Den aktuellen Artikel über die Entdeckung und wie sie gelang, lesen Sie unter "Endlich Gravitationswellen nach 100 Jahren gemessen".

Das Gravitationswellen-Observatorium LIGO hat am 11. Februar die Entdeckung der lang gesuchten Gravitationswellen verkündet. Fündig wurden die Forscher mit Hilfe ihrer riesigen Doppeldetektoren, einer davon in Livingstone in Louisiana, der andere in Hanford, Washington. Gemeinsam bilden sie das Advanced Laser-Interferometer Observatory oder kurz LIGO: Es soll ein schwaches Beben der Raumzeit aufgespürt haben, das durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher entstand.

Gravitationswellen im Internet
© fotolia / sakkmesterke
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernTipp: Verfolgen Sie hier die Pressekonferenz live im Internet

Wenn dem so ist, hätte LIGO, fast exakt 100 Jahre nachdem Albert Einstein diese Wellen in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagte, erstmals ihre Existenz belegt – doch die Bedeutung der Entdeckung reicht weit darüber hinaus. Wissenschaftler hoffen, künftig noch viel mehr derartige Wellen auffangen zu können und die Abermillionen Botschaften zu entschlüsseln, die sie in sich tragen: Willkommen in der Welt der Gravitationswellenastronomie.

Da sie aus Vibrationen in der Struktur der Raumzeit bestehen, lassen sich Gravitationswellen mit Schallwellen vergleichen (man hat ihre Wellenform sogar schon in Klangbeispiele übersetzt). Das sollte es Forschern unter anderem ermöglichen, ein Himmelsphänomen gleichzeitig zu "sehen" und zu "hören" – sie müssten dazu die Gravitationswellendaten mit Daten von herkömmlichen Teleskopen kombinieren, die im Radio- bis Gammabereich elektromagnetische Strahlung auffangen. Damit dürften sich ganz neue Erkenntnisse über ein Objekt gewinnen lassen. Weshalb die LIGO-Kollaboration bereits mit ihrem kleineren europäischen Gegenstück Virgo bei Pisa ein System eingerichtet hat, um Forscherkollegen bei einem interessanten Gravitationswellenausbruch unverzüglich zu alarmieren. Dadurch können diese die Suche nach dem korrespondierenden Ereignis zum Beispiel im Gammastrahlenbereich anstoßen.

Zudem sind LIGO und Virgo nicht allein auf Horchposten. In der Nähe von Hannover existiert bereits GEO600 – ein deutsch-britisches Experiment und Observatorium, das kleiner ist als Virgo –, in Japan entsteht zudem ein weiteres von vergleichbarer Größe.

Gravitationswellen
© NASA / Dana Berry, SkyWorks Digital
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernGravitationswellen
Während "katastrophaler" Ereignisse im All wie beim Urknall oder beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher entstehen Gravitationswellen, die die Struktur der Raumzeit beeinflussen (hier eine künstlerische Darstellung der Gravitationswellen). Ihre Existenz hat schon Albert Einstein vorausgesagt, und sie sind ein wichtiger Bestandteil der Inflationstheorie zur Entstehung des Weltraums nach dem Urknall.

Die Geschichte der Gravitationswellensuche hat einige ironische Wendungen genommen. Als LIGO in den 1990er Jahren um finanzielle Unterstützung durch die Vereinigten Staaten warb, waren die Hauptgegner bei der Anhörung im US-Kongress selbst Astronomen. "Die allgemein verbreitete Ansicht war damals, dass LIGO nicht viel mit Astronomie zu tun hat", sagt Clifford Will, der an der University of Florida in Gainesville an der allgemeinen Relativitätstheorie forscht und von Anfang an LIGO unterstützte. Doch die frühere Einschätzung hat sich längst geändert. Die folgende Aufzählung zeigt, welche Fragen und Phänomene eine "Ära der Gravitationswellenastronomie" zu erleuchten verspricht.

Existieren Schwarze Löcher wirklich?

Das Signal, das LIGO am kommenden Donnerstag den Gerüchten zufolge verkünden wird, soll angeblich von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern stammen. Ein solcher Vorgang gehört zu den energiereichsten, die man kennt – die dabei freigesetzten Gravitationswellen dürften kurzzeitig mehr Energie enthalten als das Licht aller Sterne im beobachtbaren Universum zusammengenommen. Fusionen Schwarzer Löcher liefern darum Gravitationswellensignale, die zu den eindeutigsten und am besten interpretierbaren gehören.

