“Erstmals sprach das Universum zu uns”: Das ist der wissenschaftliche Durchbruch 2016

Albert Einstein hatte Unrecht: Er bezweifelte vor rund 100 Jahren, dass Forscher Gravitationswellen jemals nachweisen können. Wissenschaftlern der Ligo-Kollaboration ist 2016 aber die Sensation gelungen: Sie beobachteten erstmals direkt Gravitationswellen – und erhielten dafür gleich zwei Auszeichnungen.

„ Wir haben Gravitationswellen entdeckt – wir haben es geschafft.“ So verkündet David Reitze, der Direktor des Gravitationswellen-Observatoriums Ligo, am 11. Februar dieses Jahres eine wissenschaftliche Sensation. „Das Signal wurde von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern erzeugt und sah genau so aus, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagte“, erzählt Reize weiter. „Erstmals sprach das Universum durch Gravitationswellen zu uns. Das entspricht einer wissenschaftlichen Mondlandung.“
“Durchbruch des Jahres 2016”

Jetzt erfuhr die Entdeckung zwei hohe wissenschaftliche Weihen. Das vom britischen „Institute of Physics“ in London herausgegebene Fachjournal „Physics World“ erkor die Entdeckung als „Durchbruch des Jahres 2016“. Die Auszeichnung geht an die in der Ligo-Kollaboration zusammengeschlossenen Forscher für „die revolutionäre allererste direkte Beobachtung von Gravitationswellen“.

Ligo habe in den ersten vier Monaten nach Betriebsaufnahme gleich drei Ereignisse beobachtet. Das sei eine beachtliche Leistung, verkündete die Jury, die aus Redakteuren und Reportern von Physics World bestand. Die Instrumente seien empfindlich genug, um Längenänderungen zu messen, die ein Tausendstel der Größe eine Protons betragen. Dies stelle eine unglaubliche ingenieurtechnische Großtat dar.

Zudem wählte die renommierte britische Wissenschaftszeitschrift „Nature“ die Sprecherin der Kollaboration, Gabriela González, an die Spitze ihrer Liste von zehn Forschern, die 2016 in der Wissenschaft die größte Bedeutung erlangten. Die Entdeckung der Gravitationswellen sei eine der wichtigsten Forschungsgeschichten des ablaufenden Jahres, und González sei darin eine zentrale Figur gewesen, begründete die Nature-Redaktion ihre Wahl.

In der Tat handelt es sich um eine epochale Entdeckung. Zum einen erweitert sie unser Wissen über das Universums enorm. Zum anderen ist sie ein weiterer Triumph für die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) Albert Einsteins, deren gedruckte Version vor rund 100 Jahren im Fachblatt „Annalen der Physik“ erschien. Denn sie bestätigt eine weitere Prognose, die Physiker aus der Theorie ableiteten. Einstein selbst bezweifelte, dass Gravitationswellen je gefunden werden könnten, denn sie sind äußerst schwach und deshalb nur schwer nachweisbar.

Das berühmte Signal entdeckten die Wissenschaftler bereits am 14. September 2015. Zuerst zeigte es sich im Messsystem des Ligo-Detektors bei Livingstone im US-Staat Louisiana. Sieben Millisekunden später tauchte es auch im Zwillingsdetektor von Hanford auf, der im US-Staat Washington liegt.
Gruß aus ferner Galaxie

Es entstand, als in einer fernen Galaxie vor 1,3 Milliarden Jahren zwei Schwarze Löcher kollidierten. Sie wiesen Massen von 29 und 36 Sonnenmassen auf. Zuerst umkreisten sie einander in einem rasenden Tanz. Dabei kamen sie sich immer näher und ihre Bahngeschwindigkeit beschleunigte sich. Schließlich verschmolzen sie in einer titanischen Kollision. „Zwei kleine Schwarze Löcher sterben, dafür entsteht ein großes Schwarzes Loch“, konstatierte Reitze. „Damit ist bewiesen, dass Paare von Schwarzen Löchern existieren.“

Daran hatten bis dahin viele Astronomen gezweifelt. Sie glaubten, solche Paare könnten sich gar nicht bilden. Wenn allerdings doch, wären sie zu weit voneinander entfernt, um in der Lebenszeit des Universums miteinander zu verschmelzen. Zudem erwarteten die Ligo-Forscher, dass ihre erste Entdeckung von der Kollision zweier Neutronensterne herrührt, die im Universum viel häufiger vorkommen als Schwarze Löcher.

All das erwies sich nun als obsolet. Zudem war die Existenz von Schwarzen Löchern erstmals durch eine direkte Beobachtung erwiesen. „Damit hatte Ligo nach kurzer Zeit unsere Sicht auf das Universum dramatisch verändert“, so die Physics-World-Jury.

Albert Einstein lag richtig

Bei der Kollision wurden, gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc2, drei Sonnenmassen an Materie in Sekundenbruchteilen in Energie umgewandelt und in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. In der Spitze übertraf der Energieausstoß die im ganzen sichtbaren Universum erzeugte Energie um das 50fache.

Das zweite Signal empfingen die Ligo-Detektoren am 26. Dezember 2015. Die Kollaboration veröffentlichte das Ereignis ein knappes halbes Jahr später. Diesmal waren in 1,4 Milliarden Lichtjahren Distanz zwei Schwarze Löcher von acht und 14 Sonnenmassen kollidiert. Deshalb war das Signal schwächer. Dafür enthielt es die Signatur von mehr Umläufen der Schwerkraftmonster, was den Forschern einen genaueren Vergleich mit den Vorhersagen der ART ermöglichte. Das Ergebnis: Theorie und Beobachtung stimmten wiederum perfekt überein.

