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21:15 11.02.2016
Projektion einer Computersimulation die Ausbreitung von Gravitationswellen. Quelle: Michael Hanschke
Washington/Hannover

Die ersten Gerüchte waberten schon etwas länger durch das Internet. In den USA sei es Forschern gelungen, Gravitationswellen direkt nachzuweisen, schrieb ein Wissenschaftler schon im September. Er war an dem Projekt zwar nicht selbst beteiligt, versicherte aber, über gute Quellen zu verfügen. Die Aufregung in der wissenschaftlichen Welt hielt sich in Grenzen: Zu oft gab es schon vermeintliche Entdeckungen, die sich später als  Mess- oder Rechenfehler entpuppten. Doch seit Donnerstag weiß man: Die Information war richtig. In zeitgleichen Pressekonferenzen in Washington und Hannover verkündeten Wissenschaftler eine Nachricht, die zumindest für Astronomen und Physiker einer Jahrhundertsensation gleichkommt. Dass sie dafür den Nobelpreis erhalten werden, gilt als ziemlich sicher. 

Quelle: Julian Stratenschulte

Schon vor fast 100 Jahren hat Albert Einstein die Existenz der mysteriösen Graviationswellen vorhergesagt. Sie entstehen, wenn große Massen beschleunigt werden – zum Beispiel wenn Sterne sich umkreisen oder explodieren. Oder wenn Schwarze Löcher zusammenstoßen, also Objekte, deren Masse so groß ist, dass ihnen nichts mehr entfliehen kann, nicht einmal Licht. Vorstellen kann man sich das mit dem Bild eines Steines, der ins Wasser fällt, und in alle Richtungen Wellen aussendet. Im Universum allerdings kann man die Wellen nicht sehen, sie sind winzige Stauchungen und Verzerrungen des Raums und der Zeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Da sie durch nichts aufgehalten werden, schwingen sie praktisch unendlich weiter. Umgekehrt heißt das: Könnte man sie messen, dann ließen sich Rückschlüsse auf die ursprünglichen Ereignisse ziehen. Anders gesagt: Man könnte Ereignisse „beobachten“, die bisher völlig unsichtbar waren – wie zum Beispiel die Schwarzen Löcher.

Sichtbar würde aber auch der Urknall werden: Den Moment, als vor 13,8 Milliarden Jahren innerhalb einer Millionstel Sekunde Raum, Zeit und Materie entstanden sind. Weil die Grativationswellen wie ein Echo großer Ereignisse wirken, schwärmen die Wellenjäger auch vom „Klang des Universums“, den man jetzt erstmals „hören“ kann. Damit könnte eine ganz neue Form der Astronomie entstehen. „Wir haben eine neue Art Teleskop gebaut und ein völlig neues Feld eröffnet“, erklärte denn auch am Donnerstag Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology. Er ist einer der Gründer des Projekts Ligo (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium), an dem weltweit hunderte Wissenschaftler beteiligt sind. Die Anlage konnte die minimale Erschütterung des Universums messen, die vor 1,3 Milliarden Jahren entstanden ist, als zwei Schwarze Löcher miteinander verschmolzen sind. 

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Erstmals ließen sich solche Schwarze Löcher nun direkt beobachten, betonte Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. „Wir haben die letzten vier Umläufe von zwei Schwarzen Löchern gesehen, bevor sie miteinander verschmolzen sind“, berichtete der geschäftsführende Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover, Bruce Allen. Erstmals gesehen haben es zwei Forscher aus Hannover (Text rechts) – denn die Amerikaner schliefen noch. „Wenn man sich dieses Signal anschaut, ist es wie aus dem Lehrbuch“, ergänzte Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. Den Analysen zufolge hat sich die Verschmelzung in einem Gebiet am Südhimmel in Richtung des Sternbilds Schwertfisch ereignet.

Die beiden Schwarzen Löcher hatten 29 und 36 Mal so viel Masse wie unsere Sonne. Das aus ihrer Verschmelzung hervorgegangene Schwarze Loch besitzt jedoch nur 62 Sonnenmassen. Die Differenz von 3 Sonnenmassen ist gemäß Einsteins Formel E=mc2 (Energie ist Masse mal Lichtgeschwindigkeit hoch 2) in Form von Gravitationswellenenergie abgestrahlt worden.

