"Eine Entdeckung, die die Welt erschütterte"

Der Nobelpreis für Physik 2017

LIGO/T. Pyle Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs.

Rainer Weiss, Barry Barish, und Kip Thorne der internationalen LIGO-Kollaboration erhalten in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik für den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen. LIGO, das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ist eine Kollaboration mit mehr als 1000 Forschern in mehr als 20 Ländern; darunter ist auch das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Zusammen haben sie eine fast 50 Jahre alte Vision in die Tat umgesetzt, so schreibt das Nobelkomitee in seiner Pressererklärung. Die Nobelpreisträger 2017 haben mit ihrem Enthusiasmus und ihrer Zielstrebigkeit unabdingbar zu dem Erfolg von LIGO beigetragen.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen gelang den Forschern der LIGO-Kollaboration am 14. September 2015. An diesem Tag zeichneten die beiden LIGO-Detektoren in den USA erstmals Gravitationswellen auf. Das Signal GW 150914 stammte von zwei miteinander verschmelzenden Schwarzen Löchern in einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren. Für die Astronomie tut sich mit dem Nachweis von Gravitationswellen ein neues Fenster zum Universum auf. Mit dem neuen Werkzeug können die Wissenschaftler auch die dunkle Seite des Kosmos erforschen – denn wir sehen nur einen winzigen Teil des Universums. 99 Prozent davon lassen sich nicht durch Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum (Licht, Radio- Röntgen-, Gammastrahlung) erfassen. Astronomen wissen aber, dass dieser dunkle Anteil der Wirkung der Gravitation unterliegt.

Wie entstehen Gravitationswellen?

Als Albert Einstein die allgemeine Relativitätstheorie im November 1915 vorstellte, krempelte er unsere Vorstellung vom Kosmos gewaltig um. Bis dahin galten Raum und Zeit als starr, geometrisch unveränderlich und voneinander unabhängig. Einsteins Theorie verwob aber diese beiden Größen zu einem dynamischen und geometrisch verformbaren Raum-Zeit-Gefüge. Zwei Massen treten nun nicht mehr unmittelbar über die Schwerkraft miteinander in Wechselwirkung, wie im 17. Jahrhundert von Isaac Newton in seiner Gravitationstheorie beschrieben. Vielmehr verformt Materie in ihrer Umgebung die Raumzeit. Gerät ein anderer Körper in die Nähe dieser Raumzeit-Delle, wird er durch sie abgelenkt und auf eine krumme Bahn gezwungen. Sogar Licht folgt der verformten Geometrie. Und wann immer sich Materie in der Raumzeit beschleunigt bewegt, versetzt sie diese in Schwingungen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Je massereicher und kompakter die Objekte und je schneller sie sich bewegen, umso stärker sind diese Gravitationswellen. Dennoch ist dieser Effekt sehr gering. Daher glaubte Albert Einstein selbst nicht daran, dass sich diese Schwingungen der Raumzeit jemals würden messen lassen.

Eine Supernovaexplosion etwa in unserer Hälfte der Milchstraße würde die Raumzeit auf der Erde um nur ein Tausendstel eines Protondurchmessers (10-18 Meter) dehnen und stauchen. Das Signal von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern in einer fernen Galaxie, wie im Fall von GW 150914 ist noch einmal tausend Mal schwächer. Die Messinstrumente der LIGO-Virgo-Kollaboration sind aber genau für solche Fälle ausgelegt.

Kollision von Schwarzen Löchern

Mittlerweile haben die Forscher der LIGO-VIRGO-Kollaboration vier Gravitationswellensignale zweier miteinander verschmelzender Schwarzer Löcher mit Massen von einigen zehn Sonnenmassen nachgewiesen. Schwarze Löcher dieser Art können entstehen, wenn sehr massereiche Sterne am Ende ihres Lebens als Supernova explodieren. Umkreisen sich diese kompakten Objekte in einem Doppelsystem, senden sie Gravitationswellen aus und verlieren dabei Energie. Dadurch laufen sie immer enger und schneller umeinander, Frequenz und Amplitude der emittierten Gravitationswellen nehmen zu. Während der letzten wenigen Orbits vor dem Crash sind diese Schwingungen der Raumzeit so stark, dass sie sich wie im Fall von GW 150914 auch noch in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren messen lassen. Übrigens dauerte das Signal nur eine halbe Sekunde, denn die Schwarzen Löcher umkreisen sich zum Schluss mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. In der letzten Sekunde, bevor die beiden Schwarzen Löcher fusionierten, setzten sie 50-mal mehr Energie frei als alle Sterne des Universums zusammen zum gleichen Zeitpunkt.

Aus der Wellenform, das heißt aus Frequenz und Amplitude der Messungen von GW 150914, ermittelten die Wissenschaftler schließlich die astrophysikalischen Eigenschaften der Quelle, welche die Gravitationswellen ausgesandt hatte. Die Forscher hatten zwei Schwarze Löcher mit 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen ertappt, die einander gerade noch ein Dutzend Mal umrundeten, bevor sie schließlich zu einem massereicheren Schwarzen Loch mit rund 60 Sonnenmassen verschmolzen. Aus der Zeitdifferenz, mit der das Signal bei den beiden Detektoren an Ost- und Westküste der USA ankam, ließ sich die Entfernung und die ungefähre Himmelsposition bestimmen. Maßgeblich an der Datenanalyse beteiligt waren auch Forscher des MPI für Gravitationsphysik.


Zusatzinfo: Messtechnologie

Alle modernen Gravitationswellendetektoren innerhalb der LIGO-VIRGO Kollaboration, so auch der GEO600-Detektor in Ruthe bei Hannnover, arbeiten nach dem Prinzip eines Michelson-Interferometers. Dabei spalten die Forscher einen Laserstrahl mit einem halbdurchlässigen Spiegel auf und schicken die beiden Laserstrahlen auf senkrecht zueinander verlaufende, jeweils gleich lange Messtrecken. An deren Enden werden sie von einem Spiegel reflektiert. Zurück am Ausgangspunkt treffen sie wieder aufeinander und überlagern sich – die Physiker sagen, sie interferieren miteinander. Dabei kommt die Wellennatur des Lichts zum Tragen. Treffen nun zwei Wellenberge bzw. Wellentäler der beiden Laserstrahlen aufeinander, verstärkt sich die Lichtintensität. Trifft dagegen Wellenberg auf Wellental, löschen sich die Laserstrahlen aus und es ist dunkel.

Passiert eine Gravitationswelle den Detektor, dehnt und staucht sie den Raum in den senkrecht zueinander verlaufenden Messstrecken unterschiedlich stark, die beiden Lichtstrahlen treffen dann in jeweils einer anderen Phase aufeinander als in Ruhe und die Stärke des Signalstrahls ändert sich.

Aktualisiert am 4. 10. 2017.

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