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Gravitationswellen beobachtet Einsteins letzte Prophezeiung

Es gilt als physikalische Sensation, als neue Ära in der Astronomie. Erstmals haben Weltraumforscher nach eigenen Angaben Gravitationswellen direkt nachgewiesen.

Ein Bericht von Frank Grotelüschen

November 1915: Albert Einstein präsentiert seinen wohl größten Wurf, die Allgemeine Relativitätstheorie. Eine physikalische Revolution, ein völlig neues Bild der Gravitation, sagt Domenico Giulini, Physiker an der Uni Hannover: "Einstein erklärte die Gravitationswirkung dadurch, dass die Geometrie von Raum und Zeit selber am Geschehen teilnimmt."

Laut Einstein krümmt eine Masse den Raum und die Zeit um sich herum. Dadurch können seltsame Phänomene auftreten: Die Umlaufbahnen von Planeten fangen an zu schlingern. Und Licht wird von Himmelskörpern abgelenkt oder sogar verschluckt. Alles Effekte, die die Physiker längst beobachtet haben.

Albert Einstein

Der geniale Physiker Albert Einstein.

Nur ein Phänomen fehlt noch. Wenn man so will - Einsteins letzte Prophezeiung: "Die Gravitationswellen sind eine Konsequenz seiner Allgemeinen Relativitätstheorie", sagt Professor Karsten Danzmann vom Max-Planck-Institut in Hannover. "Wenn man die Einsteinschen Feldgleichungen löst, fallen Gravitationswellen sozusagen automatisch heraus."

Winzige Dellen in Raum und Zeit

Prallen irgendwo im Weltall zwei riesige Massen aufeinander, müssten sie winzige Dellen in Raum und Zeit schlagen – ähnlich wie ein Stein kleine Kräuselwellen in einen spiegelglatten See schlägt. Die Dellen in der Raumzeit rasen dann mit Lichtgeschwindigkeit durchs All – so will es Einsteins Theorie.

Nach diesen Gravitationswellen suchen die Physiker schon seit Jahrzehnten. Auf einen ersten Hinweis stießen in den siebziger Jahren die Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor. "Sie hatten ein System mit zwei speziellen Sternen entdeckt, die sich gegenseitig umkreisen", berichtet Luciano Rezzolla von der Uni Frankfurt.

"Als sie dieses System untersuchten, bemerkten sie, dass sich die beiden Sterne immer enger umkreisen", so Rezzolla. "Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bietet dafür eine Erklärung: Die Sterne kommen sich immer näher, weil sie Gravitationswellen aussenden und dadurch Energie verlieren. Dieses Ergebnis stimmte uns zuversichtlich, dass Gravitationswellen tatsächlich existieren."

Riesige Anlagen zur Messung nötig

Also machten sich die Physiker auf, Gravitationswellen auch direkt aufzuspüren – und entwickelten eine raffinierte Apparatur. Das Prinzip: Zwei Laserstrahlen werden im rechten Winkel zueinander losgeschickt. Wo sie sich kreuzen, überlagert sich ihr Licht. Dadurch entsteht ein Hell-Dunkel-Muster. Wird nun einer der Strahlen von einer Gravitationswelle gestaucht, muss er einen kürzeren Weg zurücklegen, und das Muster verschiebt sich – was sich äußerst genau messen lässt.

Nur: Um empfindlich genug zu sein, braucht es riesige Anlagen. Die größten Gravitationswellendetektoren stehen in den USA, ihre Laserarme messen je vier Kilometer. Sie gehören dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO.

Die beiden LIGO-Detektoren sind im Staat Washington und im Staat Louisiana. Ganz bewusst wurden beide Detektoren in einem großen Abstand aufgebaut, sagt Hartmut Grote vom Albert-Einstein-Institut, der bei LIGO mitarbeitet: "Ungefähr 3.000 Kilometern Abstand. Durch den Laufzeitunterschied der Gravitationswelle kann man dann in etwa die Richtung messen, wo die Gravitationswelle herkam."

Erfolg mit Spiegeln als Pendel

Hartmut Grote,  Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Hartmut Grote, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Von 2002 bis 2007 waren die Detektoren auf Empfang – und maßen nichts. Also wagten die Physiker einen neuen Anlauf. In jahrelanger Arbeit haben sie ihre Anlagen gehörig aufgemotzt. "Eine Maßnahme ist, dass man die Spiegel, zwischen denen man die Laserstrahlen hin und her schickt, viel besser isoliert aufhängen muss", berichtet Grote. "Diese Spiegel werden als Pendel aufgehängt, und zwar in mehrfachen Stufen. Das war eine der wesentlichen Änderungen in der 2. Ausbaustufe von LIGO, dass die Spiegel jetzt als Vierfach-Pendel aufgehängt sind und nicht mehr als Einfachpendel wie in der ersten Generation."

Das Resultat: Die neue Generation ist deutlich empfindlicher als die erste. Seit September nehmen die runderneuerten LIGO-Detektoren Daten – und scheinen nun tatsächlich die erste Gravitationswelle aufgespürt zu haben, eine physikalische Sensation. Auch deutsche Forscher waren an der Arbeit beteiligt.

Kosmische Gewaltakte

Erzeugt werden diese Wellen von kosmischen Gewaltakten, bei denen ungeheure Mengen an Energie frei werden, sagt Daniel Siegel vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam: "Doppelsternsysteme aus entweder zwei schwarzen Löchern, oder aus zwei Neutronensternen."

Das sind Sterne im Endstadium ihrer Entwicklung, die sich umkreisen und langsam sich gegenseitig annähern. Bis sie schlussendlich ineinander stürzen und ein neues Objekt formen. Und das Gravitationswellen-Signal, das diese Objekte aussenden, kurz bevor sie zusammenstürzen, ist das, was wir gerne nachweisen würden."

Der Nobelpreis scheint sicher

Zwei Galaxien

Zwei Galaxien.

Was den Forschern nun offenbar gelungen ist: Die LIGO-Detektoren haben das Signal zweier aufeinander stürzender schwarzer Löcher registriert. Damit ist nicht nur Einsteins letzte Prophezeiung bewiesen – was allein schon einen Nobelpreis wert sein dürfte.

Nun haben die Physiker wie Siegels Kollege Jan Steinhoff auch die Gelegenheit, so geheimnisvolle Objekte wie schwarze Löcher direkt ins Visier zu nehmen – was mit gewöhnlichen Teleskopen nicht geht. Denn Schwarze Löcher strahlen weder Licht ab noch andere elektromagnetische Strahlung.

"Aber diese zwei Schwarzen Löcher senden Gravitationswellen aus", so Steinhoff. "Wenn man Gravitationswellen misst, hat man eine Art Auge. Man sieht Objekte, die man im sichtbaren Licht gar nicht sehen kann."

Neue Details über die Geburt des Universums

Auch Supernova-Explosionen sollten Gravitationswellen erzeugen, ebenso kollidierende Neutronensterne. Und selbst vom Urknall müssten noch messbare Gravitationswellen durch den Kosmos wabern.

Nun dürfen sich die Fachleute konkrete Hoffnungen machen, sie aufzuschnappen und neue Details zu erfahren, wie das Universum vor knapp 14 Milliarden geboren wurde. Aussichten, bei denen Karsten Danzmann ins Schwärmen gerät: "Ich glaube, wir können uns noch gar nicht ausmalen, was wir alles aus Gravitationswellen lernen werden."

Online: Peter Mühlfeit und Heidemarie Martin

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