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Veröffentlicht: 19.02.2016, 19:35 Uhr

Die Suche Jagd nach Einsteins Wellen

Die Suche nach Gravitationswellen hat fast 60 Jahre gedauert. Der technische Aufwand dafür war groß. Er hat sich aber letztlich mehr als gelohnt, wie die jüngste Entdeckung der Ligo-Kolaboration beweist.

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© LIGO Laboratory Jeweils vier Kilometer lang sind die in Röhren verlaufende Laserarme des Ligo-Observatoriums in Hanford (Washington). In der Mitte sind die Bürogebäude zu erkennen.

Zu Lebzeiten Einsteins fristeten Gravitationswellen eher ein bescheidenes Dasein. 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.

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Der Amerikaner Joseph Weber von der University of Maryland in College Park versuchte Anfang der sechziger Jahre als Erster, Gravitationswellen auf der Erde nachzuweisen. 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.

Joseph Weber and gravitational wave detector © University of Maryland Vergrößern Joseph Weber und sein Gravitationswellen-Detektor

Anfang der siebziger Jahre griffen 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 10-15 Zentimetern nachweisen, der Erfolg blieb aber aus. Zwei Astronomen hatten inzwischen mehr Glück. Russell Hulse und Joseph Taylor hatten die Bewegung des Doppelsternsystems PSR 1913+16 viele Jahre lang studiert und herausgefunden, dass die beiden Neutronensterne Energie verlieren. Der Effekt ließ sich damit erklären, dass das System Gravitationswellen abstrahlt. Für ihre Beobachtung wurden Hulse und Taylor 1993 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.

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

Die Laser-Interferometrie kommt

Nachdem Webers Zylinder-Technik keinen Erfolg versprach, verfolgten Heinz Billing und seine Kollegen einen neuen Ansatz zum Nachweis von Gravitationswellen: die Laser-Interferometrie. Dieses 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.

Gravitationswellendetektor Geo 600 © Geo 600 Vergrößern Gravitationswellendetektor Geo 600 bei Hannover

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.

Das Ergebnis der Schicksalsgemeinschaft war Geo 600 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 Geo 600 vor allem dazu, Techniken zu entwickeln, die anderen Gravitationswellen-Antennen zugutekommen, wie den beiden amerikanischen Ligo-Detektoren.

Discovery of gravitational waves © dpa Vergrößern

Die Interferometer des „Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“ in Hanford und Livingston räumte man von Anfang an bessere Voraussetzungen für den Nachweis von Gravitationswellen ein. Die beiden Instrumente, die ebenfalls 2002 ihren Betrieb aufnahmen, haben Laserarme von jeweils vier Kilometern Länge. Die Ligo-Detektoren sind in den vergangenen Jahren mit speziellen in Hannover entwickelten Spiegelsystemen ausgerüstet worden, 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 sind seit September des vergangenen Jahres möglich.

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Die Anstrengungen haben sich offenkundig gelohnt. Und man hat mit dem Nachweis der Gravitationswellen am 14. September 2015 den langersehnten Durchbruch erzielt. Das Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie hat begonnen.

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