Erster Nachweis von Gravitationswellen

Die Sensation ist perfekt: Forscher haben erstmals Gravitationswellen nachgewiesen – fast genau hundert Jahre nachdem Albert Einstein diese Rippel in der Raumzeit postulierte. Gelungen ist der Nachweis mit den Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in den USA. Sie registrierten winzige Verschiebungen des Untergrunds durch die Gravitationswellen. Verursacht wurden diese Wellen durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Schon Anfang des Jahres wurde der Nachweis von Gravitationswellen als ein mögliches Highlight für 2016 vorhergesagt. Denn schon seit Herbst 2015 kursierten immer wieder Gerüchte darüber, dass das LIGO-Team Signale von Gravitationswellen gemessen haben könnte. Weil jedoch auch andere Erschütterungen Störsignale verursachen können, blieb man vorsichtig.

Schwarze Löcher im Kollisionstanz

Jetzt jedoch ist es amtlich: „Wir haben Gravitationswellen nachgewiesen – We did it“, berichtet LIGO-Direktor David Reitze auf der Pressekonferenz in Washington. Die LIGO-Detektoren in Hanford, Washington und Livingston, Louisiana haben bereits am 14. September 2015 nahezu gleichzeitig ein Signal aufgefangen – ein Signal, wie es typischerweise durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher hervorgerufen wird.

„Das bemerkenswerte daran war, dass dieses Signal nahezu exakt dem glich, was Einstein für Gravitationswellen eines solchen Ereignisses vorhergesagt hat“, so Reitze. Modelle zeigen, dass die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern Wellen erzeugt, deren Frequenz langsam ansteigt bis sie dann nach einem Höhepunkt abbrechen. Die nun von den beiden LIGO-Detektoren eingefangenen Wellen gleichen nahezu exakt der Form der theoretisch vorhergesagten, wie LIGO-Sprecherin Gaby Gonzalez berichtet.

„Wir lauschen nun dem Kosmos“

Und noch etwas ist bemerkenswert: Die Frequenz der Gravitationswellen liegt im für uns hörbaren Bereich. Wandelt man diese Signale in Schall um, dann erklingt ein charakteristisches Geräusch, das die Physiker im Englischen als „Chirp“ beschreiben.

„Bisher waren wir taub für diese Geräusche des Universums, jetzt können wir sie hören“, sagte Reitze. „Das Universum hat zum ersten Mal zu uns gesprochen – in Form von Gravitationswellen.“ In Zukunft ermögliche uns dies, viele erwartete, aber auch ganz neue, unerwartete Klänge des Kosmos zu belauschen.

1,3 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt

Die beiden Schwarzen Löcher liegen rund 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, wie Reitze berichtet. Jedes von ihnen misst rund 150 Kilometer im Durchmesser und hat die 30-fache Masse der Sonne. Beide umkreisen sich sehr eng und mit etwa der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit. Ihr enger Tanz und ihre Verschmelzung erzeugen die Schwingungen in der Raumzeit, die die LIGO-Detektoren nun aufgefangen haben.

Dass LIGO tatsächlich die vor fast genau hundert Jahren von Albert Einstein postulierten Rippel der Raumzeit eingefangen haben, ist ein echter Glücksfall. Denn schon eine Supernova kommt in der Milchstraße nur alle 50 Jahre vor, eine Kollision Schwarzer Löcher ist noch viel seltener. Für die Entdeckung spielt es daher nicht nur eine große Rolle, wie sensibel die Detektoren sind – sie müssen auch zum richtigen Zeitpunkt „hinhören“.

So sahen die Signale der Gravitationswellen in den beiden LIGO-Detektoren aus. © LIGO/NSF

Diesmal ist es echt

Die LIGO-Forscher haben 2010, vor dem Upgrade des Detektors, schon einmal ein ähnliches Signal registriert. Doch es stellte sich kurz vor Veröffentlichung als falscher Alarm heraus. Denn um das LIGO-Team zu testen, werden genau diese Signale in unregelmäßigen Abständen absichtlich in die Detektordaten eingeschleust. Diesmal allerdings erwiesen sich die verräterischen Signale als echt.

Einer der Belege dafür: Die beiden rund 3.000 Kilometer voneinander entfernten LIGO-Detektoren fingen das Signal nahezu gleichzeitig auf. Es entstand, weil die Gravitationswellen die Messstrecke um nur den tausendsttel Durchmesser eines Protons verkürzten und dehnten. Nur sieben Millisekunden nach LIGO in Livingston registrierte auch der Detektor in Hanford das gleichen Muster. „Das ist der Beleg dafür, dass es sich hier nicht um einen lokalen Effekt handelt“, erklärt Gonzalez.

Neuer Blick auf das Universum

Der Nachweis der Gravitationswellen bestätigt nicht nur Einstein und komplettiert unser physikalisches Weltbild. Die Raumzeit-Rippel eröffnen auch einen ganz neuen Blick auf das Universum. Denn mit ihnen lassen sich die Wechselwirkungen von Supernovae, Schwarzen Löchern oder einander umkreisenden Neutronensternen mit der Raumzeit nun direkt erforschen.

Zudem können Astronomen über die Gravitationswellen kosmische Ereignisse wie eine Sternexplosion oder eine Kollision Schwarzer Löcher selbst dann detektieren, wenn sie für optische Teleskope nicht zu sehen sind. Das Aufspüren solcher Ereignisse wird noch einfacher werden, wenn der VIRGO-Detektor im italienischen Cascina später in diesem Jahr seinen Betrieb aufnimmt. Denn dann verfügen die Forscher über drei mehrere tausend Kilometer auseinander liegende Detektoren und können die Quelle eingehender Wellen durch Triangulation orten.

Haben Gravitons eine Masse?

Messungen von Gravitationswellen könnten aber auch dazu beitragen, eines der großen Rätsel der Physik zu lösen: die Natur der Gravitons. Bisher sind diese Überträger-Teilchen der Schwerkraft nur theoretisch postuliert. Man nimmt an, dass es diese Kraftteilchen geben muss, weil dies bei den anderen Grundkräften des Universums, der elektromagnetischen, der starken und der schwachen Kernkraft, ebenfalls so ist. Ob die Gravitons aber wirklich existieren und wie sie beschaffen sind, ist unbekannt.

Die meisten Physiker gehen davon aus, dass die Gravitons masselos sind, ähnlich wie die Photonen der elektromagnetischen Strahlung. Aber vor einigen Jahren postulierten Claudia de Rham von der Case Western Reserve University in Cleveland und ihre Kollegen die gewagte These, dass die Schwerkraft-Teilchen doch eine winzige Masse besitzen könnten – weniger als zehn hoch -33 Elektronenvolt. Sie würde zu einer Wechselwirkung mit der Vakuumenergie des Raums führen und könnten so die Dunkle Energie erklären helfen.

Ob das so ist, könnten Gravitationswellen klären helfen. Denn wären sie masselos, dann müssten sie sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Der Röntgenblitz einer Supernova müsste daher gleichzeitig mit den von der Explosion ausgelösten Rippeln der Raumzeit bei uns ankommen. Besitzen die Gravitons aber eine Masse, dann verlangsamt diese die Ausbreitung der Gravitationswellen – Detektoren müssten dann eine Verzögerung gegenüber dem Licht messen.

Mehr zu Gravitationswellen und ihrer Entdeckung in unserem Special „Gravitationswellen“

(LIGO/NSF, 12.02.2016 – NPO)