich den Aufbau der beiden Ligo-Observatorien vorangetrieben und damit die Jahrzehnte währende Suche nach Gravitationswellen zum Erfolg geführt.

Die Anstrengungen der mehr als tausend Wissenschaftler zählenden Ligo-Kollaboration haben sich gelohnt. Denn inzwischen sind den Ligo-Forschern drei weitere Gravitationswellenereignisse ins Netz gegangen, die jeweils von Paaren verschmelzender Schwarzer Löcher herrühren. Das jüngste Gravitationswellen-Signal stammt vom 14. August diesen Jahres. Es wurde sowohl von den beiden Ligo-Antennen, als auch vom neuen europäischen Observatorium gemessen, das unweit von Pisa gebaut wurden und vor kurzem seinen Betrieb aufgenommen hat. Die Möglichkeit Gravitationswellen aus den Tiefen des Weltraums auf der Erde empfangen zu können, hat ein „neues Fenster“ zum Universum aufgestoßen. Es sind damit Vorgänge und Objekte zugänglich, die mit herkömmlichen Teleskopen nicht beobachtet werden können.

Albert Einstein hatte, als er vor hundert Jahren die komplizierten Gleichungen seiner Gravitationstheorie löste, festgestellt, dass alle Massen nicht nur den Raum wie ein Gummituch verformen, sondern auch periodisch verzerren, wenn sie beschleunigt oder abgebremst werden. Die dabei entstehenden Gravitationswellen würden, so seine Idee, sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum ausbreiten, ähnlich wie Wasserwellen in einem Teich, in den man einen Stein wirft. Einstein, der 1916 im Alter von 36 Jahren dem Zenit seiner wissenschaftlichen Karriere entgegenstrebte, bezweifelte aber, dass man den Effekt jemals werde beobachten können. Denn dieser sei winzig und – wie man heute weiß – deshalb nur bei kollidierenden Schwarzen Löchern, Neutronensternen oder gigantischen Sternexplosionen messbar. Von der Existenz dieser kosmischen Objekte konnte Einstein, der seit 1914 am Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin wirkte, noch nichts wissen. Das Interesse an den – damals noch rein hypothetischen – periodischen Verzerrungen der Raumzeit wuchs erst nach seinem Tod 1955, als schwarze Löcher und andere seltsame Objekte in den Fokus der Astronomen rückten. Die fernen Himmelskörper ließen sich nur mit den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben.

Mit Aluminumtonnen und Laserlinealen auf Wellenjagd

Die ersten Versuche, Gravitationswellen aufzuspüren, unternahm Ende der fünfziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts der Amerikaner Joseph Weber von der University of Maryland in College Park. Er ließ tonnenschwere Aluminiumzylinder anfertigen, die, aufgehängt an Drahtseilen, durch Gravitationswellen zu Vibrationen angeregt werden sollten, ähnlich wie ein Hammerschlag eine Glocke zum Schwingen bringt. Mit hochempfindlichen Verstärkern versuchte er, diese Oszillationen nachzuweisen. 1969 glaubte Weber, dass zwei Zylinder, die er mit seinen Mitarbeitern 1000 Kilometer voneinander entfernt aufgestellt hatte, tatsächlich Erschütterungen aus dem Weltraum registriert hatten. Und das gleich mehrere Wochen lang. Andere Forscher waren skeptisch. Tatsächlich ließen sich Webers Oszillationen nicht reproduzieren.

Allerdings waren sein Verfahren und alle späteren Experimente dieser Art bei Weitem nicht empfindlich genug. Deshalb bezweifelten viele Forscher, dass Gravitationswellen jemals nachgewiesen werden könnten. Anfang der siebziger Jahre bekam das Forschungsgebiet plötzlich Auftrieb: Die Astrophysiker und späteren Nobelpreisträger Russell Hulse und Joseph Taylor hatten die Bewegung des Doppelsternsystems PSR 1913+16 viele Jahre lang studiert und fanden heraus, dass die beiden Neutronensterne Energie verlieren, was sich bestens mit der Aussendung von Gravitationswellen erklären ließ.

