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Neue Art der Weltallforschung in Potsdam

Relativitätstheorie Neue Art der Weltallforschung in Potsdam

„Früher waren wir für die Gravitationswellen taub, jetzt können wir hören“, sagt Vivien Raymond, Postdoktorand am Potsdamer Albert-Einstein-Institut. Hier wurde mitgemischt, als kürzlich gezeigt wurde, dass Einstein doch Recht hatte: Des es gibt die Gravitationswellen, deren Existenz bislang nur theoretisch unterstellt werden konnte. Eine Erfolgsgeschichte.

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Einstein wusste es: Simulationen, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen - unter Abstrahlung von Gravitationswellen.

Quelle: S. Ossokine/A. Buonanno/R. Haas/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Potsdam. Mission erfüllt! Das nach Albert Einstein benannte Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (AEI) in Potsdam-Golm kann also jetzt geschlossen werden? „Nein“, sagt die Direktorin und Leiterin der Abteilung Relativitätstheorie Alessandra Buonanno, die durch ihre Forschung selbst am kürzlich erbrachten Nachweis von Gravitationswellen beteiligt ist. Ihre Abteilung arbeite zwar seit 1994 daran, die Wellen zu registrieren. Aber erstens forschten nicht alle 150 Mitarbeiter in Golm an den von Einstein vorausgesagten winzigen Verzerrungen des Raum-Zeit-Gefüges, zweitens fange mit deren Nachweis die Arbeit erst an.

„Wir werden das Universum auf ganz neue Weise erforschen“, sagt Buonanno der MAZ. Ihr Vorgänger und Pionier der Gravitationswellenforschung, der US-Physiker Bernard Schutz, vergleicht es mit einem Wald: „Wir hören dort oft Vögel zwitschern, sehen sie aber nicht, das könnte sich jetzt ändern.“ Schutz ist einer der drei Gründungsdirektoren des AEI und half, das mathematische und physikalische Rüstzeug für die Entdeckung der Gravitationswellen bereitzustellen. Sie nun für eine neue Art der Weltallforschung einzusetzen, will Buonanno zur künftigen Aufgabe ihrer Abteilung machen.

Gravitationswellen messen, hielt Einstein für unmöglich. Es geht dabei um Unterschiede, die denen zwischen der Strecke von Paris nach Berlin und der selben Strecke plus der Länge eines Atomkern entsprechen. Wie soll man so etwas unendlich Winziges messen?

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) entstand als Teil der Expansion der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) nach der Wiedervereinigung Deutschlands in Brandenburg.

Der Experte für die Allgemeine Relativitätstheorie, Jürgen Ehlers (1929-2008) initiierte maßgeblich die Gründung in Golm.

Die Arbeit nahm das Institut im April 1995 seinen endgültigen Standort in Golm bekam es erst im April 1999.

„Wir benutzen Laserlicht als eine Art Zollstock“, sagt Benjamin Knispel vom Schwester-Institut der Golmer in Hannover. Das Prinzip dabei ist, dass zwei übereinander projizierte Lichtwellen durch eingehende Gravitationswellen einmal gestaucht und einmal gedehnt werden. Dadurch entsteht ein messbarer Helligkeitsunterschied. Dies probt man in der Anlage GEO 600 des AEI bei Hannover, so lief der Ernstfall am 14. September 2015 bei den Ligo getauften großen Detektoren in Livingston, Louisiana, und in Hanford, Washington, ab.

Doch um solche Effekte auszunutzen, muss man wissen, wie Signale der Gravitationswellen eigentlich aussehen. Nicht zuletzt dafür wurde 1995 in Golm das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik eingerichtet. Ein Werkzeug für die Entdeckung von Gravitationswellen zu entwickeln, gehörte mithin zum Arbeitsauftrag von Schutz, der damals von der englischen Universität Cardiff nach Potsdam kam. Der 69-jährige Physiker sieht seinen beruflichen Lebensauftrag nun nahezu verwirklicht. „Die Messung der Wellen war dabei für mich das wichtigste, genau darauf habe ich 30 Jahre lang hin gearbeitet“, sagt er. Vom Potsdamer AEI-Sitz aus hat Schutz zusammen mit den Kollegen dort und in Hannover die Laser für den Ligo mitkonzipiert, vor allem aber die Computertechnik mitentwickelt, die nötig ist, die sagenumwobenen Wellen überhaupt empfangen zu können. Die Mega-Rechner benötigen dafür sozusagen Blaupausen zum Vergleich, Muster verschmelzender Schwarzer Löcher etwa oder anderer kosmischer Ereignisse, die sich in Gravitationswellen zeigen könnten.

Schutz war natürlich nicht allein. Weltweit schätzt er, dass über die Jahrzehnte um die 1000 Wissenschaftler und Techniker an der jetzt gelungenen Entdeckung ihren Anteil hatten. Allein in seinem Golmer Team gab es mehrere Top-Forscher. Ohne den heute in Illinois arbeitenden Experten für Supercomputer und Numerische Relativität, Edward Seidel, wären zum Beispiel die mathematischen Darstellungen für Schwarze Löcher nicht entdeckt worden. Seidel leitete von 1996 bis 2003 die Gruppe „Numerische Relativitätstheorie“. Schon 1999 gelangen ihm in Potsdam Simulationen zweier verschmelzender Schwarzer Löcher und 2001 zeigte Seidel dessen Ausdruck in Gravitationswellen.

Luciano Rezzolla wiederum hatte sich am AEI auf die sogenannte relativistische Hydrodynamik spezialisiert. Letztlich ist es ein Teilgebiet der Strömungslehre im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Rezzolla gelang es 2006 zum ersten Mal auszurechnen, wie ein Gravitationswellensignal aussehen muss, das beim Zusammensturz eines Neutronensterns zum Schwarzen Loch entsteht.

Mit Detailfragen der Signalanalyse in den Detektoren hat sich Maria Alessandra Papa, die am AEI in Hannover arbeitet, lange beschäftigt. Seit 1997 war sie in der Arbeitsgruppe von Bernard Schutz. „Die Signale, die von den Detektoren aufgefangen werden, sind extrem schwach. Wir müssen bestimmte Analysetechniken entwickeln, um sie zwischen all dem Datenlärm auszugraben“, sagt sie.

Ein Grund, sich jetzt zurückzulehnen, gibt es in Golm nicht. Vivien Raymond, Postdoktorand in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie und Experte für Gravitationswellen-Astrophysik, freut sich schon auf die Nutzung der Gravitationswellen für astrophysikalische Forschung. „Bisher haben wir nur Theorien entwickelt, jetzt können wir prüfen, ob sie stimmen“, sagt er. Die entwickelten Modelle für Signale von Gravitationswellen könnten anhand real eingehender Daten überprüft werden. Raymond: „Früher waren wir für die Gravitationswellen taub, jetzt können wir hören.“ Er baut auf wunderbare Enthüllungen über das Universum im Zusammenspiel von Detektoren und der theoretischen Arbeit in Golm.

Bleibt die Frage an wen bei so viel Beteiligten der schon mehrfach ins Gespräch gebrachte Nobelpreis gehen könnte. Schutz hat da so eine Idee. Bislang seien die Physik-Auszeichnungen zwar immer Personen gebunden gewesen, hier könnte aber einmal eine Art Dachorganisation zum Zuge kommen: Alle Beteiligten sind letztlich in der Ligo Scientific Collaboration vereint, die rund 80 Universitäten und Forschungseinrichtungen zu ihren Partnern zählt.

Von Rüdiger Braun und Gerald Dietz

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