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Veröffentlicht: 15.02.2016, 10:19 Uhr

Gravitationswellen „Was für ein schönes Signal“

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen ist eine epochale Entdeckung. Er ist weit mehr als nur eine weitere Bestätigung der Einsteinschen Relativitätstheorie.

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© Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (AEI); Visualisierung: W. Benger (Airborne Hydro Ma In Extremis: ein Paar Schwarzer Löcher im selbsterzeugten Gravitationswellensturm

Den 14. September 2015, einen Montag, wird Marco Drago sicher nie vergessen. Der aus Padua stammende Postdoktorand saß in seinem Büro am Hannoveraner Standort des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Albert-Einstein-Instituts (AEI), und telefonierte mit einem Kollegen in Italien. Da bekam er um 10:53 Uhr eine E-Mail. Absender war eine Software, die den Datenausstoß zweier kilometergroßer Messgeräte überwacht. Zusammen bilden sie das „Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory“ (Ligo), auch wenn sie 3000 Kilometer voneinander entfernt in den amerikanischen Bundesstaaten Washington und Louisiana stehen.

Ulf von Rauchhaupt Folgen:

Ligo ist eine Kollaboration von mehr als tausend Wissenschaftlern aus 16 Nationen, wobei einige entscheidende Detektorkomponenten in Deutschland entwickelt wurden. Auch das größte für Ligo tätige Rechenzentrum steht am AEI in Hannover. Dort also saß Drago und blickte ungläubig auf die Kurven, die beide Detektoren drei Minuten zuvor aufgefangen hatten. „Ich dachte, das kann gar nicht sein“, erinnert sich Drago: „Das ist nicht echt.“

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Es war echt. Das hat die Kollaboration am vergangenen Donnerstag nach mehrmonatiger Prüfung des Signals und seiner Implikationen offiziell verkündet. Marco Drago und sein Kollege Andrew Lundgren, den er nach zehnminütigem Grübeln schließlich hinzuzog, waren die ersten Menschen, die das Signal einer Gravitationswelle zu Gesicht bekommen haben. Es handelt sich dabei um eine besondere Art von Strahlung. Sie besteht weder aus umherfliegenden Teilchen noch aus elektromagnetischen Wellen. Vielmehr sind es Schwingungen der Raumzeit selbst. Dass es so etwas geben muss, folgt aus der Gravitationstheorie, die Albert Einstein vor genau hundert Jahren vollendet hat. Bislang gab es allerdings nur indirekte Hinweise auf die Existenz solcher Wellen.

Dass auch der direkte Nachweis einmal gelingen würde, daran zweifelt zwar schon lange kein Forscher mehr. Doch insofern die Raumzeitrippel bis zu jenem 14. September die letzte noch nicht empirisch bestätigte Konsequenz blieben, die Einstein einst selbst aus seiner Theorie gezogen hatte, waren Drago und Lundgren Zeugen eines wissenschaftshistorisch denkwürdigen Moments.

© F.A.Z., Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Gravitationswellen: Schwere Strahlung

Was sind das für Wellen?

Aber nicht nur deshalb. Das Signal, das vergangene Woche nun in den Physical Review Letterspubliziert wurde, ist mehr als nur eine weitere Bestätigung Einsteins. Noch aus mindestens zwei weiteren Gründen ist es von epochaler, nobelpreiswürdiger Bedeutung. Und beide haben mit seiner Quelle zu tun, dem Ereignis, das nach dem denkwürdigen Datum die Kennung GW150914 erhalten hat.

Im Prinzip entstehen Gravitationswellen überall, wo überhaupt etwas passiert: Nach Einstein verursacht jedes Stück Materie und jede Form von Energie, Spannung oder Druck eine Krümmung in der Raumzeit, eine Art elastische Beule. Verfrachtet man einen Masseklumpen anderswohin, kehrt die Raumzeit in ihren unverbeulten Zustand zurück, ähnlich wie Luft in ein Volumen zurückströmt, aus dem sie eben noch durch die Präsenz eines Gegenstandes herausgehalten worden war. Schiebt man nun einen Körper schnell hin und her, etwa dadurch, dass man ihn im Kreis herumschleudert, erzeugt man damit Vibrationen in der Raumzeit, ähnlich wie rotierende Gegenstände Schallwellen erzeugen.