Ein weiterer Hinweis gelang 2008 anhand der Beobachtung des Quasars OJ287, in dessen Zentrum sich wahrscheinlich zwei Schwarze Löcher umeinander rotieren. Und im Jahr 2011 wurde das Doppelsternsystem mit der Kurzbezeichnung J0651 entdeckt, das offenbar ebenfalls Gravitationswellen abstrahlt. Auch ein extrem massereicher Neutronenstern – der Pulsar J0348+0432 – und ein ihn umkreisender Weißer Zwerg wurden im Jahr 2013 ebenfalls als eine Quelle für Gravitationswellen identifiziert.

Anfang der siebziger Jahre griffen unter anderem deutsche Physiker um den Computerpionier Heinz Billing die Idee Webers auf und spähten mit den damals empfindlichsten Zylinderdetektoren nach Einsteins Wellen. Zwar konnten die Physiker vom Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik in München mit ihren Apparaten Längenänderungen von 10⁻⊃1;⁵ Zentimetern nachweisen, der Erfolg blieb aber aus. Nachdem Webers Zylinder-Technik keinen Erfolg versprach, verfolgten Heinz Billing und seine Kollegen einen neuen Ansatz zum Nachweis von Gravitationswellen: die Laser-Interferometrie. Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology hatte Billing geraten, es auf diese Art und Weise zu versuchen. Weiss startete am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Amerika ähnliche Versuche.

Die Laser-Interferometrie beruht auf dem Prinzip, das Michelson und Morley 1881 dazu nutzten, die Äthertheorie des Lichts zu widerlegen. Ein Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen gespalten, die längere senkrecht zueinander stehende Interferometerarme durchlaufen. Durch Spiegel am Ende der Laufstrecke reflektiert, kehren die Lichtstrahlen zum Ausgangspunkt zurück, wo sie sich gegenseitig überlagern und auslöschen. Eine Gravitationswelle – so die Idee -, die über das Interferometer hinwegrauscht, streckt nun den einen Arm und staucht den anderen. Eine halbe Wellenlänge später ist es umgekehrt. Die Längenänderungen führen zu einem Interferenzsignal, aus dem die Wissenschaftler die Stärke der Gravitationswelle ermitteln.

Das erste Interferometer in München hatte noch drei Meter lange Laserarme, die man bald auf 30 Meter verlängerte. Auch wenn man durch einen optischen Trick den Lichtweg vergrößerte, war die Messstrecke noch zu kurz. Man plante den Bau eines Interferometers mit drei Kilometer langen Laserarmen, doch das Vorhaben stieß hierzulande auf keine Resonanz bei den politischen Entscheidungsträgern. Ähnlich erging es britischen Forschern von der Universität Glasgow in Schottland. Man schloss sich zusammen.

Geo600 und Ligo werden geboren

Das Ergebnis der Schicksalsgemeinschaft war Geo600 bei Hannover, ein Gravitationswellen-Interferometer mit 600 Meter langen Laserarmen, das 2002 in Betrieb ging. Dank optischer Kunstgriffe und extrem stabiler Lasersysteme konnte man die Empfindlichkeit für bestimmte Frequenzen immer weiter in die Höhe treiben. Sie beläuft sich derzeit auf rund ein Tausendstel des Protonendurchmessers. Doch das reicht immer noch nicht. Deshalb nutzt man Geo600 vor allem dazu, Techniken zu entwickeln, die anderen Gravitationswellen-Antennen zugute kommen, wie den beiden amerikanischen Ligo-Detektoren und dem Virgo-Observatorium.

