Das Geheimnis der Gravitationswellen

Einsteins Vision wird Wirklichkeit

Günter Spanner

• Verlag: Franckh-Kosmos Verlags-Gmbh & Co. KG
• Jahr: 2018
• ISBN:
  9783440162316
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Astronomie & Astrophysik

Gravitationswellen lassen das ganze Universum erbeben, doch ihr Nachweis ist kompliziert. Erst 100 Jahre nach Albert Einsteins genialer Vorhersage empfing ein Detektor im September 2015 das ersehnte Signal. Damit steht fest: Extreme Ereignisse im All rütteln tatsächlich – wie von Einstein berechnet – an der Raumzeit. Die Nachricht sorgte weltweit für Schlagzeilen.Diese Leistung ist ein technischer und wissenschaftlicher Meilenstein. Deutsche Forscher waren maßgeblich an der Entwicklung der Messgeräte für die Detektoren in den USA beteiligt. Mittlerweile wurden fünf weitere Signale von Gravitationswellen empfangen. Darunter eine erneute Sensation: erstmals konnte die Quelle der Wellen auch im sichtbaren Licht beobachtet werden. Und die neue Ära der Astronomie hat gerade erst begonnen!Mit einem Vorwort von Prof. Dr. Karsten Danzmann, Direktor das Max-Planck-Institutes für Gravitationsphysik.

Geleitwort

Am 14. September 2015 um genau 11:51 Uhr erschienen in den Rohdaten eines Signals plötzlich charakteristische Wellenzüge. Im Institut für Gravitationsphysik in Hannover wurden damals routinemäßig die Messdaten von zwei riesigen Laserinterferometern in den USA überprüft. Etwa vier Monate später sollten diese Signale unter der schlichten Bezeichnung »GW150914« Weltruhm erlangen.

Es war schon ein glücklicher Zufall. Denn eigentlich waren die zum Nachweis erforderlichen Detektoren nach einem größeren Umbau noch in der Testphase. Die Signale wurden gleich am ersten Tag empfangen, an dem es überhaupt möglich war, ein solches Ereignis zu messen. Anschließend hat es ja dann auch vier Monate gedauert, bis wir ausreichend zuversichtlich waren, um die Daten zu veröffentlichen. Die spezielle Form dieser Welle, die dann für internationale Aufmerksamkeit gesorgt hat, entsprach perfekt dem, was man erwarten würde, wenn in den Tiefen des Kosmos zwei Schwarze Löcher verschmelzen.

Die Signalqualität war sogar so hervorragend, dass man zunächst denken konnte, es handle sich um eine Simulation. Dennoch zeigte die sorgfältige Analyse aller Messdaten schließlich eindeutig, dass es sich tatsächlich um das erste, jemals direkt auf der Erde nachgewiesene Gravitationswellensignal handelte. Das Jahr 2015 war damit zu einem »Jahr der Gravitation« geworden. Denn am 3. Dezember 2015, fast auf den Tag genau hundert Jahre nach der Veröffentlichung von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, wurde auch unsere Satellitenmission »LISA Pathfinder« gestartet.

Voraussichtlich im Jahr 2034 soll mit »LISA« sogar ein vollständiges Weltraumteleskop für Gravitationswellen ins All starten. Drei Satelliten werden dann über eine Strecke von einigen Millionen Kilometer hinweg winzigste Verwerfungen der Raumzeit erfassen. Genau wie beim Ereignis vom 14. September 2015 werden dazu Laserstrahlen verwendet, die dann einen gewaltigen Riesensensor im All bilden. Dieser wird die Aufgabe haben, nach langwelligen Signalen zu suchen, die vor Milliarden von Jahren erzeugt wurden und seitdem durch den Kosmos laufen.

