Gravitationswellen: Das Beben der Raumzeit

Gravitationswellen waren bislang nur reine Theorie, die sich etwa am Computer simulieren ließ. Am 11. Februar 2016 gaben Forscher bekannt, dass sie nun tatsächlich Gravitationswellen gemessen haben. (Foto: S. Ossokine, A. Buonanno/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, W. Benger/Airborne Hydro Mapping GmbH)
Gravitationswellen waren bislang nur reine Theorie, die sich etwa am Computer simulieren ließ. Am 11. Februar 2016 gaben Forscher bekannt, dass sie nun tatsächlich Gravitationswellen gemessen haben. (Foto: S. Ossokine, A. Buonanno/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, W. Benger/Airborne Hydro Mapping GmbH)
Einer der LIGO-Detektoren: Er befindet sich östlich von Washington in Hanford. Insgesamt gibt es weltweit fünf Detektoren zur Messung von Gravitationswellen, zwei in den USA und einer jeweils in Deutschland, Italien und Japan (im Bau). (Foto: LIGO)
Einer der LIGO-Detektoren: Er befindet sich östlich von Washington in Hanford. Insgesamt gibt es weltweit fünf Detektoren zur Messung von Gravitationswellen, zwei in den USA und einer jeweils in Deutschland, Italien und Japan. (Foto: LIGO)

Vor 100 Jahren hatte Albert Einstein in einem kurzen Aufsatz die Existenz von Gravitationswellen vorausgesagt, die er aus seinen ein Jahr zuvor formulierten Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ableitete. Nun hat der amerikanische LIGO-Detektor diese Kräuselungen der Raumzeit erstmals direkt gemessen. Sie stammen von der Kollision zweier Schwarzer Löcher mit der Masse von 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen in einer Entfernung von rund 1,3 Milliarden Lichtjahren aus der Richtung der Magellan'schen Wolken am Südhimmel. Dabei wurde eine Masse von ungefähr drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen abgestrahlt – winzigen Verzerrungen der Raumzeit in der Größenordnung eines Tausendstel Atomkern-Durchmessers. Damit hat sich ein völlig neues Fenster zum Universum geöffnet.

Wäre Einstein noch am Leben, würde er wohl im Herbst einen weiteren Physik-Nobelpreis erhalten. Jetzt aber sind die Experimentatoren auf der Shortlist. Denn ein rund tausendköpfiges Team aus 16 Ländern hat nach einem Vierteljahrhundert harter Arbeit ein neues Fenster zum Universum aufgestoßen. Die Physiker maßen erstmals direkt die Schwingungen der Raumzeit.

Dass die Raumzeit keine passive Bühne ist, auf der sich alle Dramen des Universums abspielen, ohne dass sie diese Bühne beeinflussen, sondern ein aktiver Mitspieler im Schauspiel der Welt ist, gehört zu den triumphalen Einsichten von Einstein. Wie Masse und Energie einerseits, mit Raum und Zeit andererseits wechselwirken und die Schwerkraft sich als Krümmung der Raumzeit verstehen lässt, ist der Kern seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Auch extreme Verdichtungen in der Raumzeit – die ebenfalls erstmals vor 100 Jahren beschriebenen, aber erst in den 1960er-Jahren sogenannten Schwarzen Löcher – sind eine Konsequenz von Einsteins Feldgleichungen.

Erschütternde Botschaft

Dass massereiche Körper, die sich umkreisen und kollidieren können, die Raumzeit selbst erschüttern, hat Einstein in einer kurzen Arbeit 1916 beschrieben sowie in einer zweiten im Jahr 1918, die diverse Rechenfehler der ersten korrigierte. Diese Gravitationswellen zu messen, ist aber eine gigantische Herausforderung. Denn die Kräuselungen der Raumzeit sind winzig klein – in der Größenordnung eines Tausendstel Atom-Durchmessers. Trotzdem ist es dem LIGO-Team jetzt gelungen, diese winzigen Verwerfungen im Gefüge des Alls nachzuweisen.

Die Gerüchteküche brodelte bereits seit September 2015. Jetzt aber ist es offiziell: Auf einer Pressekonferenz am 11. Februar 2016 um 16.34 Uhr MEZ im National Press Club in Washington, DC, verkündeten France Córdova, Direktorin der National Science Foundation, sowie David Reitze und Gabriela González von der LIGO-Kollaboration den lange herbeigesehnten wissenschaftlichen Durchbruch.