Mehr Erfolg das nötige Geld für den Bau eines großen Laser-Interferometers aufzutreiben hatte Rainer Weiss vom MIT sowie Barry Barish und Kip Thorne vom California Institute of Technology in den Vereinigten Staaten. Weiss, der 1932 in Berlin geboren wurde und 1939 mit seiner Familie nach New York emigrierte, hatte schon früh die Idee, mit Laserstrahlen die Gravitationswellen aufzuspüren. Er baut mit seinen Kollegen ähnlich wie Billing immer größere Apparaturen. Der Theoretiker Kip Stephen Thorne hatte fast zeitgleich mit Berechnungen darüber begonnen, welche kosmische Quellen Gravitationswellen in welcher Stärke abstrahlen. Es war klar schnell, dass die bisherigen Laser-Interferometer zu klein und zu wenig empfindlich waren, um selbst Gravitationswellen von kollidierenden massereichen Schwarzen Löchern registrieren zu können.

Auftrieb bekam das amerikanische Ligo-Projekt, als der Experimentalphysiker Barry Barish in den frühen neunziger Jahren zur Gruppe von Weiss und Thorne stieß. Barish machte die kleine, aus rund 40 Wissenschaftlern bestehende Gruppe zu einer internationalen Forschergruppe, an der nun auch deutsche Wissenschaftler vom Albert Einstein Institut in Potsdam und vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover mitarbeiteten. Die Expertisen aller Partner flossen ein und so wurden schließlich die beiden Interferometer des „Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“ Ligo in Hanford und Livingston entwickelt und gebaut. Von Anfang an räumte man ihnen die besten Voraussetzungen für den Nachweis von Gravitationswellen ein. Die beiden Instrumente, die wie Geo600 im Jahr 2002 ihren Betrieb aufnahmen, haben Laserarme von jeweils vier Kilometern Länge.

Selbst fallende Blätter stören die Messungen

Doch die Länge der Laserarme nützte allein nichts. Es mussten alle störende Rauschsignale unterdrückt werden. Erdbeben, Autoverkehr und selbst die Blätter, die von Bäumen fallen, erzeugen stärkere gravitative Signale als das Beben aus dem All. Die Ligo-Detektoren sind deshalb in den vergangenen Jahren mit speziellen in Hannover entwickelten Spiegelsystemen ausgerüstet worden. Sie nutzen äußerst stabile Laser und einen optischen Trick, um die Wegstrecke für die Laserstrahlen zu vervielfachen. Auf diese Weise hat man die Empfindlichkeit um das Dreifache steigern können. Längenänderungen von einen Zehntausendstel des Protonendurchmessers lassen sind seit September 2015 nachweisen.

Die Anstrengungen haben sich gelohnt. Und man hat mit dem Nachweis der Gravitationswellen am 14. September 2015 den langersehnten Durchbruch erzielt. Und weitere werden folgen, da sind sich die Gravitationswellenjäger sicher. Mit den drei bestehenden Interferometern ist man auch in der Lage, den Ort recht genau auszumachen, an dem die empfangenen Signale des kosmischen Bebens entstehen. Weitere Laserinterferometer sind in Planung. So wollen die Amerikaner einen dritten Ligo-Detektor in Indien bauen, und in Japan wird ein Gravitationswellen-Observatorium in Betrieb gehen.

Sogar im Weltraum plant man mit der europäischen Raumfahrtagentur Esa ein gigantisches Laserinterferometer. Lisa, soll wenn es Mitte der dreißiger Jahre startet, besteht aus drei Satelliten, die im Formationsflug ein gleichseitiges Dreieck von mehreren Millionen Kilometer Kantenlänge aufspannen. Die Kanten werden von sich überlagernden Laserstrahlen gebildet. Das riesige Interferometer würde entlang der Erdbahn um die Sonne kreisen und alle niederfrequenten Gravitationssignale registrieren, die etwa von rotierenden Supermassiven Schwarzen Löchern, möglicherweise auch aus der Frühphase des Universums stammen.

Das Zeitalter der Gravitationswellen-Astromie hat begonnen. Doch nun werden die Ligo-Wissenschaftler am Caltech, am MIT sowie in Hannover und Berlin sowie in Glasgow und in Pisa kräftig feiern und den Nobelpreis gebührend feiern.

Im Überblick
Nobelpreisträger von 1901 bis heute
Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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