Was Gravitationswellen verraten

Himmlische Botschaft: Das von LIGO gemessene Gravitationswellen-Signal GW150914 kam aus der südlichen Himmelssphäre, und zwar irgendwo aus dem hier eingezeichneten 600 Quadratgrad großen bogenförmigen Bereich. Er liegt über der Großen Magellan'schen Wolke (rechts unten, der Lichtfleck darunter ist die Kleine Magellan'sche Wolke; das Sternenband ist die Milchstraße). [LIGO]
Im Spiegel der Erkenntnis: Überprüfung eines der 40 Kilogramm schweren LIGO-Reflektoren, bevor er im Vakuumrohr versiegelt wurde. [Matt Heintze, Caltech, MIT, LIGO Lab]

Die Entdeckung der Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor beherrscht seit dem 11. Februar die Schlagzeilen. Inzwischen wurden nicht nur mehr Details zu diesem bahnbrechenden Erfolg bekannt, sondern das LIGO-Team hat in einem zweiten Fachartikel auch bereits erste astronomische Lehren aus den Daten gezogen. Während sich schon ein zweites Signal kollidierender Schwarzer Löcher abzuzeichnen beginnt, lohnt sich ein Blick darauf, was sich die Physiker und Kosmologen künftig von der nun beginnenden Gravitationswellen-Astronomie versprechen.

GW150914 ist der nach dem Datum benannte unromantische Name des Gravitationswellen-Signals, das gestern weltweit für Furore sorgte. Es wurde am 14. September 2015 um 11.50 Uhr und 45 Sekunden MESZ (9.50 Uhr Weltzeit) von LIGO registriert. Es begann bei einer Frequenz um 35 Hertz (Schwingungen pro Sekunde) und steigerte sich auf 250 Hertz. Als Erstes hatte es Marco Drago gesehen, ein 33-jähriger Postdoc aus dem italienischen Padua und Mitglied des LIGO-Teams (außerdem leidenschaftlicher Klavierspieler und Autor zweier Fantasy-Romane, aber das hat nichts mit seiner Forschung zu tun). Er saß damals nicht in den USA, sondern in seinem Büro am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, wo ebenfalls LIGO-Daten ausgewertet wurden.

An jenem Septembermorgen war LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) noch im Testbetrieb. Die Messphase sollte erst einige Tage später beginnen, denn nach einer fünfjährigen Pause war LIGO für 205 Millionen Dollar verbessert worden. Drago glaubte zunächst nicht an ein Signal – es war zu stark angesichts der üblichen "Ausschläge". Er dachte, es sei zu Testzwecken ins System eingespeist worden, doch dies war nicht der Fall. Und heimliche Einspeisungen weniger Eingeweihter ("blinde Injektionen") wären zu diesem Zeitpunkt unsinnig gewesen. Sie wurden in früheren Jahren mehrmals gemacht, um die Analyseprozeduren und die gesamte Teamarbeit zu testen - erst nach dem Abschluss aller Auswertungen folgt die Aufklärung.

Nachdem Drago das LIGO-Team informiert hatte, begann eine fieberhafte monatelange Test- und Analysephase. Und der Versuch, sie geheim zu halten, was auch leidlich gelang. Denn ein Resultat bekannt zu machen, das sich später als falsch herausstellt, wollte sich niemand leisten. Zu viel stand auf dem Spiel.

Schwarze Löcher im Doppelpack

Am 18. September 2015 begann die offizielle Messkampagne von LIGO. Bis zum 5. Oktober brauchten die Forscher, um überhaupt das Untergrundrauschen beider Detektoren hinreichend zu charakterisieren. Dann begann die Analyse. Es dauerte lange, bis das Signal interpretiert war und sich alle möglichen Störquellen ausschließen ließen. Seine statistische Signifikanz beträgt 5,1 Sigma – das entspricht einer falschen Alarmrate von einem Ereignis alle 203.000 Jahre. (5 Sigma ist das etablierte Kriterium für eine physikalische Entdeckung.) Der intensivste Teil des Signals dauerte nur 0,2 Sekunden und war in beiden Detektoren mit einem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis von 24 gemessen worden – mehr als das Doppelte der üblichen Störquellen. "Das ist der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen und die erste Beobachtung einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher", schreibt das LIGO-Team in der Zusammenfassung ihres Fachartikels "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger" in den renommierten Physical Review Letters.

Das LIGO-Team konnte auch den finalen Spin (Drehimpuls) des Schwarzen Lochs bestimmen. Er beträgt 0,67. Das ist relativ hoch. 0 bedeutet kein Spin, 1 den theoretischen Maximalwert, bei dem das Schwarze Loch quasi lichtschnell rotieren würde – was aber strenggenommen eine unsinnige Aussage ist, weil es keinen Vergleichspunkt gibt. Denn der Raum um das Schwarze Loch ist nicht statisch, sondern wird quasi mit herumgezogen wie zäher Honig beim Umrühren.

