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Gravitationswellen: Nachweis gelungen!

11.02.2016 | 17:13 Uhr |

Das Experiment Ligo hat ein spektakuläres Ergebnis hervorgebracht: Der Nachweis von Gravitationswellen ist gelungen.

Dem Experiment Ligo (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) gelang der langerwartete Nachweis von Gravitationswellen, wie die Forscher heute auf einer Pressekonferenz bekannt gaben. Das entscheidende Signal hatte die Anlage bereits am 14. September letzten Jahres detektiert, als die beiden hoch empfindlichen Detektoren sogar noch im Probebetrieb waren. Die Auswertung der Messdaten und ihre sorgfältige Verifizierung hatte entsprechend lange Zeit in Anspruch genommen. 

Gemessen hatten die Anlagen eine kosmische Katastrophe, die sich vor 1,3 Milliarden Jahren ereignet hat. Zwei schwere Sterne, die nach ihrem Ausbrennen zu schwarzen Löchen in sich zusammengestürzt waren, hatten einander immer schneller und immer enger umkreist, dabei Energie in Form von Gravitatioswellen abgestrahlt, bis sie schließlich zu einem schwarzen Loch verschmolzen - und dabei die Energiewellen aussendeten, die die Forscher auf der Erde nun messen konnten.

Ligo besteht aus zwei Laserinterferometern, die buchstäblich Ameisen husten hören, beziehungsweise die davon ausgehenden Erschütterungen messen können. Die von der kosmischen Katastrophe in einer weit entfernten Galaxie kündenden Erschütterungen der Raumzeit haben die Erde nur um etwa den Durchmesser eines Atomkerns gestaucht, weswegen sie derart genau messen mussten. Die beiden Apparate stehen im Nordwesten (Hanford, Bundesstaat Washington) und im Südosten (Livingston, Louisianna) der USA, die Laserstrahlen durchmessen dort jeweils rund vier Kilometer lange Teilstrecken, die senkrecht zueinanander stehen. Diese änderten beim Durchgang der Welle ihre Länge minimal, was man anhand der Überlagerungen (Interferenzen) der Teilstrahlen messen kann. Die ständigen Erschütterungen der Umgebung (das buchstäbliche Ameisenhusten oder die Brandung der Ozeane) rechnen die Algorithmen raus, am Ende sollten nur noch Krümmungen und Stauchungen des Raumes als solchen zu messen sein.

Ein Messfehler ist laut der beteiligten Wissenschaftler ausgeschlossen, der Unterschied der Zeitpunkte, zu denen die beiden Anlagen das Signal registrierten, beträgt sieben Millisekunden: Genau die Zeit, die Gravitationswellen von der einen zur anderen Anlage brauchen. Die Forscher wollen sogar aus der Energie des Signals herausgelesen haben, wie schwer die verschmolzenen Schwarzen Löcher waren. Das eine hätte die 29fache Sonnenmasse aufgewiesen, das andere wäre 36 mal so schwer gewesen wie unser Zentralgestirn. Bei der finalen Kollision sind laut der Publikation der Forscher in den Physical Review Letters etwa drei Sonnenmassen an Gravitationsenergie in Wellenform abgestrahlt worden. Wo genau das Ereignis stattfand, ist nicht bekannt. Da das Signal zuerst in Louisianna und dann in Washington eintraf, muss es aber am Südhimmel passiert sein. Am Experiment Ligo sind um die 1000 Wissenschaftler weltweit beteiligt, unter anderem auch vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, wo auf den Kontrollmonitoren die Signale erstmals zu sehen waren. In den USA war es Nacht. Die Observatorien dort betreiben das Caltech und das MIT, auch Institute in UK und Australien beteiligen sich an der Forschung.

Der Wissenschaftsjournalist Ranga Yogeshwar hatte heute früh anscheinend schon mehr gewusst und auf seiner Facebookseite geraunt , dass heute ein besonderer Tag sei. Damit hat er absolut Recht behalten. Die Erkenntnis der Astrophysiker hat zwar keine technischen Optionen, wie die erst kürzlich gelungene Erzeugung von Wasserstoffplasma im Fusionsexperiment von Greifswald , ist aber ähnlich bahnbrechend wie die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2013 am LHC in Genf. Deren Existenz hatte die Theorie des Standardmodells etwa 50 Jahre zuvor vorhergesagt.

Wellen und Energie

Physiker wären auch eher entsetzt, wenn der Nachweis nicht von Gravitationswelle noch gelungen wäre. Sie sind eine direkte Folge der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie , die erst vergangenen Herbst ihr hundertjähriges feiern konnte und deren Vorhersagen sonst  bestätigt sind. Es fehlte eben nur der Nachweis der Wellen - bis heute. Diese strahlen der Theorie zur Folge große Massen ab, die einander eng umkreisen - vergleichbar ist das mit den elektromagnetischen Wellen (Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlen,...), die bewegte Ladungen absondern. Längst ist der indirekte Nachweis gelungen, im Jahr 1993 bekamen amerikanische Forscher den Physiknobelpreis dafür. Die Astronomen Joseph H. Taylor und Russell A. Hulse von der Universität Princeton hatten an einem bestimmten Typ von Pulsaren nachgewiesen, dass die einander um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotierenden Neutronensterne sich mit der Zeit immer mehr annähern und somit gravitative Energie verlieren. Diese könnte aber nur als Strahlung – also in Form von Gravitationswellen – in den Weltraum entweichen.

Die von Gravitationswellen ausgelösten Kräuselungen der Raumzeit sind aber derart winzig, dass sie auf der Erde niemals auffallen. Die Ergebnisse des Experiments ergänzen unser physikalisches Weltbild und beweisen endgültig, dass Einstein Recht hatte. Dieser selbst hatte aber niemals damit gerechnet, dass die Wellen nachweisbar wären. Schließlich gibt das System Erde-Sonne auch stets Energie beim Tanz um seinen gemeinsamen Schwerpunkt (tief in Inneren der Sonne...) ab. Die Leistung dieser Strahlung beträgt nach Berechnung aber gerade einmal 200 Watt...

Wenn in ferner, ferner Zukunft anderen Zivilisationen je der erneute Nachweis von Gravitationswellen gelingen sollte, werden sie ihre Messinstrumente aber nicht auf jenen unscheinbaren Außenarm des Sternensystems richten, den wir unsere kosmische Heimat nennen. Unsere Sonne wird dereinst als weißer Zwerg langsam vor sich hinverlöschen, für eine spektakuläre Supernova ist sie zu klein, für eine Karriere als Schwarzes Loch viel zu klein. Zumal in der Nähe auch weit und breit kein Partner für einen energiereichen Todestanz zu finden ist.

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