Gravitationswellen (Foto: dpa/picture-alliance -)

Das Echo der Urknalls Gravitationswellen aufspüren

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Ermuntert vom Nachweis der ersten Gravitationswellen vor einem Jahr haben sich Physiker neue Methoden ausgedacht. Sie hoffen, damit auch die Gravitationswellen nachzuweisen, die bei der Entstehung unseres Universums entstanden.

Was die Amerikaner im September 2015 mit ihren LIGO-Detektoren eingefangen haben, wurde Anfang dieses Jahres der Öffentlichkeit mitgeteilt. Seitdem ist viel Zeit vergangen. LIGO pausiert seit einigen Monaten. Doch ein zweiter Durchgang auf der Suche nach mehr jener rätselhaften physikalischen Phänomene steht kurz bevor.
Andere Astrophysiker haben sich ein noch ehrgeizigeres Ziel gesetzt: Sie wollen nun auch die Gravitationswellen aufspüren, die beim Urknall entstanden sind, am Anbeginn von Raum und Zeit also. Das Teleskop, das sie dazu brauchen, das wollen sie in die Gondel eines Ballons verfrachten. Und auch die Europäer machen sich derzeit mit einer Testmission auf die Suche nach dem Echo des Urknalls.

Schwarze Löcher in den Weiten des Alls

Januar 2016 gab David Reitze, Chef von LIGO, dem Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory bekannt: "Wir haben Gravitationswellen entdeckt", so seine simple Botschaft - und zwar solche, die von zwei Schwarzen Löchern am südlichen Sternenhimmel ausgesandt werden, ungefähr in der Gegend der Großen Magellanschen Wolke, mehr als eine Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Beide Detektoren, in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana, hatten sie im September 2015 unabhängig voneinander nachgewiesen. Wenige Monate später, im Dezember, gelang dies erneut bei zwei anderen Schwarzen Löchern.

Im Februar haben wir die Instrumente angehalten. Seitdem befinden wir uns in einer Phase der Reparaturen und Verbesserungen. Wir hatten einige Schwierigkeiten beim Upgrade der Instrumente zu bewältigen. Zum Beispiel kam es an einem unserer beiden Standorte, in Louisiana, im vergangenen Monat zu massiven Überschwemmungen, die auch uns zeitlich zurückgeworfen haben. Wir wollen nun Mitte Oktober wieder an den Start gehen. Wir machen unsere beiden Interferometer auch empfindlicher, so dass sie beim nächsten Durchgang mehr Gravitationswellen entdecken können.

Schwarzes Loch (Foto: SWR, dpa - ESO/M. Kornmesser)
Schwarze Löcher sind für Astronomen und Physiker ein spannendes Forschungsprojekt dpa - ESO/M. Kornmesser

Das Kreisen der Neutronensterne

Die verbesserten Instrumente sollen dann nicht nur mehr Gravitationswellen aufspüren, sondern auch solche von Objekten, die weiter weg sind und weniger massereich als die bislang untersuchten Schwarzen Löcher. Auch zwei sich umkreisende Neutronensterne müssten Gravitationswellen aussenden.

Wenn wir wieder an den Start gehen, werden unsere Instrumente empfindlicher auf Gravitationswellen auch von weiter entfernten Neutronensternen reagieren. Möglicherweise werden unsere Detektoren zwischen Oktober und Dezember erstmals ein solches Sternenpaar nachweisen. Aber garantieren können wir es nicht.

Der Satellit "Lisa Pathfinder (Foto: dpa/picture-alliance - Foto: Sven Hoppe/dpa)
Der Satellit "Lisa Pathfinder startete im Dezember 2015, um neue Technik für ein geplantes Weltraum-Observatorium namens eLisa zu testen dpa/picture-alliance - Foto: Sven Hoppe/dpa

Laserantenne als neues Messinstrument

Am 3. Dezember brachte eine europäische Vega-Rakete LISA Pathfinder in den Weltraum. Erstmals will Europa damit eine Technologie testen, die später einmal zum Nachweis von Gravitationswellen im All führen soll, erklärt Bangalore Sathyaprakash, der Chef der Physikabteilung der Cardiff University in Wales: Diese Laserantenne wird aus drei Satelliten bestehen, die die Sonne umkreisen. Der Abstand zwischen ihnen wird bei jeweils mehreren Millionen Kilometern liegen. Zwischen den drei Satelliten werden Lasersignale hin- und hergeschickt. Kommt eine Gravitationswelle vorbei, ändert sie die Laufzeit der Signale. Das wollen wir beobachten.


Und zwar mit der Nachfolgemisson eLISA, der evolved Laser Interferometer Space Antenna. Solch ein ehrgeiziges Vorhaben braucht Vorbereitung. Deswegen testet die europäische Weltraumagentur ESA derzeit das Prinzip. Als Testmassen dienen Klötzchen aus Gold und Platin. Hans-Georg Grothues aus der Abteilung für Weltraumwissenschaften beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn: Um diese Technologie zu erproben, auf einen einzigen Satelliten zu bringen, nämlich LISA Pathfinder, werden diese beiden kleinen Klötzchen auf eine Strecke von 40 cm zusammengebracht, wo dann auch mit einem Laserstrahl sehr, sehr empfindlich die Ausrichtungen und die Abstände dieser Klötzchen gemessen werden.

Detektor für die PIPER Ballon Mission (Foto: Christine Jhabvala/NASA -)
Detektor für die PIPER Ballon Mission Christine Jhabvala/NASA -

Riesenballon misst kosmische Hintergrundstrahlung

Auch die US-Raumfahrtbehörde NASA will weitere Gravitationswellen nachweisen – und zwar in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Es wären ganz besondere Gravitationswellen, nämlich solche, die beim Urknall entstanden sind, also bei der Entstehung des Universums. Dabei soll ausgerechnet ein Teleskop in der Gondel eines Höhenballons helfen. Al Kogut ist der Chefwissenschaftler der Mission PIPER am Goddard Space Flight Center der NASA: Der Hauptvorteil unseres Ballonexperiments ist, dass wir uns oberhalb des größten Teils der Atmosphäre bewegen. Die Erdatmosphäre strahlt nämlich selbst Mikrowellen ab, die uns bei der Suche nach den Mustern in der kosmischen Hintergrundstrahlung irritieren würden. In einer Höhe von fünf-und-dreißig Kilometern ist die Luft jedoch nur noch sehr dünn, so dass wir fast unter Weltraumbedingungen arbeiten.

Von Fort Sumner im US-Bundesstaat New Mexiko aus wird PIPER in wenigen Tagen auf seine erste Reise gehen, ergänzt Paul Mirel, der Chefingenieur der Mission:
Dies ist kein gewöhnlicher Ballon. Dieser Ballon misst hundert Meter im Durchmesser, wenn er seine endgültige Höhe erreicht hat. Er würde den Innenraum eines Fußballstadions füllen. Er ist einfach riesig.

Anhand der Flüge soll dann eine Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung entstehen – vielleicht mit jenem Windradmuster, das auf Gravitationswellen hinweist, die beim Urknall entstanden sind.

Windradmuster - Hinweis auf Gravitationswellen (Foto: dpa/picture-alliance -)
Windradmuster - Hinweis auf Gravitationswellen dpa/picture-alliance -
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