Die Raumzeit ist eine steife Angelegenheit

Obgleich im Kosmos an kreisenden Körpern kein Mangel herrscht – man denke an die Planeten im Umlauf um die Sonne –, war von solchen Raumzeitvibrationen bislang nichts zu spüren. Das liegt daran, dass die Raumzeit eine äußerst steife Angelegenheit ist. Wie steif, erkennt man an der Geschwindigkeit, mit der sich Wellen darin ausbreiten. In so etwas Windelweichem wie Luft bringen sie es gerade mal auf 340 Meter pro Sekunde. Durch Holz oder Metall wandern Schwingungen schon mit mehreren tausend Metern pro Sekunde. Die Raumzeitwellen aber pflanzen sich mit der höchsten überhaupt möglichen Geschwindigkeit fort: 300.000 Kilometer pro Sekunde, die Lichtgeschwindigkeit.

Um etwas derart Steifes zu merklichen Schwingungen anzuregen, muss man schon einen sehr großen Hammer schwingen. Selbst die Erde strahlt bei ihrem Umlauf um die Sonne lediglich 200 Watt in Form von Gravitationswellen ab. Für messbare Abstrahlleistungen müssen sich also ganz andere Massen drehen – je schwerer, dichter und schneller, umso besser.

Optimiert für tanzende Neutronensterne

Im Blickpunkt der Graviationswellensucher standen vor allem Neutronensterne. Das sind Kugeln aus Kernmaterie, anderthalb mal so schwer wie die Sonne, aber mit Durchmessern von lediglich zwanzig bis dreißig Kilometern. Sie können als Reste zurückbleiben, wenn schwere Sterne in Supernova-Explosionen vergehen. Das kann auch zwei sich umkreisenden Sternriesen widerfahren. Umtanzen sie sich danach als Neutronensterne weiter, verlieren sie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen Energie, so dass sie immer weiter zusammenrücken, bis sie schließlich mit einem großen Gravitationswellen-Knall verschmelzen.

„Auf solche Neutronensternpaare haben wir die Sensitivität von Ligo abgestimmt“, erklärt Bruce Allen, der als Direktor am AEI mit der Analyse der Ligo-Daten befasst ist. Allerdings, sagt er, sei man dabei so verfahren, dass auch der Zusammenprall noch extremerer Körper messbar bleibt: der zweier stellarer Schwarzer Löcher. Nun waren solche Objekte bis dahin noch nie im Duo beobachtet worden, und es war durchaus nicht klar, ob sie überhaupt paarweise auftreten können. Das ist jetzt geklärt: GW150914 wurde definitiv von zwei Schwarzen Löchern erzeugt, die in einer wahrscheinlich 1,3 Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxie miteinander verschmolzen.

Infografik / Ein Raumbeben namens GW150914 © F.A.Z. Vergrößern Die beiden 3000 Kilometer voneinander entfernten Gravitationswellen-Detektoren zeigten am 14. September 2015 ein bis auf etwas Rauschen identisches Signal (oben). Es folgt exakt den Vorhersagen der Einsteinschen Theorie (unten) für die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, inklusive des „Ringdown“, bei dem das Verschmelzungsprodukt vibriert wie eine frische Seifenblase.

Um was es sich hier handelte, das erkannten Drago und Lundgren bereits mit bloßem Auge an der Kurvenform. „Es ist so ein schönes Signal“, freut sich Bruce Allen. Und es sei viel zugänglicher als etwa der Nachweis des Higgs-Bosons. „Man guckt sich den Output unseres Instruments an und sieht, was die beiden Schwarzen Löcher da machen!“

Damit haben die Ligo-Forscher auf Anhieb den Jackpot geknackt: Erstens ist damit nicht nur das erste Paar aus Schwarzen Löchern nachgewiesen. Die Massen der beiden Biester liegen auch ein Mehrfaches über dem, was man von den stellaren Schwarzen Löcher in unserer Milchstraße kennt. Und das waren streng genommen bislang nur Kandidaten, denn wie ihr Name andeutet, entweicht Schwarzen Löchern aufgrund ihrer extremen Schwerkraft nicht einmal Licht. Optisch verraten sie sich daher nur indirekt, etwa durch ihre Sogwirkung auf die Materie eines sie begleitenden normalen Sterns. Daher konnten Skeptiker die Existenz Schwarzer Löcher, die den theoretischen Physikern durchaus auch Kopfzerbrechen bereitet, bislang bestreiten, wenn auch nur mit etwas Phantasie.