Erste astronomische Erkenntnisse

LIGOs Messungen lassen bereits erste astronomische Rückschlüsse zu. Das hat das Forscherteam in einem zweiten Fachartikel ausgeführt, der – ebenfalls begutachtet – in den renommierten Astrophysical Journal Letters erscheint und bereits im Internet freigeschaltet wurde: "Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW150914". Denn nicht nur die Tatsache, dass erstmals der direkte Nachweis der Gravitationswellen gelungen ist, ist ein Meilenstein der Experimentalphysik. Auch das Studium der astronomischen Auslöser dieser Wellen bedeutet einen großen Erkenntnisgewinn.

• Sieht man von sehr unrealistischen Zusatzannahmen ab, sind LIGOs Messungen das beste indirekte Indiz für die Existenz Schwarzer Löcher.
• Mehr noch: GW150914 belegt, dass es stellare Schwarze Löcher mit über 25 Sonnenmassen gibt. Das ließ sich aus den bisherigen indirekten astronomischen Indizien (Bewegungen von Sternen um einen unsichtbaren Begleiter) nicht erschließen, da hier die Masse der Schwarzen Löcher geringer war.
• Folglich sind die Sternwinde bei Riesensternen, die zu einer Supernova werden, nachdem ihr Kern zu einem Schwarzen Loch kollabiert ist, nicht so stark, dass keine derart massereichen Schwarzen Löcher entstehen können. Das war bislang nicht klar. Manche Modelle schlossen es sogar aus.
• Widerlegt sind auch Modelle, die enge Paare Schwarzer Löcher bezweifelten, weil argumentiert wurde, dass eine Supernova in einem Doppelstern-System einen so großen Kick (Rückstoß) erzeugt, dass das System auseinander fliegt.
• Noch unklar ist, ob die Schwarzen Löcher von GW150914 in der Frühzeit des Universums entstanden sind und sich im Lauf von Jahrmilliarden angenähert haben, oder ob sich das System relativ kurz vor der Kollision gebildet hat. Fest steht, dass die Vorläufersterne nur wenig schwerere Elemente als Wasserstoff und Helium besaßen, sonst hätten sie nicht so massereiche Schwarze Löcher erzeugen können. Das spricht für eine frühe Entstehung im Universum und ein langsames Aufeinander-zu-spiralisieren. Allerdings gibt es auch kleine jüngere Galaxien ohne viel schwerere Elemente.

Ein neuer Zugang zum All

Gegenwärtig sind die Physiker und Astronomen im Freudentaumel. Weltweit hagelt es Gratulationen und Pressemitteilungen. "Die Messungen von Advanced LIGO bestätigen, was unsere Modellrechnungen und Computersimulationen nahe legten – Einstein hatte recht", resümiert Christopher Fryer vom Los Alamos National Laboratory. "LIGOs Bekanntmachung ist eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen der letzten 50 Jahre", sagt Saul Teukolsky von der amerikanischen Cornell University, der sich ebenfalls seit vielen Jahren mit der Simulation der Kollision von Schwarzen Löchern beschäftigt. "Es ist eine völlig neue Art von Astronomie", betont Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. "Sie gibt uns Ohren für das Universum, wo wir zuvor nur Augen hatten."

Fast alles, was Astronomen vom Universum wissen, basiert auf der elektromagnetischen Strahlung von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. (Hinzu kommen noch Partikel der Kosmischen Strahlung und Neutrinos.) Gravitationswellen sind ein völlig neues Medium, das sich zudem ungehindert durch Materie fortpflanzt. Die Gravitationswellen-Astronomie erlaubt daher einen völlig neuen Blick auf die Welt. Er lässt sich nur vergleichen mit der Erfindung der optischen Teleskope. Als Galileo Galilei 1609 erstmals mit einem Linsenfernrohr in den Himmel spähte, hatte das alsbald eine Weltbild-Revolution zur Folge. Es leitete das Ende des dogmatischen mittelalterlichen geschlossenen Weltbilds ein und brach der Aufklärung und modernen Naturwissenschaft Bahn.

Welche Überraschungen der Gravitationswellen-Himmel birgt, lässt sich schwerlich ermessen. Fast immer, wenn neue Beobachtungsmethoden etabliert wurden, kam es zu großen Überraschungen. „Erwarte das Unerwartete", sollte (mit Heraklit) daher der Slogan der Grundlagenforschung lauten. Allerdings haben die Physiker Vorstellungen von dem, was LIGO künftig messen könnte. Es ist ja nicht bloß ein Blick ins Unbekannte, sondern auch ein riesiges Testfeld für die etablierten Vorstellungen und für spekulative Hypothesen.

