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Gravitationswellen

Botschaften des bebenden Raumes

Von Sibylle Anderl
 - 21:06
Zwei Schwarze Löcher, die die Raumzeit kräuseln - künstlerische Illustrationzur Bildergalerie

Arthur Stanley Eddington hatte maßgeblich dazu beigetragen, dass Einstein zum Star der Wissenschaft avancierte. Am 29. Mai 1919 war der britische Astrophysiker nach Afrika gereist, um dort während einer totalen Sonnenfinsternis die von Einstein in seiner Relativitätstheorie vorhergesagte Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne zu prüfen. Auf dieser Grundlage konnte er schließlich feststellen, dass Einsteins Vorhersage zutraf.

Bezüglich einer anderen Vorhersage war Eddington aber ein deutlicher Kritiker Einsteins: Schon 1916 hatte Einstein postuliert, dass die Raumzeit durch beschleunigte Massen in Schwingungen geraten könne. Über Einsteins Ableitung dieser sogenannten Gravitationswellen schrieb Arthur Eddington 1922: „Sie sind nicht wirklich und (so wie die absolute Geschwindigkeit) durch kein denkbares Experiment nachweisbar.“ Ihre Fortbewegungsgeschwindigkeit sei entsprechend allein durch die „Geschwindigkeit des Denkens“ bestimmt. Es dauerte bis in die späten fünfziger Jahre, bis das zunächst so umstrittene Konzept der Gravitationswellen von Theoretikern deutlich weiter ausgearbeitet wurde und dadurch so an Überzeugungskraft gewann, dass mögliche Experimente zu deren Bestätigung ins Auge gefasst werden konnten.

Erster indirekter Nachweis

Der erste Nachweis der Gravitationswellen erfolgte rund zwanzig Jahre später indirekt durch die Beobachtung von Pulsaren, schnell rotierende extrem kompakte Neutronensterne, die wie ein Leuchtturm gebündelte Strahlung ins All senden. Wenn zwei Pulsare umeinander kreisen, sollte ihre Beschleunigung Gravitationswellen erzeugen, die Energie aus dem System davontragen, so dass sich die Umlaufperiode der beiden Neutronensterne langsam ändert. 1974 wurde das erste solche Binärsystem entdeckt, 1981 erfolgte der indirekte Nachweis der Gravitationswellen, für den 1993 Russell Hulse und Joseph Taylor den Nobelpreis erhielten.

Der direkte Nachweis – die Messung der winzigen Stauchungen und Streckungen, die Gravitationswellen in der Raumzeit hervorrufen – gestaltete sich sehr viel schwieriger. Zunächst versuchte sich der amerikanische Physiker Joseph Weber an der Universität Maryland daran, die Wellen mit großen Metallzylindern nachzuweisen, deren Resonanzfrequenzen durch die Gravitationswellen angeregt werden sollten. Weber gab tatsächlich schon 1969, nur vier Jahre nach dem Bau des ersten Detektors, angebliche Messerfolge bekannt. Diese Ergebnisse konnten aber nicht reproduziert werden. Stattdessen wurden ihm methodische Fehler nachgewiesen. Seit den frühen siebziger Jahren orientierten sich Physiker daraufhin experimentell in eine andere Richtung: Sie versuchten den Nachweis von Gravitationswellen mit Hilfe von Laser-Interferometern. Hier werden in zwei senkrecht aufeinander stehenden Armen Laserstrahlen überlagert und zur Interferenz gebracht. Wenn eine Gravitationswelle durch den Aufbau hindurchläuft, ändern sich die Längen der Arme relativ zueinander und die Interferenzstreifen bewegen sich.

Nobelpreis 2017

Die Messung selbst ist extrem anspruchsvoll, da eine Vielzahl von Störquellen existiert, die den von den Gravitationswellen verursachten Längenänderungen der Größenordnung eines Zweihundertstels des Protonenradius überlagert sind. Am 14. September 2015 gelang dennoch, was Eddington für unmöglich und viele Physiker nach ihm für unwahrscheinlich gehalten hatten: die erste direkte Messung einer Gravitationswelle. Das aufgezeichnete Signal war durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher hervorgerufen worden. Für diesen Erfolg, den die Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston und Hanford möglich gemacht hatten, erhielten 2017 Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne den Nobelpreis für Physik.

