Wo die Raumzeit zitterte


Kontrollraum Ligo-Detektor, Livingston, Lousiana (Foto: Thomas Bührke)

Am 21. August 2017 verfinsterte sich um die Mittagszeit der Himmel über den USA von Oregon bis South Carolina. Aus Anlass dieses kosmischen Spektakels hat sich bild der wissenschaft einen Platz im Kernschatten gesucht, um zusammen mit Lesern die SoFi 2017 zu bestaunen. Nach dem ersten Halt am Panama-Kanal sind die Leser weiter in die USA gereist. Nächster Stopp ist Livingston in Louisiana, der Standort des Ligo-Detektors, mit dem erstmals die Gravitationswellen direkt gemessen wurden. Unser Autor Thomas Bührke ist dabei und berichtet.

Es war ein kleines Zittern des Raumes, aber ein großes Beben in der Physik. Am 14. September 2015 war eine Gravitationswelle über die Erde hinweggerast. Kein Mensch hatte etwas davon bemerkt, nur zwei Messinstrumente namens Ligo (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) in den USA registrierten eine kurzzeitige Verbiegung des Raumes – genauer: der Raumzeit. Es bedarf keiner prophetischen Gabe zu behaupten, dass der nächste Physiknobelpreis für diese Entdeckung vergeben werden wird. Unsere Gruppe bekam die einzigartige Gelegenheit, den Ligo-Detektor in Livingston, Louisiana, zu besichtigen und den Wissenschaftlern bei ihrer spannenden Forschung über die Schultern zu schauen.

Den letzten Teil der Zufahrtstraße muss unser Bus im Schritttempo zurücklegen, auf dem Parkplatz angekommen, darf er gar nicht mehr bewegt werden. Jede mögliche Erschütterung des Laborgeländes muss vermieden werden, um die empfindlichsten, jemals von Menschen gebauten Messinstrumente nicht zu beeinträchtigen.

Die Geburt einer Gravitationswelle

In zwei Vorträgen erklären uns Physiker, was passiert war. Vor 1,3 Milliarden Jahren stießen irgendwo im Universum zwei Schwarze Löcher zusammen. Ein kosmischer Crash ohnegleichen, doch kein Lichtblitz oder ähnliches zeugte hiervon. Lediglich eine Gravitationswelle wurde ausgesandt. Sie brachte die Raumzeit zum Zittern und breitete sich mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen aus. Bei diesem nur zwei Zehntelsekunden lang dauernden Ereignis trug die Gravitationswelle einige zehn Mal mehr Energie fort, als alle Sterne im Universum in diesem Zeitraum in Form von Licht und anderen elektromagnetischen Welle abgestrahlt haben. Es war zu diesem Zeitpunkt das mit Abstand energiereichste Ereignis im Kosmos.


Störsignale, Ligo-Kontrollraum (Foto: Thomas Bührke)

Doch der Raum ist extrem steif, wie Physiker sagen, und die von der Welle erzeugte Raumstauchung winzig. Die beiden Ligo-Instrumente maßen eine Längenänderung, die dem Zehntausendstel eines Protondurchmessers entspricht. Oder anders veranschaulicht: Sie veränderte die Distanz zum 4,3 Lichtjahre entfernten Stern Alpha Centauri um eine Haaresbreite.

Einstein nach 100 Jahren bestätigt

Diese phantastische Messgenauigkeit ist das Ergebnis einer 30 Jahre langen Entwicklung eines sogenannten Laser-Interferometers, zu dem im Übrigen Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik entscheidende Beiträge geleistet haben. Sie betreiben in der Nähe von Hannover einen eigenen Gravitationswellendetektor namens GEO600. In ihm werden vor allem neue Techniken entwickelt, die in Ligo zum Einsatz kommen.   

Die Ligo-Virgo-Kollaboration, wie das tausendköpfige Team offiziell heißt, hatte damit nach ziemlich genau 100 Jahren Einsteins Vorhersage der Existenz von Gravitationswellen bestätigt. Er selbst hielt deren Messung für unmöglich – eine Skepsis, die sich bis zu Ligos Erfolg gehalten hatte: Viele Physiker hielten das Vorhaben für aussichtslos.


Einer der beiden Ligo-Interferometer-Arme, Livingston, Lousiana (Foto: Thomas Bührke)

Wie funktioniert Ligo?

Das Instrument besteht aus zwei senkrecht zueinander liegenden, vier Kilometer langen Röhren. Wenn eine Gravitationswelle darüber hinwegrauscht, dann schrumpfen und verlängern sich abwechselnd diese Strecken. Zwei Laserstrahlen im Innern dieser evakuierten Röhren registrieren diese Längenänderung bis auf den Bruchteil eines Protondurchmessers genau. Das nur rund eine Zehntelsekunde lang andauernde Signal enthält wie ein Fingerabdruck ungeahnte Informationen. Es entsprach genau dem, das Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie für zwei kollidierende Schwarze Löcher vorhersagt. Damit gilt die Messung vom 14. September 2015 auch als indirekter Beweis der Existenz Schwarzer Löcher.

In das Heiligtum des Präzisionsinterferometers dürfen wir nicht, jede noch so kleine Erschütterung stört die Messung. Aber wir besuchen den Kontrollraum, wo wir den Forschern bei der Arbeit zuschauen. Große Monitore zeigen den aktuellen Status der Messung und die Störsignal an. Letztere stammen von der Brandung des Meeres, starken Winden, Erdbeben, vorbeifahrenden Autos und so weiter. Insgesamt prüft der Computer ständig rund hunderttausend technische und physikalische Größen, die Einfluss auf die Messung haben. Bei jedem mutmaßlichen Gravitationswellensignal werden diese Größen auf eine mögliche Störung hin gecheckt. Bei der Entdeckung im September 2015 wurde sogar geprüft, ob ein Hacker das Signal eingespeist hatte, wie uns Keith Thorne (nicht verwandt mit Nobelpreiskandidat Kip Thorne) erklärte.

Interferometer im Weltraum

Zum Abschluss picknickten wir auf einer Terrasse in unmittelbarer Nähe des Interferometer-Zentralgebäudes. Ein faszinierendes Gefühl, wenn man sich vergegenwärtigt, dass hier Wissenschaftsgeschichte geschrieben wurde. Tatsächlich markiert die Entdeckung der Gravitationswelle, und mittlerweile noch zwei weiteren, erst den Anfangt einer neuen Ära der Astronomie. In den kommenden Jahren werden weitere Anlagen in Italien, Japan und Indien in Betrieb gehen. Dann hofft man im Wochen- oder gar Tagestakt auf eine Gravitationswelle, deren Herkunft sich am Himmel auch lokalisieren lassen wird. Im Jahr 2034 soll sogar ein Interferometer mit 1,5 Millionen Kilometer Armlänge im Weltraum stationiert werden. Vielleicht lassen sich mit ihm Gravitationswellen aus dem Urknall nachweisen. Wird bild der wissenschaft dann auch eine Reise dorthin ausrichten? Schön wär's.

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