Die Verschmelzung beginnt damit, dass sich zwei einander umkreisende Schwarze Löcher in einer Spiralbewegung näher kommen und so Energie in Form von Gravitationswellen abstrahlen. Dabei entstehen Wellen mit einem charakteristischen Klang, den man auch als Chirp (Zwitschern) bezeichnet. An ihm lässt sich die Masse der beiden Objekte ablesen. Im darauf folgenden Schritt kommt es zur eigentlichen Verschmelzung. "Es erinnert an zwei Seifenblasen, die sich so weit aneinander annähern, bis sie irgendwann zu einer einzigen Blase werden", sagt Thibault Damour, ein Gravitationsphysiker am Institut des Hautes Études bei Paris. Dabei werde zunächst die größere Blase verformt. Wenn das resultierende Loch sich schließlich wieder in seine perfekte Kugelform begibt, sendet es den Vorhersagen zufolge Gravitationswellen in einem Muster aus, das die Experten als Ringdown bezeichnen.

Die größte wissenschaftliche Bedeutung einer solchen Entdeckung läge darin, dass sie endgültig die Existenz Schwarzer Löcher nachweisen würde – zumindest in Form jener vollkommen runden Objekte aus reiner, leerer und verbogener Raumzeit, als die sie die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt – und dass die Fusion solcher Löcher genau so vonstatten geht, wie sie von der Theorie vorhergesagt wird. Zwar haben Astronomen bereits eine Vielzahl von indirekten Belegen für solche Phänomene gesammelt, doch stammen diese sämtlich von Beobachtungen der Sterne und ultraheißen Gaswolken, die um Schwarze Löcher kreisen – und nicht von diesen selbst.

"Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat in letzter Zeit – ich bin da keine Ausnahme – eine ziemlich überhebliche Haltung zu Schwarzen Löchern eingenommen. Wir nehmen sie als gegeben hin", sagt Frans Pretorius, Experte für Simulationen der allgemeinen Relativitätstheorie an der Princeton University in New Jersey. "Aber wenn man bedenkt, was das für eine außergewöhnliche Vorhersage ist, dann braucht man eben auch außergewöhnliche Beweise."

Bewegen sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit fort?

Sobald Astronomen die Ergebnisse von LIGO mit den Daten anderer Teleskope vergleichen können, werden sie überprüfen, ob die einen Signale vielleicht minimal später bei der Erde ankommen als die anderen. Der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie zufolge sollten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit durchs All bewegen (von minimalen Effekten auf Grund der Expansion des Universums einmal abgesehen, die sich allerdings nur auf Distanzen bemerkbar machen, die den Suchradius von LIGO bei Weitem übertreffen).

Aber einmal angenommen, LIGO und Virgo würden Gravitationswellen einer Verschmelzung zweier Neutronensterne auffangen und ein klassisches Teleskop den damit einhergehenden Gammastrahlenausbruch, und es ergäbe sich eine minimale zeitliche Diskrepanz zwischen beiden – dann hätte dies enorme Konsequenzen für die Grundlagenphysik. Man nimmt an, dass die Schwerkraft durch ein Teilchen vermittelt wird, das man als Graviton bezeichnet – analog zum Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung. Wenn dieses Teilchen genau wie das Photon keine Masse hat, sollten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Nichts anderes erwarten die allermeisten Physiker. Aber möglich wäre es dennoch, dass Gravitonen eine winzige Masse haben – in diesem Fall sollte LIGO "langsame" Gravitationswellen sehen.

Hochpräzse Lasertechnik
© Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernHochpräzse Lasertechnik
Ein Mitarbeiter von LIGO inspiziert das Herzstück des Lasermesssystems, einen der Spiegel, auf Verunreinigungen. Die Suche nach Gravitationswellen verlangt nach einer unvorstellbar hohen Präzision.

Besteht die Raumzeit aus "kosmischen Strings"?

Eine noch merkwürdigere Entdeckung könnte es geben, wenn Gravitationswellendetektoren bestimmte "Ausbrüche" der Gravitationswellen feststellen würden, die von so genannten kosmischen Strings herrühren (die wiederum mit den Strings der Stringtheorie in Verbindung stehen könnten – oder auch nicht). Diese hypothetischen Störungen der Raumzeit wären unendlich dünn, aber sie würden sich über kosmische Entfernungen ausdehnen. Forscher haben vorhergesagt, dass – falls diese kosmischen Strings existieren – sie gelegentlich knicken würden; beim Knicken entstünden dann die Gravitationswellenausbrüche. Und diese müssten Detektoren wie LIGO oder Virgo im Prinzip aufspüren. Diese Strings zu entdecken, wäre jedoch noch kein Beweis für die Stringtheorie, da es auch noch andere Mechanismen gibt, die potenziell kosmische Strings erzeugen könnten.