Ein weiterer Meilenstein war im Jahr 2017 der erstmalige Nachweis der Gravitationswellen, die durch die Kollision zweier Neutronensterne hervorgerufen wurden. Das Besondere daran: Das Ereignis konnte gleichzeitig anhand der dabei ausgesandten elektromagnetischen Strahlung beobachtet werden. Die dafür notwendige Lokalisierung der Quelle am Himmel wurde dadurch möglich, dass durch die Hinzunahme eines dritten Interferometers, des italienischen Virgo-Observatoriums, die Winkelauflösung der LIGO-Messungen entscheidend verbessert werden konnte. Dieser Triumph der Multimessenger-Astrophysik zeigte unter anderem, dass kollidierende Neutronensterne kurze Gammastrahlenausbrüche verantworten, dass sie dabei die dominierenden Produzenten schwerer Elemente im Kosmos sind und dass sich Gravitationswellen tatsächlich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten – Letzteres eine wichtige Randbedingung für die Entwicklung alternativer Gravitationstheorien.

Noch viele offene Fragen

Die Aufzeichnung von Gravitationswellen ist mittlerweile schon beinahe Routine geworden. Gleichzeitig steht die Gravitationswellen-Astronomie aber ganz am Anfang. Es gibt noch viele offene Fragen, auf die man sich von ihr Antworten erhofft: Welche Eigenschaften hat beispielsweise die extrem dichte Materie im Inneren der Neutronensterne? Was ist die maximale Masse dieser extremen Objekte? Was können wir über den Kosmos lernen, wenn wir anhand von Ereignissen, die Gravitationswellen aussenden, die Hubble-Konstante neu bestimmen?

Um diese und andere Fragen in Angriff zu nehmen, stehen in naher Zukunft verschiedene Upgrades der bestehenden Experimente an, zudem soll das bestehende Netzwerk durch zusätzliche Observatorien in Japan und Indien erweitert werden. Die Entwicklung weiterer, noch empfindlicherer Instrumente einer dritten Generation wie das geplante „Einstein Telescope“, das auf einem verschachtelten Detektordesign beruht, oder der „Cosmic Explorer“ mit einer Armlänge von 40 Kilometern könnte in mindestens zehn Jahren die Präzisions-Ära des Feldes einläuten. Dadurch wird sich auch der Frequenzbereich der nachweisbaren Gravitationswellen und damit der nachweisbaren Ereignisse vergrößern.

Um die extremsten Ausprägungen Schwarzer Löcher, supermassereiche Giganten im Zentrum von Galaxien, zu beobachten, muss man aber die Erde verlassen. Ein Ensemble von drei Satelliten soll hierfür im Rahmen des Lisa-Projektes (Laser Interferometer Space Antenna) der Esa mit der Nasa als Juniorpartner die Messungen übernehmen. Im Inneren jedes Satelliten wird sich ein Testwürfel in freiem Fall befinden, auf seiner Bahn gestört allenfalls durch Gravitationswellen. Durch den Austausch von Lasersignalen zwischen den Millionen Kilometer voneinander entfernten Satelliten werden solche Störungen präzise messbar sein. Ein Demonstrationsexperiment, der Lisa Pathfinder, hat die Erwartungen bereits übertroffen. Das vollständige Experiment soll 2034 starten.

Ebenfalls im Weltraum befinden sich natürliche Detektoren, deren Nutzung ebenfalls in Planung ist. Gravitationswellen niedriger Frequenz sollten indirekt anhand der Polarisierung der kosmischen Hintergrundstrahlung und anhand der Pulse von Pulsaren nachweisbar sein. Letztere Methode funktioniert anhand winziger Änderung der Pulsationsfrequenzen der rotierenden Neutronensterne hervorgerufen von Gravitationswellen, die zwischen dem Pulsar und der Erde hindurchlaufen. Verschiedene Experimente sind für diese Methode in Vorbereitung und sollten im kommenden Jahrzehnt erste Ergebnisse erzielen. Arthur Eddington wäre überrascht, wie viele verschiedene Experimente zum Nachweis von Gravitationswellen seine Kollegen in knapp hundert Jahren zu erdenken imstande waren.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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