Gravitationswellen erstmals direkt nachgewiesen

Die Nachricht, dass Gravitationswellen mit heutigen technischen Mitteln direkt nachweisbar sind, ist eine echte Sensation: Am 11. Februar 2016 wurde ein neues Fenster zur Beobachtung des Kosmos aufgestoßen.

Erstellt von Viktoria Schöneich. Quelle: LIGO

Gravitationswellen wurden erstmals 1916 von Albert Einstein postuliert – ein Jahr, nachdem er bereits seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte. Demnach erzeugen Bewegungen einer Masse im Raum eine Krümmung der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Amplitude dieser Welle und damit ihre „Stärke“ hängt maßgeblich von der bewegten Masse ab; d.h. der Finger, mit dem Sie diesen Artikel scrollen, erzeugt eine weitaus schwächere Welle als zwei verschmelzende schwarze Löcher. Dies ist auch das Ereignis, das man nun nachgewiesen hat: Die Welle hatte genau die Form, die von Einsteins Theorie für diesen Fall vorhergesagt wird.

Allerdings sind die Effekte von Gravitationswellen selbst bei einem so dramatischen Ereignis verhältnismäßig klein. Auf einer Strecke von 4 km wurde gerade einmal eine Längenänderung von einem Zeptometer detektiert. Zum Vergleich: der Durchmesser eines Protons ist etwas eine Million mal größer. Bei diesen Dimensionen ist es nicht verwunderlich, dass bereits Einstein daran zweifelte, ob die von ihm theoretisch vorhergesagten Wellen jemals gefunden werden würden.

Messtechniken
Angesichts des experimentell doch sehr schwierigen direkten Nachweises konzentrierte man sich zunächst einmal darauf, die Gravitationswellen indirekt nachzuweisen. Der Grundgedanke hierbei ist, dass die Energie, die die Welle transportiert, von irgendwo her kommen muss. Es muss sich also eine energetische Änderung des Ursprungssystems ergeben, die beobachtbar sein sollte. Tatsächlich konnten Hulse, Taylor und Weisberg im Jahr 1975 nachweisen, dass sich in einem binären Pulsarsystem die zwei Körper immer weiter annäherten. Der Verlust der Rotationsenergie entsprach dem Energiegehalt der vorhergesagten Welle. Diese Beobachtung brachte den Forschern den Nobelpreis ein.

Trotz der technischen Schwierigkeiten wurden bereits in den 60ern erste Versuche unternommen, Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Zunächst geschah dies in Form von Resonanzdetektoren. Dabei wird eine oftmals zylindrische Testmasse störungsfrei aufgehängt und soll auf einen bestimmten Anteil der Gravitationswelle resonant reagieren, also das Signal der Welle verstärken. Der Nachteil an diesem Detektor ist, wie sich bereits erahnen lässt, dass er nur bestimmte Gravitationswellen nachweisen kann, da er nur bei bestimmten Frequenzen resonant ist. Später wurde durch das Herabkühlen des Zylinders auf wenige Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt zwar eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht, aber auch mit diesem Aufbau gelang ein direkter Nachweis nicht.

Zeitgleich mit dem Bau der Resonanzdetektoren wurden bereits Laserinterferometer vorgeschlagen, die sich jedoch wegen zu lösender technischer und konzeptueller Schwierigkeiten zunächst auf theoretische Studien und kleinere Experimente beschränkten. Ein Laserinterferometer basiert auf dem Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interferenz: Treffen zwei Wellenberge aufeinander, verstärkt sich das Signal (konstruktiv), trifft Wellenberg auf Wellental, wird das Signal ausgelöscht (destruktiv). Dazwischen liegen natürlich noch viele weitere Zustände, die gemessen werden können und Informationen über die Verschiebung von zwei Lichtsignalen zueinander enthalten.

