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Gravitationswellen : Botschaften des bebenden Raumes

Zwei Schwarze Löcher, die die Raumzeit kräuseln - künstlerische Illustration Bild: LIGO/T. Pyle

Gravitationswellen gehören heute zu den spannendsten astronomischen Informationsträgern. Ihre lange Geschichte mündet in die Entwicklung einer neuen Beobachtungsdisziplin.

          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.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          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.

          Auch kollidierende Neutronensterne senden Gravitationswellen ins All.

          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.

          Dem Ligo-Observatorium gelang es erstmalig, Gravitationswellen direkt nachzuweisen, indem die winzigen Stauchungen und Dehnungen der Raumzeit gemessen wurden.

          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.

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