Gravitationswellen.

© dpa-Zentralbild/Michael Hanschke

Gravitationswellen
02/11/2016

Österreichische Forscher beteiligt

Forscher maßen das Echo zweier kollidierender schwarzer Löcher.

Um 5:51 US-Ostküstenzeit am 14. September 2015 war es soweit: Erstmals wurden Gravitationswellen direkt nachgewiesen. Damit ist offiziell, worüber seit Monaten spekuliert wurde. Einstein hatte recht.

Was bewiesen wurde

Wissenschaftler haben zum ersten Mal Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die die Erde von einem Großereignis im fernen Universum erreichten. Sie haben festgestellt, dass die beobachteten Gravitationswellen während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern entstanden. Dabei entstand ein einzelnes, massereicheres, rotierendes schwarzes Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war zuvor vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden. Gemessen wurden die Wellen von den beiden identischen Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory (LIGO) Detektoren in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) in den USA. Beteiligt waren mehr als 1000 Forschende von Universitäten in den USA und in 14 weiteren Ländern. Mehr als 90 Universitäten und Forschungseinrichtungen entwickelten Detektor-Technologien und analysieren die Daten.

Österreicher dabei

Unter den Wissenschaftlern des LIGOTeams befinden sich auch fünf theoretische Physiker aus Österreich: Sascha Husa, Professor an der Universität der Balearen in Palma de Mallorca, Reinhard Prix, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, Michael Pürrer, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, Patricia Schmidt, Postdoktorandin am California Institute of Technology in den USA, und Gernot Heißel, Doktorand an der Universität Cardiff.

Sascha Husa, der derzeit in einem Meeting in den USA ist, sagt im KURIER-Gespräch: "Ich bin sehr glücklich. Die Stimmung hier ist sehr enthusiastisch, einige Kollegen haben es gerade erst erfahren. Es ist ein riesiges Glück. Ein Traum, der für einen Wissenschaftler wahr wird." Mehr als zehn Jahre haben sie an den Programmen gearbeitet, die genau das vorhergesehen haben, was jetzt beobachtet wurde. "Wir waren auch überrascht, dass ein schwarzes Loch in dieser Masse wirklich existiert. Es hätte sein können, dass wir zwar Gravitationswellen messen, aber es keine solchen schwarzen massigen Löcher gibt. Es ist ein fantastischer Glücksfall." Husa, der einst in Wien studierte und jetzt in Palma lehrt, wird seinen Erfolg erst am Sonntag feiern: "Ich habe jetzt noch einen ganzen Arbeitstag vor mir, aber am Sonntag fliege ich zurück nach Spanien. Dann werde wir mit den Studenten und Post-Docs feiern, sie haben seit Monaten Tag und Nacht durchgearbeitet."

Das Ereignis der Verschmelzung fand etwa 1,3 Milliarden Jahren statt. Etwa die 3fache Sonnenmasse wurde im Bruchteil einer Sekunde in Gravitationswellen umgewandelt. Die maximale Strahlungsleistung entsprach dabei etwa dem 50fachen des sichtbaren Universums.

Die Messung

Die Analyse der Ankunftszeit der Signale - der Detektor in Livingston registrierte das Ereignis etwa 7 Millisekunden vor dem Detekor in Hanford - erlaubt den Wissenschaftlern zu berechnen, dass das Ereignis in der südlichen Himmelshalbkugel stattgefunden hat. Nach der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie verliert ein Paar schwarzer Löcher Energie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen, sodass sie sich innerhalb von Milliarden von Jahren zunächst sehr langsam aber immer schneller näher kommen und schließlich verschmelzen. Während des letzten Bruchteils einer Sekunde kollidieren die beiden schwarzen Löcher mit fast der halben Lichtgeschwindigkeit und verschmelzen zu einem einzigen, schwereren, rotierenden schwarzen Loch. Dabei wird ein Teil der Masse der beiden beteiligten schwarzen Löcher in Energie verwandelt, nach Einsteins Formel E=m c^2. Die bei den letzten Umkreisungen abgestrahlten Wellen, und der starke Puls der Gravitationswellen bei der Verschmelzung wurden von LIGO beobachtet.

Erstmals direkter Nachweis

Die Existenz von Gravitationswellen wurde erstmals inden 1970ern und 1980er Jahren von Joseph Taylor und Kollegen durch Beobachtungen belegt. Taylor and Russell Hulse entdeckten 1974 ein Binärsystem bestehend aus einem Pulsar und einem Neutronenstern, die sich gegenseitig umkreisen. Taylor and Joel M. Weisberg wiesen dann 1982 nach, dass der Orbit des Pulsars langsam schrumpfte, aufgrund der Energie die als Gravitationswellen abgestrahlt wird. Für die Entdeckung dieses Pulsars und dem Nachweis des orbitalen Energieverlustes durch Gravitationswellen bekamen Hulse und Taylor im Jahr 1993 den Nobelpreis der Physik verliehen.

Die aktuelle LIGO Entdeckung stellt hingegen den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen dar, durch die Messung der minimalen Abstandsänderungen im Detektor, die diese Wellen verursachen auf ihrem Weg durch die Erde.

Gravitationswellen-Astronomie beginnt

„Es ist der Anfang dessen, was manche als Gravitationswellen-Astronomie bezeichnen“. Das sagt einer der Gründungsväter des Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatoriums (Ligo), Prof. Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston. Supernova-Explosionen, kreisende Neutronensterne, verschmelzende Schwarze Löcher - vor allem solche massereichen Objekte lassen sich über Gravitationswellen beobachten.

Auch ein Kind kann Gravitationswellen erzeugen

Denn die Wellen entstehen Einstein zufolge immer, wenn Massen beschleunigt werden. Mit Lichtgeschwindigkeit breiten sie sich aus und stauchen und strecken den Raum. Auch ein hüpfendes Kind auf einem Trampolin erzeugt Gravitationswellen. Allerdings sind die viel zu schwach, um mit heutiger Technik messbar zu sein. Ligo lauscht mit Hilfe eines hochempfindlichen Lasersystems nach den Schwingungen aus dem All. Die Laser laufen im Inneren von zwei jeweils vier Kilometer langen, schnurgeraden Röhren, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Passiert eine Gravitationswelle das Observatorium, ändert sich die Länge der beiden Röhren um winzige Beträge. „Die verschmelzenden Schwarzen Löcher haben die beiden Arme um maximal zwei Attometer gestaucht und gestreckt, das ist rund 1000 Mal weniger als der Durchmesser des Wasserstoffatomkerns“, berichtet Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover, wo dieses Signal zuerst bemerkt worden war.

„Nichts lenkt Gravitationswellen ab. Das heißt, wir können damit tief ins Innerste kosmischer Objekte blicken“, sagt Ligo-Mitbegründer Weiss. „Eine der aufregendsten Beobachtungen wäre eine Supernova. Mit Hilfe von Gravitationswellen könnten wir sehen, was wirklich im Herz so einer Sternexplosion vorgeht.“ Gerüchtehalber hat Ligo bereits weitere Ereignisse erspäht. Das britische Wissenschaftsmagazin „New Scientist“ vermutet mindestens drei Signale. „Das ist mit Sicherheit der Beginn einer neuen Ära in der Astronomie“, sagt Allen über den historischen Erfolg. „Einstein hat nicht geglaubt, dass man Gravitationswellen jemals nachweisen können wird, und er hat nicht an Schwarze Löcher geglaubt. Ich denke, er würde sich freuen, dass er in beiden Punkten unrecht hatte.“

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