Kurz nach der Jahrtausendwende begann man schließlich damit, weltweit Laserinterferometer zu bauen. Das Messprinzip basiert hierbei auf dem Michelson-Interferometer, das vielleicht dem einen oder anderen Leser noch aus der Schulzeit geläufig ist. Ein Laser sendet Licht aus, das an einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt wird und auf zwei normale Spiegel trifft. Das dort reflektierte Licht trifft nun wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel und wird anschließend auf einen Detektor geleitet. Auf diesem erscheint dann die Interferenz. Werden die senkrecht zueinander stehenden Röhren von einer Gravitationswelle gestreckt oder gestaucht, findet eine Phasenverschiebung statt und es wird eine Änderung der Interferenz detektiert.

Die Versuchsanlagen wurden an verschiedenen Orten auf der Erde errichtet: so werden lokale Fehlerquellen wie beispielsweise leichte Erdbeben ausgeschlossen. Standorte solcher Detektoren sind unter anderem Japan, Italien und Deutschland. Die Entdeckung gemacht hat jedoch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA; um genau zu sein eine in der Messgenauigkeit verbesserte Variante mit dem Namen aLIGO (Advanced LIGO), die erst 2015 in Betrieb genommen wurde.

Der erste direkte Nachweis

Am 14. September 2015 wurde schließlich ein Signal an den Standorten in Hanford (Bundesstaat Washington) und Livingston (Louisiana) unabhängig voneinander detektiert. Das entscheidende Signal ist eine in der Amplitude schnell anwachsende Welle, die nach dem Verschmelzen der schwarzen Löcher wieder auf annähernd 0 herabfällt. Das ganze Ereignis dauerte nicht länger als 150 ms. Zu diesem Zeitpunkt waren die anderen Gravitationswellendetektoren abgeschaltet oder nicht im Observationsmodus, weswegen das Signal nur von den zwei genannten Detektoren erfasst werden konnte.

Nach der Entdeckung wurden zunächst mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen. Sensoren, die während des Betriebs eine Messung von Störungen aus der Umgebung vornehmen, zeigten keine Störung an, die stark genug wäre, das Signal zu erklären. Auch die Instrumente wurden untersucht und es konnte ausgeschlossen werden, dass das Signal auf einen Fehler der Instrumente zurückzuführen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das gemessene Signal auf Hintergrundrauschen zurück zu führen ist, wird mit 0,0002% angegeben, was einer faktischen Entdeckung gleichkommt.

Eine neue Ära der Weltraumerkundung
Oft wurde der Vergleich bemüht, dass der direkte Nachweis dieser Wellen der Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums gleichkäme: Man könne nun das Universum mit anderen Augen betrachten und das gravitative Universum entdecken. Diese Annahme ist nicht falsch, denn bereits mit dieser ersten Entdeckung wurden Vorgänge beobachtet, die mit unseren bisherigen Beobachtungsmöglichkeiten nicht detektierbar gewesen wären. Da schwarze Löcher, wenn sie nicht gerade von einer Scheibe aus Materie umgeben sind oder ihre Umgebung sichtbar beeinflussen, unsichtbar sind, wäre das sehr kurze Ereignis zweier verschmelzender schwarzer Löcher anders als über ihre Gravitationswellen nicht detektierbar gewesen. Dass binäre Systeme schwarzer Löcher existieren, war bis zu ihrer Entdeckung im vergangenen September auch nur eine theoretische Annahme.

Die Forschung erhofft sich weiterhin Einblicke in die gewaltigsten Ereignisse des Universums wie zum Beispiel Urknall und Supernovae und Erkenntnisse über die massereichsten Körper wie Neutronensterne. Auch die mysteriöse dunkle Materie, die bisher lediglich indirekt über ihre gravitative Wirkung nachgewiesen wurde, könnte mit Hilfe der Gravitationswellen untersucht werden.

In Zukunft sollen die Detektoren auf der Erde in ihrer Messgenauigkeit verbessert werden, um auch kleinere Ereignisse beobachten zu können. Mit eLISA ist außerdem für das Jahr 2034 ein Weltraumobservatorium für Gravitationswellen geplant. Eine Vorgängermission, LISA Pathfinder, wurde Ende letzten Jahres ins All geschickt und wird Anfang März beginnen, die anspruchsvolle Technik für eLISA zu erproben.

Die Gravitationswellenastronomie bietet ein großes Potential, unser Universum noch besser zu verstehen und vielleicht auch gänzlich neue, überraschende Entdeckungen zu machen.

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