Man kann sich heute noch gar nicht ausmalen, was wir alles aus diesen Gravitationswellensignalen lernen werden. Bereits das allererste Signal war ein äußerst informativer Hinweis darauf, was uns erwartet. GW150914 ist mit Abstand das gewaltigste Ereignis, das man bislang im Universum beobachtet hat. Innerhalb von Sekundenbruchteilen wurden drei Sonnenmassen vernichtet und in reine Energie umgesetzt. Trotzdem war das Ereignis für alle möglichen konventionellen Teleskope nicht sichtbar. Man kann nun also erstmals Signale aus einer dunklen Schattenwelt erfassen, die bisher völlig unbekannt war. Erst wenn wir in ein paar Jahren über eine blühende Gravitationswellenastronomie verfügen, wird man erahnen können, was uns noch alles auf der dunklen Seite des Kosmos erwartet. Zweifellos halten Dunkle Energie und Dunkle Materie noch viele Überraschungen bereit. Eines Tages werden wir dann mit Gravitationswellendetektoren vielleicht sogar den Urknall, das heißt die Entstehung des Universums selbst, erlauschen können.

Es freut mich sehr, dass einer meiner ehemaligen Mitarbeiter aus den Anfangsjahren der Laserinterferometerentwicklung die Zeit gefunden hat, dieses spannende Stück Wissenschaftsgeschichte einer breiten Öffentlichkeit vorzustellen.

Ich bin zuversichtlich, dass das vorliegende Buch dazu beitragen wird, die neuen und hochinteressanten Erkenntnisse aus der Astrophysik sowohl jugendlichen »Nachwuchsforschern« als auch der interessierten Allgemeinheit zugänglich zu machen.

Prof. Dr. Karsten Danzmann

Direktor, Albert-Einstein-Institut, AEI Hannover:

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und

Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover

Vorwort zur 2. Auflage

Nach dem jahrzehntelang keine wirklichen Durchbrüche vermeldet werden konnten, scheint die Welt der Gravitationswellenforschung nun geradezu vom Erfolg verwöhnt zu werden. So wurde am 3. Oktober 2017 bekannt gegeben, dass für den direkten Nachweis von Gravitationswellen der Physik-Nobelpreis verliehen wird.

Nur wenige Wochen zuvor konnte ein weiterer Meilenstein in der Astrophysik gesetzt werden. Es war gelungen, eine Quelle der Raumzeitwellen sowohl im sichtbaren Licht als auch in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zu beobachten. Am 17. August 2017 registrierten die Detektoren der beiden LIGO-Observatorien in den USA und das VIRGO-Labor in Italien rund 100 Sekunden lang winzige Verwerfungen der Raumzeit. Mit diesem Ereignis namens GW170817 wurde eine sogenannte »Kilonova« entdeckt. Sie entsteht, wenn zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen. Nahezu gleichzeitig konnte auch einer der bislang höchst geheimnisvollen Gammastrahlenblitze beobachtet werden. Weltweit richteten Astronomen daraufhin ihre Teleskope auf die Ursprungshimmelsregion. Die klassischen Observatorien konnten so eine Reihe neuer Erkenntnisse über Neutronensterne, die dichtesten bekannten Sterne im Universum, gewinnen. Aus den Beobachtungen folgerten Wissenschaftler, dass in der Umgebung dieser Neutronensternverschmelzung Gold, Platin und andere schwere chemische Elemente entstanden sind. Dies kann als klarer Hinweis darauf gelten, dass sich bei solchen Ereignissen in erheblichem Umfang massereiche Atomkerne bilden. Deren Entstehungsgeschichte lag bislang im Dunklen, nun liefern die Beobachtungen in allen Spektralbereichen ein völlig neues Bild. Damit konnte sich die gerade erst geborene Gravitationswellenastronomie bereits jetzt als wertvolles Hilfsmittel auch für zukünftige interdisziplinäre Forschungsvorhaben etablieren. Welche weiteren bahnbrechenden Entdeckungen die Gravitationswellenastronomie noch liefern wird, kann man momentan noch kaum abschätzen.