Überdies zeigte sich, dass einer der Kollisionspartner rasend schnell rotierte. Die rasche Drehung deutet darauf hin, dass das Objekt eine andere Entwicklung durchlief als sein nicht oder nur langsam rotierender Partner. Das Objekt entstand aus einem Vorläuferstern. Der Stern könnte Masse von einem Begleiter abgezogen und verschlungen haben, bevor er zu einem Schwarzen Loch kollabierte. Dieser Prozess beschleunigte seine Rotation.

Im Oktober 2015 ging ein weiteres Signal ein, das vermutlich wieder von verschmelzenden Schwarzen Löchern stammte. Es war jedoch so schwach, dass es die für einen gesicherten Nachweis erforderliche Signifikanz nicht erreichte. Die rasche Abfolge ermöglicht den Ligo-Forschern aber, die Rate solcher Ereignisse im Universum abzuschätzen. Demnach kollidiert alle zehn Jahre ein Paar Schwarzer Löcher in einem Volumen, das eine Billion mal größer ist als das Volumen der Milchstraße. Diese Statistik birgt naturgemäß große Unsicherheiten, doch sie wird mit jeder Messung besser.

Gewaltige Ereignisse, an denen sehr massereiche Objekte beteiligt sind, versetzen den Raum in Schwingungen. Diese pflanzen sich durch das gesamte Universum fort. Durchläuft eine so erzeugte Gravitationswelle andere Himmelskörper, bewegt sie darauf befindliche Gegenstände kurz aufeinander zu, dann voneinander weg.

Allerdings ist der Effekt verschwindend klein, deshalb können Forscher Gravitationsstrahlung nur äußerst schwer nachweisen. Eine Supernova, die in der Milchstraße detoniert, verkürzt den Abstand zwischen Erde und Sonne (circa 150 Millionen Kilometer) gerade um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms – und das nur für einige tausendstel Sekunden. Dass die Physiker die Wellen dennoch entdeckt haben, ist der ausgeklügelten Technik in den Ligo-Detektoren zu verdanken. Die Anlagen bestehen hauptsächlich aus zwei je vier Kilometer langen Betonröhren, die rechtwinklig zueinander liegen.
So funktioniert das Messsystem

Das darin installierte Messsystem beruht auf einem Infrarotlaser sowie einer trickreichen Anordnung von Spiegeln. Ein Strahlteiler lenkt das Laserlicht in jeden der Arme. An deren Enden sitzen Spiegel, die es zu einem Photodetektor reflektieren. Dabei schwingt das Licht der Teilstrahlen so, dass seine Wellenzüge sich gegenseitig auslöschen. Somit bleibt es auf dem Detektor dunkel. Schüttelt eine Gravitationswelle die Erde, verkürzt sich ein Arm, während der andere länger wird. Als Folge registriert das Messsystem Licht. Dabei misst es Längenänderungen von weniger als dem Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons.

Mit der Entdeckung der Gravitationswellen öffnet sich ein neues Fenster zum Universum. Denn die Wellen können kosmische Katastrophen wie die Kollision von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen sowie Detonationen sehr massereicher Sterne erkennen. Anderen Teleskopen ist das meist nicht möglich. Selbst der Urknall, der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand, sandte solche Wellen aus. Von der Erde aus lassen sie sich nicht entdecken.

Dies könnte aber einem Weltraumobservatorium gelingen, das Wissenschaftler derzeit entwickeln. Der Gravitationswellendetektor namens eLISA (für „evolved Laser Interferometer Space Antenna“) besteht aus drei Satelliten, die bis zu fünf Millionen Kilometer voneinander entfernt fliegen sollen und mit Laserstrahlen verbunden sind. Eine so erzeugte Antenne kann auch niederfrequente Wellen registrieren, wie sie beim Urknall entstanden.

„Der Urknall selbst ist jenseits aller heutigen Theorien und damit noch nicht beschreibbar“, erläutert der Physikprofessor Karsten Danzmann vom Albert-Einstein-Institut in Hannover. „Aber schon 10-30 Sekunden danach verstehen wir ungefähr, was passiert ist.“ Gängigen Modellen zufolge blähte sich das Universum in dieser frühen Phase mit Überlichtgeschwindigkeit auf. Die dabei freigesetzten Gravitationswellen könnten verraten, wie die sogenannte kosmischen Inflation im Detail ablief.
Erkenntnisgewinn

Unterm Strich verspricht die Gravitationswellen-Astronomie einen gewaltigen Erkenntnisgewinn. Mit ihrer Hilfe dürften die Kosmologen das Universum besser verstehen als jemals zuvor. Die Entdeckung von Gravitationswellen durch die Ligo-Kollaboration, der über 1000 Wissenschaftler aus 15 Ländern angehören, ist erst der Anfang. Auch deren Sprecherin González sieht eine neue Ära heraufdämmern. „Das Feld der Gravitationswellen-Astronomie wird jetzt realisiert“, sagt González. „Ähnlich begann vor 400 Jahren die Ära der beobachtenden Astronomie, als Galileo ein Teleskop ans Firmament richtete. An einer vergleichbaren Schwelle stehen wir jetzt.“

 

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