Der Todestanz der Schwarzen Löcher

Am 14. September 2015 hatte LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ein Signal gemessen, das sich auf den Bildschirmen schon mit bloßem Auge erkennen ließ (wenn man das nötige Wissen hat). Zuerst registrierte es der Detektor in Livingston in den Wäldern von Louisiana, sieben Millisekunden später dann der zweite gleicher Bauart in Hanford im US-Bundesstaat Washington. Es dauerte aber Monate, bis das Signal ausgewertet und interpretiert war (statistische Signifikanz über fünf Sigma, die Konvention für eine physikalische Entdeckung!) und sich alle möglichen Störquellen ausschließen ließen. Außerdem wollten die Forscher ihre epochale Entdeckung nicht nur als Pressemitteilung verkünden, sondern gleich als einen begutachteten wissenschaftlichen Fachartikel veröffentlichen. Wie es guter wissenschaftlicher Brauch ist. Dieser Bericht ist nun zeitgleich in den renommierten Physical Review Letters erschienen. Der Titel der Arbeit: "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger"

Die Quelle der Welle: Die Grafik zeigt die Messungen der beiden LIGO-Detektoren in Hanford und Livingston von der Kollision zweier Schwarzer Löcher mit jeweils rund 30 Sonnenmassen. Die Y-Achse gibt die Stärke, die X-Achse die Zeit an. Die beiden oberen Grafiken zeigen die Messdaten der Detektoren in Hanford und Livingston (farbig) sowie die vorausgesagten Kurven im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie (dünne weiße Linie). Die untere Grafik zeigt die Übereinstimmung der Messdaten (um die Zeitverzögerung um 7 Millisekunden verschoben und zur besseren Sichtbarkeit gespiegelt). Die Messungen und die Theorie stimmen exzellent überein. (Grafik: LIGO)

Letztes Jahr begann der LIGO-Detektor nach einem Upgrade wieder mit seinen Messungen – technisch stark verbessert und ein Mehrfaches empfindlicher. Advanced LIGO, wie das Detektorenpaar nun heißt, gelang der Durchbruch. Das Signal, das die beiden LIGO-Detektoren erhascht haben, stammt von der rasanten Annäherung und darauffolgenden Kollision zweier Schwarzer Löcher aus der gigantischen Entfernung von ungefähr 1,3 Milliarden Lichtjahren. Den Ort konnte LIGO nur sehr grob eingrenzen. Er liegt innerhalb eines halbkreisförmigen Bogens in der Nähe der beiden Magellan'schen Wolken am Südhimmel. Die beiden etwa 150 Kilometer großen Schwarzen Löcher hatten eine Masse von 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen. Sie kreisten zuletzt mit der irrsinnigen Geschwindigkeit von der halben Lichtgeschwindigkeit umeinander. Dann kollidierten sie und verschmolzen zu einem einzigen, größeren Schwarzen Loch mit einer Masse von rund 62 Sonnenmassen. 

Die Kollision, die lediglich 0,2 Sekunden dauerte, setzte in diesem Augenblick das 50-Fache der Energie aller Sterne im beobachtbaren Universum frei. Umgerechnet wurde eine Masse von ungefähr drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen abgestrahlt.

 


Simulation: Der Todestanz der beiden Schwarzen Löcher (Video: Caltech)

Ein neues Fenster zum All

"Wir haben ein neues Fenster zum All aufgestoßen", sagte David Reitze vom California Institute of Technology, der LIGO Executive Director, auf der Pressekonferenz. "Es ist das erste Mal, dass so etwas beobachtet wurde. Und es ist ein Beweis dafür, dass Doppelsysteme aus Schwarzen Löchern existieren."

Auch Gabriela González, die Sprecherin der LIGO-Kollaboration, war begeistert. "Jetzt können wir das Universum buchstäblich hören. Bislang waren wir taub für Gravitationswellen. Nun hat das Universum zu uns gesprochen."

Weitere Teilnehmer an der Pressekonferenz – und mutmaßliche Nobelpreis-Kandidaten – waren Rainer Weiss vom MIT und Kip Thorne vom Caltech. Weiss hatte in den 1970er-Jahren die Methode von LIGO maßgeblich ersonnen, Thorne den Bau des Detektors entscheidend angeregt und verwaltet. Vor zwei Jahren wurde er als Koproduzent des Science-Fiction-Films "Interstellar" auch einem breiten Publikum bekannt – wie schon zuvor durch seine Forschungen über die Möglichkeit von Zeitreisen. Damit haben die Gravitationswellen aber nichts zu tun, wie er verschmitzt betonte. Und er sagte: "Das Signal war gerade so stark, dass wir es mit den technisch aufgerüsteten Detektoren nachweisen konnten, bei der dreifachen Empfindlichkeit des Vorgängers. Es war ein Geschenk der Natur."

 

Rüdiger Vaas ist Astronomie- und Physik-Redakteur von bild der wissenschaft. Im Kosmos-Verlag hat er gerade das Buch "Jenseits von Einsteins Universum. Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation" veröffentlicht, das auch ausführlich von den Gravitationswellen handelt. Hier gibt es das Buch im Wissenschaftsshop von bild der wissenschaft.

 

Noch mehr Gravitationswellen

   

Die Melodie der Welle

So klingt es, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Die LIGO-Wissenschaftler haben das Signal der gemessen Gravitationswellen in Töne übertragen. weiter

Antworten auf viele Fragen zu Gravitationswellen finden Sie auch bei unseren Kollegen auf scienceblogs.de
Ein Spezial zu Gravitationswellen hat unser Partner scinexx.de zusammengestellt.
   
   

 

 

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Einsteins Berliner Jahre waren in jeder Hinsicht wegweisend: Er arbeitete an seiner bahnbrechenden Theorie der Gravitation, erwies sich als konsequenter Pazifist, und er fand eine neue Liebe. Thomas de Padovas Buch setzt diese Zeit eindrucksvoll in Szene.

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