PROLOG

Die Jahrhundert-Entdeckung

»Wenn du die Wahrheit suchst, sei offen für das

Unerwartete, denn es ist schwer zu finden und

verwirrend, wenn du es findest.«

Heraklit von Ephesos, oft auch zu »Erwarte das Unerwartete« verkürzt

Der große Paukenschlag kam am 11. Februar 2016. In Pressekonferenzen rund um die Welt wurde der direkte Nachweis von Gravitationswellen bekannt gegeben. Das Echo in den Medien war gewaltig.

Ein an der US-amerikanischen Forschungseinrichtung LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) erfasstes Gravitationswellenereignis wurde zum Meilenstein der Wissenschaft.

Das Signal, das aus einem Raumbereich zwischen der Kleinen und Großen Magellanschen Wolke empfangen wurde, hatte seinen Ursprung in den Tiefen des Universums und erreichte die Erde aus einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. Gravitationswellen gehören zu den spektakulärsten Vorhersagen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahre 1915. Erst ein halbes Jahrhundert nach ihrer theoretischen Entdeckung versuchten unerschrockene Physiker sie aufzuspüren. Seit Anfang der 1970er-Jahre stiegen verschiedene Forschergruppen weltweit in das Rennen um die Detektion der geisterhaften Wellen ein. Auch Dank der Vorarbeiten dieser Pioniere der Wissenschaft konnten die Raumzeit-Wellen schließlich nachgewiesen werden. Im September 2015 erzeugten sie jenes Signal, das vier Monate später die Welt der Gravitationswellenforschung revolutionieren sollte.

Selbst Albert Einstein hatte seine Zweifel. Er vermutete, dass man Gravitationswellen niemals wird nachweisen können. Einstein ging davon aus, dass die Vibrationen der Raumzeit, die sich aus seiner Theorie ergaben, für eine Messung zu schwach seien. Bald nach der Vollendung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlichte Einstein in den Jahren 1916 und 1918 jeweils eine Abhandlung zum Phänomen der geheimnisvollen Wellen. Nach fast genau 100 Jahren konnten sie nun endlich mittels aufwändiger Messmethoden direkt nachgewiesen werden.

Mitte Juni 2016 wurde dann bereits die Entdeckung eines zweiten Signals offiziell bekannt gegeben. Damit sollten auch die letzten Zweifel am tatsächlichen Erfolg des LIGO-Projektes ausgeräumt sein. Die Identifizierung weiterer Ereignisse in vorhandenen oder neuen Messdaten dürfte damit nur noch eine Frage der Zeit sein. Messungen der von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Raumzeitverwerfungen werden also bald zu den Standardmethoden der Experimentalphysik zählen.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erfährt damit eine weitere Renaissance, ihre inzwischen über 100 Jahre alten Vorhersagen bleiben hochaktuell.

KAPITEL 1

Die Allgemeine Relativitätstheorie und ihre Folgen

»Seit die Mathematiker über die Relativitätstheorie

hergefallen sind, verstehe ich sie selbst nicht mehr.«

Albert Einstein

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt insbesondere das Verhältnis zwischen massebehafteter Materie und Gravitationsfeldern. Sie interpretiert die Schwerkraft als rein geometrische Eigenschaft einer gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. Die Theorie wurde von Albert Einstein entwickelt, der sein Werk im November 1915 in den Sitzungsberichten der Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin veröffentlichte. Sie gilt bis heute als einer der wichtigsten Meilensteine der Physik.

Abbildung 1: Dem Nachweis von Gravitationswellen hätte Einstein bestimmt ein Ständchen gewidmet, wie hier zusammen mit Adolf Hurwitz und dessen Tochter L. Hurwitz im August 1913.
© ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv; Fotograf: Unbekannt; Portr_07389; Public Domain Mark

Die eigentliche Geschichte der Relativitätstheorie hat ihren Ursprung jedoch bereits am Ende des 19. Jahrhunderts. Schon damals versuchte man, Natur und Wesen des Lichtes zu erforschen. Insbesondere wollten die Entdecker jener Zeit herausfinden, ob das Licht ähnlich wie Schall ein Medium für seine Ausbreitung benötigt. Bei den entsprechenden experimentellen Arbeiten entdeckte man einen Effe...

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