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Die Entdeckung der Gravitationswellen

Wissenschaft Die Entdeckung der Gravitationswellen

Albert Einstein hat sie vorhergesagt, am 14. September 2015 wurden sie erstmals nachgewiesen: die Gravitationswellen. Damit wurde ein neues Fenster ins Universum aufgestoßen. Doch was sind Gravitationswellen, und wie entstehen sie?

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So breiten sich Gravitationswellen aus.

Quelle: dpa

Potsdam. Am 14. September 2015 herrschte schon um sechs Uhr in der Frühe helle Aufregung. in den Observatorien in Livingston und Hanford. Die beiden identischen Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) hatten um 5.51 Uhr eine sich über nur knapp zwei Minuten erstreckende Wellenlinie aufgezeichnet. Sollte es sich dabei tatsächlich um das erste Dokument eines schon im Jahr 1915 von Albert Einstein vorhergesagten Phänomens sein. Gravitationswellen, so der Schöpfer der Allgemeinen Relativitätstheorie sind winzige Verzerrungen im Raum-Zeit-Gefüge, die immer dann entstehen, wenn Massen bewegt werden, also praktisch andauernd. Diese Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum.

Seit den 1980er Jahren auf der Spur der Wellen

Den Aufbau der beiden amerikanischen LIGO-Detektoren hatten in den 1980er Jahren der aus Deutschland stammende Physikprofessor Rainer „Rai“ Weiss, bis zu seiner Emeritierung am Massachusetts Institute for Technology (MIT) tätig sowie Kip Thorne, Richard P. Feynman und Ronald Drever, professor, alle tätig am California Institute of Technology (Caltech) vorgeschlagen. Damals hatten sie noch einen schweren Stand. Dass man die winzigen Gravitationswellen jemals würde messen könnte, glaubte nämlich kaum einer, am wenigsten derjenige, dessen Allgemeine Relativitätstheorie diese Verzerrungen im Raum-Zeit-Gefüge erforderte: Albert Einstein.

Einstein glaubte nicht an die Möglichkeit des Nachweises

Eine nennenswerte Größe, wenn bei diesen Phänomenen überhaupt von „Größe“ gesprochen werden kann, erreichen sie jedoch nur, wenn die bewegten Massen unvorstellbar groß und unvorstellbar dicht sind – so wie das zum Beispiel beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher der Fall ist. Doch nach den Feldgleichungen Einsteins sind selbst bei kosmischen Katastrophen wie diesen die Gravitationswellen unvorstellbar winzig, winziger sogar als ein einzelner Baustein eines Atoms. Einstein selbst war deshalb der Überzeugung, dass der praktische Nachweis dieser theoretisch von ihm errechneter Wellen praktisch nie gelingen würde. Doch am 14. September 2015 war genau das geschehen.

Wenn Schwarze Löcher verschmelzen

Zwei Schwarze Löcher von der dreifachen Masse unserer Sonne waren vor einer Milliarde Jahre verschmolzen und hatten ihre Gravitationswellen durchs Universum geschickt. Diese Strahlung hatte dann im September 2015 auf der Erde den Abstand von zwei 40 Kilogramm schweren Spiegeln um weniger als ein tausendstel eines Atomkerndurchmessers verändert – und trotzdem war man in der Lage den Unterscheid zu messen. Dank zweier Laserstrahlen, deren Wellen verzerrt wurden, was winzige Helligkeitsunterschiede für die Detektoren ergab. Auf diese raffinierte Weise wurden die Gravitationswellen als letzten Baustein der Allgemeinen Relativitätstheorie experimentell nachgewiesen. Die moderne Technik und die theoretische Vorarbeit war auch vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, dem Albert-Einstein-Institut in Golm, geleistet worden.

Forscher aus Potsdam-Golm beteiligt

Dass Wissenschaftler, die den Weg für diesen Nachweis bahnen würden, den Nobelpreis verdienten, hatte im Grund niemand bezweifelt. Trotzdem ist die Begeisterung in Golm jetzt groß, dass es Rai Weiss und Kip Stephen Thorne nun geschafft haben. Letzterer war der Chef von Alessandra Buonanno, die am California Institute of Technology durch ihn zur Arbeit an Gravitationswellen veranlasst worden war und dank dieses Schwerpunkts seit 2014 als Direktorin in Golm bei den aktuellen Entdeckungen half.

Forscher in Golm und in Hannover und Potsdam haben zum Beispiel die hochempfindlichen Detektoren, die Interferometer, mit entwickelt und betrieben, mit denen die Signale aufgefangen wurden, sie haben sich Methoden der Datenanalyse ausgedacht, damit leistungsfähige Computer richtige Ergebnisse errechnen und sie haben Modelle entwickelt, wie die Signal eigentlich aussehen müssten, die die Detektoren aufspüren – und welche Welle für welches kosmische Ereignis steht. Nur wegen dieser Vorarbeiten konnten Forscher weltweit im Februar 2016 verkünden: Ja, das Signal waren Gravitationswellen – und nicht etwa eine Störung des Systems, ausgelöst von anderen Quellen.

Einer der Golmer Vorväter des Erfolgs ist der Physiker und Gründungsdirektor Bernard F. Schutz, der 2014 emeritiert wurde, spielte das AEI seit seiner Gründung eine führende Rolle in der Gravitationswellenforschung. Schutz hat das Feld der Gravitationswellenastronomie mit begründet haben, insbesondere als einer der drei Initiatoren des Detektors GEO600 in Hannover (gemeinsam mit Karsten Danzmann und dem britischen Physiker Jim Hough). Außerdem hat er mit numerischen Simulationen, theoretischen Studien von Gravitationswellensignalen und der Entwicklung von Methoden für die Datenauswertung den Boden für die Entdeckung bereitet.

Von Gerald Dietz, Rüdiger Braun

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