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Lisa-Pathfinder : Die Jagd nach Einsteins Gravitationswellen

So schön existieren Gravitationswellen bislang nur im Computer, wie auch diese Simulation. Sie zeigt zwei miteinander kollidierende Schwarze Löcher. Bild: Miguel Alcubierre, Gabrielle Allen (MPI für Gravitationsphysik9

Albert Einstein sagte vor rund 100 Jahren die Existenz von Gravitationswellen voraus, nachgewiesen hat man das Beben der Raumzeit bislang nicht. Ein Satellitenexperiment soll den Beweis endlich erbringen. Am Mittwoch (2. Dezember) will man die Mission „Lisa-Pathfinder“ starten, die den Weg dazu ebenen soll.

          Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist vielleicht die größte Herausforderung der physikalischen Grundlagenforschung. Albert Einstein hatte auf diese periodischen Verzerrungen des Raumzeitgefüges im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie 1916 geschlossen, gleichwohl er selbst nicht ernsthaft daran glaubte, dass sich dieser winzige Effekt jemals beobachten lassen würde. Heute wird die Existenz von Gravitationswellen kaum mehr bestritten, obwohl diese sich bislang hartnäckig dem direkten Nachweis entzogen haben. Große Hoffnung setzen die Wissenschaftler auf die irdischen Gravitationswellenantennen Geo600 in Deutschland, Virgo in Italien und Ligo in den Vereinigten Staaten, die rund um die Uhr auf Empfang geschaltet sind, um Signale vom „Raumzeit-Beben“ aus den Tiefen des Weltalls einzufangen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Eine Wende bei der Suche nach Gravitationswellen soll aber schließlich die ambitionierte Weltraummission Lisa („Laser Interferometer Space Antenna“) bringen. Drei baugleiche Sonden bilden im Formationsflug ein riesiges gleichseitiges Dreieck und registrieren geringste Abstandsänderungen infolge der Einwirkung von Gravitationswellen. In der kommenden Woche startet vom Weltraumbahnhof Korou in Französisch-Guayana aus nun der Demonstrations-Satellit Lisa-Pathfinder ins All, der die aufwendige Messtechnik von Lisa im kleinen Maßstab erproben soll.

          Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie entstehen Gravitationswellen immer dann, wenn Massen beschleunigt oder abgebremst werden. Sie sind aber nur von großen beschleunigten Massen messbar, wie sie im Kosmos existieren. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum aus, ähnlich wie Wasserwellen in einem Teich, in den man einen Stein wirft. Typische Quellen für diese Wellen sind heftige Sternexplosionen (Supernovae), rotierende supermassive Schwarze Löcher sowie kompakte Neutronensterne beziehungsweise Schwarze Löcher, die sich umkreisen und ineinander stürzen. Aber auch beim Urknall und der kurzen Phase danach, bei der sich das Universum plötzlich stark ausdehnte, könnten Gravitationswellen entstanden sein, deren Spuren möglicherweise messbar sind.

          Doppelsternsysteme emittieren Einsteins Wellen

          Die Frequenzen der Raumschwingungen hängen im Wesentlichen von den Massen ab, die Gravitationswellen erzeugen. Sie umfassen ähnlich wie die elektromagnetische Strahlung einen großen Frequenzbereich, von Bruchteilen von Hertz bis einigen Dutzend Kilohertz. Die hochfrequenten Gravitationswellen schwingen also im akustischen Bereich. Sie wären im Prinzip hörbar. Die Amplituden der Gravitationswellen sind aber extrem klein. „Gravitationswellen transportieren zwar viel Energie,“ sagt Karsten Danzmann, einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Gravitationswellenforschung. „Wenn in unserer Milchstraße eine Supernova kollabiert, dann werden wir überschüttet mit einem Kilowatt pro Quadratmeter an Gravitationswellen. Da der Raum aber recht steif ist, braucht es vergleichsweise große Energiemengen, um ihn nur ein klein wenig zusammenzuquetschen.“ Will man Gravitationswellen auf der Erde oder im Weltraum nachweisen, muss man eigentlich nur Längenänderungen messen und zwar präziser, als irgendetwas, was man jemals gemessen hat. „Die erdgebundenen Gravitationswellendetektoren haben mittlerweile eine Empfindlichkeit erreicht, dass Längenänderungen von einem Zehntausendstel Protonendurchmesser festgestellt werden können“, erklärt der Wissenschaftler vom Max Planck Institut für Gravitationsphysik und von der Leibniz Universität in Hannover.

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