Was Gravitationswellen lehren können

Und so wollen Astrophysiker mithilfe von Gravitationswellen zahlreiche Fragen beantworten. Hier ist eine unvollständige Liste:

• Breitet sich die Schwerkraft wirklich mit Lichtgeschwindigkeit aus (wie von Einstein vorhergesagt)? Oder besitzt sie "Überträgerteilchen" (wie von spekulativen Quantengravitationstheorien angenommen)? Und haben diese Gravitonen dann womöglich eine winzige Ruhemasse? Dann wären sie geringfügig langsamer als elektromagnetische Strahlung. (LIGOs erste Messung kann bereits eine Obergrenze der Gravitonen-Masse angeben: lediglich 10 hoch minus 22 Elektronenvolt dividiert durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, was die bisherigen Grenzwerte durch Messungen im Sonnensystem schon signifikant übertrifft.)
• Hatte Einstein wirklich recht? Der Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge kann es nur zwei Arten von Gravitationswellen geben. Konkurrierende Gravitationstheorien sagen hingegen die Existenz von bis zu vier weiteren "Polarisationen" voraus. Würde man nur eine davon messen, wäre Einsteins Jahrhundertwerk unrettbar widerlegt.
• Was geschieht bei einer Supernova? Der Kernkollaps ausgebrannter Riesensterne zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch erzeugt ebenfalls Gravitationswellen. Gelänge ihr Nachweis, würde man mehr über diesen brachialen Vorgang lernen.
• Wie rund sind Neutronensterne? Selbst wenige Millimeter kleine Berge auf der Eisenkruste dieser kompakten, nur etwa 20 Kilometer großen Sternleichen mit der Masse von 1,5 bis 2 Sonnenmassen würden schon zu einer "Unwucht" führen, die mit der Abstrahlung von Gravitationswellen einhergeht.
• Welche Arten von Schwarzen Löchern gibt es und was sind ihre Eigenschaften?
• Gilt das "Keine-Haare-Theorem", wonach alle Schwarzen Löcher sich äußerst ähnlich sind? Wenn die Allgemeine Relativitätstheorie stimmt, lassen sie sich vollständig (!) durch nur drei Eigenschaften beschreiben: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung (die in der Regel 0 ist).
• Wie schnell dehnt sich das Universum aus? Ein Vergleich von Gravitationswellen-Quellen mit optischen Gegenstücken, etwa Gammablitzen oder fernen Supernovae, könnte eine neue Entfernungsmessung etablieren. Mit ihr ließe sich die Expansionsrate des Weltraums auf eine neue und vielleicht genauere Weise errechnen als mit herkömmlichen Methoden.
• Gibt es die Kosmischen Strings? Diese fadenartigen Strukturen aus einem "falschen Vakuum" sind eine spekulative Hypothese. Würden die Strings knicken, zerreißen oder in Wechselwirkung treten, hätte das charakteristische Gravitationswellensignale zur Folge.
• Was geschah im ersten Sekundenbruchteil des Urknalls? Auch dabei sind Gravitationswellen entstanden. Für deren Frequenzen ist LIGO allerdings nicht empfindlich. Doch Astrophysiker haben andere Ideen und Methoden, diese Signale vom Anfang unseres Universums aufzuspüren. Wann wird das gelingen?

Nach der fulminanten Premiere von LIGO dürften weitere Entdeckungen nicht allzu lange auf sich warten lassen. Tatsächlich gibt es schon Hinweise auf ein zweites Ereignis. Es könnte ebenfalls von einer Kollision zweier Schwarzer Löcher stammen, wie Emanuele Berti von der University of Mississippi verriet.

Ein Triumph für die Wissenschaft

Die Entdeckung ist ein großer Triumph für das wissenschaftliche Weltverständnis und die Erklärung des Universums weit über die alltäglichen Sinneswahrnehmungen hinaus. Einmal mehr haben Menschen gezeigt, dass das kritisch-rationale Nachdenken über die erfahrbare Wirklichkeit zu kühnen, überprüfbaren Hypothesen führt (Einsteins Leistung). Und dass diese mit raffinierten Experimenten sowie neuerdings auch mithilfe aufwendiger Modellrechnungen und Computersimulationen rigoros getestet und im günstigsten Fall bestätigt werden können (der Triumph der LIGO-Forscher). Die konstruktive Konkurrenz und Kooperation von Theorie und Erfahrung erschließt die Natur der Dinge – und seien diese noch so entlegen, extrem und unvorstellbar.

 

Rüdiger Vaas ist Redakteur für Astronomie und Physik bei bild der wissenschaft sowie Autor mehrerer Bücher. Zu Gravitationswellen, Schwarzen Löchern und Relativitätstheorie sind von ihm erschienen: "Jenseits von Einsteins Universum. Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation" (2015) sowie "Tunnel durch Raum und Zeit. Schwarze Löcher, Zeitreisen und Überlichtgeschwindigkeit" (7. Aufl., 2015).

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