Der letzte Sargnagel für Schwarze-Löcher-Skeptiker

Mit GW150914 ist das aber ganz unmöglich geworden. „Auch das kann man aus dem Signal ablesen“, sagt Allen. Denn aus der Frequenzzunahme bis zur Verschmelzung ergebe sich ein Maß für die Massen der Objekte. „Und in der Phase, in der das Gravitationswellensignal für uns sichtbar wird, umkreisen sich diese Massen 70 Mal pro Sekunde. Damit kann man sich ausrechnen, wie weit sie voneinander entfernt sind – es sind nur einige hundert Kilometer. Wir kennen sonst keine Objekte, die so kompakt sind. Auch Neutronensterne sind ausgeschlossen.“

Der zweite Grund, warum GW150914 so viel mehr ist als die bloße empirische Bestätigung der Existenz von Gravitationswellen, liegt in der schieren Gewalt des Ereignisses. Wem wird nicht schwindlig bei der Vorstellung zweier sternschwerer Kugeln mit den Ausmaßen mitteleuropäischer Staaten, die sich 35 Mal schneller umkreisen, als die beste Eiskunstläuferin Pirouetten drehen kann, und die dann mit siebzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit ineinanderkrachen. „Das ist schwer zu fassen“, sagt Bruce Allen.

Einstein im Extrem

Tatsächlich herrschen nirgendwo sonst, auch nicht in den aktivsten astrophysikalischen Phänomenen, in keinem Quasar und keiner Supernova, so extreme Bedingungen wie beim engen Paartanz Schwarzer Löcher. Deswegen war bis dato ganz unklar, ob Einsteins Theorie unter solchen Umständen überhaupt gültig ist. Doch GW150914 lässt keinen Zweifel. „Soweit wir das bisher sagen können“, sagt Bruce Allen, „zeigt der Vergleich mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie, dass diese die perfekte Beschreibung dessen ist, was da vor sich geht.“

Das gilt selbst im Moment der Verschmelzung. Wie das Signal verrät, wogen die beiden Löcher vor dem Ereignis 29 und 36 Sonnenmassen – zusammen 65, das Verschmelzungsprodukt bringt es aber nur auf 62 Sonnenmassen. Volle drei Sonnenmassen wurden also in weniger als einer Sekunde nach Einsteins berühmter Formel E=mc2 in pure Energie umgewandelt. Die Strahlungsleistung übertraf damit kurzzeitig den Energieausstoß sämtlicher Sterne in allen Galaxien des sichtbaren Universums zusammen.

Ein neues Fenster, ein neues Sinnesorgan

„Das ist die gewaltigste Explosion, die jemals beobachtet wurde“, sagt Karsten Danzmann, Allens Kollege im Direktorium des AEI. „Doch weder im sichtbaren Licht noch auf irgendeiner anderen elektromagetischen Wellenlänge war auch nur das geringste zu sehen.“ Die gewaltigen Energiemengen sind allein durch Gravitationswellen davongetragen worden.

Damit hat Ligo tatsächlich ein neues Fenster zum Universum aufgestoßen, eine neue Art von Astronomie hat begonnen, mit der sich Objekte und Vorgänge studieren lassen, für welche die Wissenschaft vom Kosmos bisher blind war. „Es ist, als hätten wir auf einmal ein ganz neues Sinnesorgan bekommen“, sagt Danzmann. Das war freilich erhofft worden, aber nach dem fulminanten Start mit GW150914, das noch in der Testphase der aufgerüsteten Ligo-Detektoren, vor dem eigentlichen Beginn der Beobachtung gefunden wurde, dürfte diese Hoffnung nun ziemlich sicher in Erfüllung gehen. Schon verdichten sich Gerüchte über weitere Funde in den bisherigen Ligo-Daten. So erwähnt etwa Emanuele Berti von der University of Mississippi in einem Kommentar auf der Website der American Physical Society ein zweites Signal, das, wenn es sich als authentisch erweist, ebenfalls von einer Paarverschmelzung Schwarzer Löcher kündete. „Wir erhalten hier den ersten Einblick in eine dunkle Schattenwelt“, sagt Karsten Danzmann, „und können gespannt darauf sein, was dort alles verborgen ist.“

Glosse

Forschung im Abwärtsstrudel

Von Joachim Müller-Jung

Noch ist die Forschungsmacht Nummer eins nicht am Boden. Aber Trumps Budgetpläne zeigen: Der Präsident pfeift auf die Zukunft, wie er auf Wahrheit pfeift. Amerika entmachtet sich. Ein Kommentar. Mehr 11 42

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