Ein neues Fenster ins Weltall

Ein Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik anhand einer Projektion einer Computersimulation die Ausbreitung von Gravitationswellen.

Beweis für Gravitationswellen

Ein neues Fenster ins Weltall

Von Andreas Sträter

Einstein hat sie vorhergesagt, Astrophysiker suchen seit Jahrzehnten danach, doch keiner hat sie bislang nachgewiesen: Gravitationswellen. Jetzt haben US-Forscher das Phänomen erstmals belegt.

Albert Einstein wusste es schon vor einhundert Jahren. Im Weltall muss es Gravitationswellen geben. Diese winzigen Wellen sind Verzerrungen der Raumzeit und sollen bei besonders energiereichen Ereignissen im Universum entstehen. Bisher haben Astrophysiker solche Gravitationswellen noch nicht aufspüren können. US-Forscher haben aber jetzt erstmals solche Wellen nachweisen können. Damit bestätigen sie einen zentralen Baustein von Einsteins Theorie. Die am Donnerstag (11.02.2016) in Washington D.C. präsentierten Erkenntnisse könnten helfen, die Geheimnisse um die Entstehung des Universums zu lüften.

Observatorium in den USA liefert Beweis

Das Universum erzittert im Takt explodierender Sonnen und verschmelzender Schwarzer Löcher. Diese kosmischen Katastrophen erfüllen das Weltall mit einer Flut sogenannter Gravitationswellen. So die Theorie. Um diese Schwingungen tatsächlich nachzuweisen, ist in den Vereinigten Staaten das so genannte Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (kurz: Ligo) gebaut worden. Die Maschine, die den Beweis lieferte, ist ein Detektor, der aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Armen besteht. Diese Arme verlaufen jeweils vier Kilometer am Boden entlang und sind schnurgerade. Durch ihr Inneres schicken die US-Forscher Laserstrahlen, mit denen sich eine Änderung der Armlängen zueinander extrem genau messen lässt.

Raum wird gedehnt und gequetscht

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. Die Gravitationswellen, die dort aufgefangen werden, entstehen im All dann, wenn Masse beschleunigt wird – zum Beispiel, wenn Schwarze Löcher ineinander stürzen oder Sterne am Ende ihrer Lebenszeit explodieren. Anders als Schall- oder Lichtwellen wandern Gravitationswellen nicht durch den Raum, sondern dehnen und quetschen den Raum selbst – ähnlich wie die Wellen eines ins Wasser geworfenen Steins eine Seeoberfläche kräuseln. Dieses Stauchen und Strecken soll letztlich von den beiden baugleichen Ligo-Anlagen in Hanford im US-Staat Washington und in Livingston in Louisiana aufgespürt werden.

Schwarze Löcher

Die Schwarzen Löcher gehören noch immer zu den Rätseln des Universums. Sie erscheinen für das menschliche Auge schwarz und um sie herum ist die Schwerkraft so hoch, dass sie Materie aufsaugen. Als Schwarze Löcher werden in der Physik Objekte beschrieben, dessen Gravitation so stark ist, dass weder Lichtsignale noch Materie nach außen dringen können. Licht, Raum und Zeit können demnach von Schwarzen Löchern aufgesogen werden. In ihnen herrschen völlig andere, bisher unbekannte physikalische Gesetze.

Wenn ein Stern stirbt, dann verschwinden sowohl sein Gas- als auch sein Strahlungsdruck. Nur die Schwerkraft im Inneren bleibt. So schrumpft der Stern auf ein Minimum, während seine Masse implodiert. Auf diese Weise entsteht ein Schwarzes Loch. Bisher gilt eine direkte Beobachtung Schwarzer Löcher als praktisch unmöglich. Schwarze Löcher verraten sich aber durch Sterne, die sie umkreisen. Deren Bahnen und Bahngeschwindigkeiten weisen Unregelmäßigkeiten auf, die letztlich Rückschlüsse auf das Schwarze Loch zulassen.

Geforscht wird an diesem Phänomen seit über 50 Jahren. Das Ligo-Observatorium ging erstmals im Jahr 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 weiterentwickelte Ligo eine deutlich bessere Empfindlichkeit.

Was schon Einstein wusste

Gravitationswellen gehören zu den zentralen Bausteinen von Albert Einsteins Relativitätstheorie. Die beschreibt, warum Körper sich gegenseitig durch die Schwerkraft anziehen. Um dieses Phänomen zu beschreiben, verwendete Einstein ein neues Bild – das der Krümmung von Raum und Zeit. Weil Masse den Raum ihrer Umgebung verändert, entsteht Anziehungskraft – oder die Gravitation, wie Physiker sagen. Etwas vereinfacht kann man sich die Situation so vorstellen, dass die Masse eine Delle in die sonst flache Raumzeit drückt und dadurch zum Beispiel andere Massen dieser Delle folgen und nicht geradeaus vorbeifliegen. Darum kreist dann zum Beispiel ein Planet um einen Stern. Bei einer Explosion oder Kollision ändert sich sehr schnell die Masse und dadurch wiederum ändert sich die Tiefe der Delle in der Raumzeit. Die nun beginnenden Schwingungen werden Gravitationswellen genannt und pflanzen sich in den umgebenden Raum – also auch bis zur Erde – fort.

Da wir auf der Erde diese Schwingungen nun belegen können, öffnet sich für die Astronomie ein neues Beobachtungsfenster ins Weltall. Bisher erfolgte die Erforschung über Radiowellen, über Gammawellen oder über das sichtbare Licht. Über die Gravitationswellen können Forscher künftig mehr über die Phänomene erfahren, die sich bisher im nicht messbaren Bereich abspielten.

Stand: 11.02.2016, 17:00