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Kosmologie : Das lange Warten auf die kosmischen Beben

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Albert Einstein sagte Gravitationswellen voraus Bild: dpa

Die vier großen Antennen für Gravitationwellen haben ihre Testläufe absolviert und sind jetzt empfangsbereit. Alles ist bereit für den direkten Nachweis von Einsteins Vorhersage.

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          Kaum jemand würde behaupten, Naturwissenschaftler seien frei von Eitelkeit. Dennoch nannten unlängst auf die Frage hin, welches die wichtigsten Forschungsprojekte der nahen Zukunft seien, die meisten Physiker statt ihrer eigenen Arbeit den direkten Nachweis von Gravitationswellen, deren Existenz Albert Einstein aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gefolgert hatte. War zu Einsteins Zeiten ein solches Vorhaben noch völlig utopisch, so scheint der erfolgreiche Nachweis in greifbare Nähe gerückt zu sein. So ist zu diesem Zweck kürzlich das französisch-italienische Laserinterferometer „Virgo“ in der Nähe von Pisa in Betrieb genommen worden. Drei weitere Instrumente seiner Art - das in Ruthe bei Hannover errichtete deutsch-britische Interferometer „Geo 600“, „Ligo“ in den Vereinigten Staaten sowie „Tama“ in Japan - haben die langwierigen Testläufe, die „Virgo“ nun bevorstehen, bereits absolviert und sind empfangsbereit.

          An Gravitationswellen hat der legendäre Apfel, der Sir Isaac Newton auf den Kopf gefallen sein soll, den Physiker trotz seiner Schwere nicht denken lassen. Newtons Gravitationstheorie, mit der sich die Bewegung der Planeten unseres Sonnensystems nahezu perfekt beschreiben läßt, war von Anfang an mit einem Mangel behaftet - die „instantane Fernwirkung“. Das war nicht nur vielen Zeitgenossen Newtons, sondern auch dem Meister selbst suspekt. Albert Einstein konnte diese Schwierigkeit mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beheben, die die Gravitation als geometrische Krümmung einer dynamischen Raumzeit beschreibt. Danach breitet sich die Gravitationswirkung nicht instantan, sondern mit Lichtgeschwindigkeit aus. Und ähnlich wie aus der Maxwellschen Feldtheorie folgt, daß beschleunigte Ladungen elektromagnetische Wellen erzeugen, sagen die Einsteinschen Feldgleichungen, daß beschleunigte Massen Gravitationswellen hervorrufen. Diese sollten sich gleichsam als „Beben“ oder periodische Störungen der Raumzeit ausbreiten.

          Indirekter Nachweis bereits geführt

          Indirekt sind Gravitationswellen erstmals von Joseph Taylor und Russell Hulse Anfang der siebziger Jahre beim Doppelpulsar 1913+16 im Sternbild Adler nachgewiesen worden. Die beiden Forscher, die 1993 den Nobelpreis erhielten, beobachteten, daß der Bahnradius des einen Partners des Doppelsternsystems sich im Laufe der Zeit verringert und damit der Abstand beider Objekte, wie es als Konsequenz der Abstrahlung von Gravitationswellen zu erwarten war. Auf gleiche Weise sollte die Erde bei ihrer Bewegung um die Sonne an Energie verlieren. Aufgrund der geringen Erdmasse beträgt die abgestrahlte Leistung jedoch nur etwa 200 Watt, was praktisch nicht nachweisbar ist.

          Wollen die Forscher Gravitationswellen aufspüren, müssen sie ihre Antennen auf massereiche und kompakte Objekte im Kosmos richten. Die stärksten Quellen dürften miteinander verschmelzende Doppelsterne sein, die aus zwei Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem schwarzen Loch bestehen.

          Ausreichend Quellen vorhanden

          Die Zahl der im Weltall vorhandenen Neutronensternpaare ist offenbar wesentlich größer als bislang angenommen. Entsprechend hoch sollte auch die Wahrscheinlichkeit der zu erwartenden Gravitationswellen sein (siehe F.A.Z. vom 10. Dezember 2003). Als Quellen kommen auch Supernovae in Frage, die sich am Rande des Kollapses befinden. Mit einer Wellenlänge von etwa dreihundert Kilometern - was einer Frequenz von tausend Hertz entspricht - liegen die etwa von einer Supernova erzeugten Gravitationswellen im akustischen Bereich. (Der Kammerton A schwingt mit 440 Hertz.) Hören kann man die periodischen Störungen der Raumzeit indessen schon aufgrund ihrer winzigen Amplitude nicht. Man benötigt schon so empfindliche Antennen wie Virgo, Geo 600, Ligo und Tama.

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