Für den wissenschaftlichen Durchbruch waren zwei komplizierte Messanlagen nötig, die mit Lasertechnik und Knowhow aus Hannover in den USA aufgebaut wurden. Sie funktionieren wie die größeren Geschwister der Forschungsanlage in Ruthe südlich von Hannover. Ihre Laser haben den Beweis einer Gravitationswelle erbracht – mit der Wahrscheinlichkeit von 5,1 Sigma. Das ist ein übliches Maß in der Physik, um darzustellen, wie unwahrscheinlich es ist, dass eine mutmaßliche Entdeckung durch andere, bekannte Vorgänge erklärt werden kann.

Zugleich konnten die Wissenschaftler auch die Existenz von Systemen aus zwei Schwarzen Löchern beweisen. „Wir haben immer gehofft, dass diese Systeme existieren, aber solche Doppel-Schwarzen-Löcher lassen sich nicht auf anderem Weg als mit Gravitationswellen nachweisen, denn sie senden kein Licht oder andere elektromagnetische Strahlung aus“, erklärt die Potsdamer Forscherin Buonanno. Man habe nun ein fundamental neues Werkzeug zur Erforschung des Universums: „Damit beginnt mit Sicherheit eine neue Ära in der Physik und Astronomie.“ 

Seit gut 50 Jahren sind Wissenschaftler in allen Teilen der Welt auf der Jagd nach den geheimnisvollen Raumkräuseln. 1974 gelang zwei Astronomen schon ein indirekter Beweis: Sie studierten jahrelang die Bahnveränderungen zweier extrem massereiche Sterne in einer engen Umlaufbahn. Dabei entdeckten sie einen Energieverlust, der durch die Abstrahlung von Gravitationswellen zu erklären war. Tatsächlich entsprachen ihre Messwerte fast exakt den Daten, die man mithilfe von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie berechnen konnte. Sie erhielten 1993 den Physik-Nobelpreis.

Doch direkt konnte das zarte Zittern des Universums bisher noch nie gemessen werden. Jetzt aber scheint nicht nur Einsteins Theorie bewiesen, sondern in einem Punkt ist das Genie jetzt auch widerlegt worden: Denn weil die Wellen so klein sind, glaubte Einstein, dass man sie wohl nie nachweisen könne.

Was sind Gravitationswellen? 

Hier finden Sie unsere große Übersicht mit Fragen und Antworten zu Gravitationswellen.

So gelang den Wissenschaftlern aus Hannover die Entdeckung

Lesen Sie hier, wie Hannover half, Einstein zu beweisen

Was sind Schwarze Löcher?

Lesen Sie hier eine Kurzerklärung

Das Gravitationswellen-Observatorium Ligo 

Ligo ist ein Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, das in den USA für den Nachweis von Gravitationswellen gebaut worden ist. Der Detektor besteht aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Armen, die jeweils vier Kilometer lang am Boden verlaufen und schnurgerade sind. Im Inneren laufen Laserstrahlen, mit denen sich eine Änderung der Armlängen zueinander extrem genau messen lässt. Treffen Gravitationswellen diese Anlage, stauchen und strecken sie die Arme unterschiedlich um winzige Beträge. Das Lasersystem soll dabei noch Längenänderungen erfassen, die rund zehntausend Mal kleiner sind als ein Wasserstoffatomkern.

Das Ligo-Konsortium betreibt zwei nahezu identischen Detektoren in Hanford (US-Staat Washington) und 3000 Kilometer davon entfernt in Livingston (Louisiana). Erstmals ging das Observatorium 2002 auf Suche, zunächst erfolglos. Von 2010 an wurden die Detektoren dann aufgerüstet, unter anderem mit Technik, die im Rahmen des deutschen Experiments GEO600 bei Hannover entwickelt worden ist. Seit September 2015 hat dieses "advanced Ligo" (weiterentwickeltes Ligo) eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit.

Von Bärbel Hilbig und Udo Harms (mit:afp/dpa)

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