Sind Neutronensterne schroff?

Neutronensterne sind Überbleibsel von Sternen, die unter ihrer eigenen Masse eingestürzt sind und sich dabei so verdichtet haben, dass die Elektronen und Protonen, aus denen sie bestanden, zu Neutronen verschmolzen. Ihre extreme Physik ist bisher kaum verstanden, aber Gravitationswellen könnten einen einzigartigen Einblick in diese Objekte ermöglichen. Die starke Gravitation an ihrer Oberfläche beispielsweise macht Neutronensterne fast perfekt rund. Aber einige Forscher haben Theorien entwickelt, nach denen es trotzdem "Berge" geben könnte – wenn auch nur von wenigen Millimetern Höhe –, die diese dichten Objekte mit ihrem Durchmesser von etwa zehn Kilometern einen Deut asymmetrisch machen würden. Weil Neutronensterne für gewöhnlich schnell rotieren, würde diese asymmetrische Masseverteilung die Raumzeit verformen und ein permanentes Gravitationswellensignal in Form einer Sinuswelle erzeugen, das Energie abstrahlen und die Rotation des Sterns kontinuierlich verlangsamen würde.

Zwei Neutronensterne, die sich umkreisen, würden ebenfalls ständig ein Signal abgeben. Genau wie zwei Schwarze Löcher würden sie in einer Spirale aufeinander zudriften und schließlich verschmelzen, wobei gelegentlich ein wahrnehmbares Zwitschern entstünde. Ihre letzten Augenblicke aber würden sich dramatisch von denen Schwarzer Löcher unterscheiden. "Es gibt eine Vielzahl an Möglichkeiten, abhängig von den Massen und davon, wie viel Druck eine neutronenverdichtete Masse ausüben kann", sagt Pretorius. So könnte der entstandene fusionierte Stern zum Beispiel ein Neutronenstern höherer Masse sein oder sofort weiter in sich zusammenstürzen und sich in ein Schwarzes Loch verwandeln.

Der Livingstone-Detektor
© Caltech / MIT / LIGO Lab
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDer Livingstone-Detektor
Um Gravitationswellen aufzuspüren, setzt man auf Laserlicht-Interferometrie: Ein Laserstrahl wird gesplittet und in zwei lange Röhren geleitet (hier im Luftbild erkennbar); am Ende der Röhren werden die Lichtwellen von einem Spiegel zurückgeworfen, so dass sie sich am Ausgangspunkt wieder treffen. Im Normalfall heben sie sich dort gegenseitig auf. Verzerrt jedoch eine Gravitationswelle die Raumzeit, variiert die Länge der beiden Röhren minimal – die Laserstrahlen löschen einander nicht länger aus und treffen stattdessen auf einen Detektor.

Warum explodieren Sterne?

Während manche einstürzenden Sterne zu Neutronensternen werden, verwandeln sich andere direkt in Schwarze Löcher. Astrophysiker sind davon überzeugt, dass dieser Vorgang der Antrieb für die verbreitete Sorte einer Supernovaexplosion vom Typ II ist. Simulationen dieser Supernovae konnten zwar bisher noch nicht eindeutig zeigen, was sie entzündet. Aber auf den "Knall" der Gravitationswellen zu achten, den man von echten Supernovae erwartet, könnte eine Antwort darauf geben. Welche Form haben die Gravitationswellen? Wie stark und häufig sind sie? Wie hängen sie mit der Supernova zusammen, wenn man diese auch mit anderen, elektromagnetischen Teleskopen betrachtet hat? All das könnte dabei helfen, die verschiedenen vorhandenen Modelle zu stützen oder zu verwerfen.

Wie schnell dehnt sich das Universum aus?

Die Expansion des Universums bedeutet für uns, dass entlegene, sich von uns entfernende Objekte von unserer Galaxie aus gesehen röter erscheinen, weil diese Bewegung ihre Lichtwellen unterwegs in die Länge zieht. Kosmologen schätzen die Ausdehnungsrate des Universums ab, indem sie die Rotverschiebung der Galaxien mit ihrer Entfernung von uns ins Verhältnis setzen. Diese Rotverschiebung wird aber für gewöhnlich mit der Helligkeit von Supernovaexplosionen eines bestimmten Typs, nämlich Ia, geeicht. Diese Methode lässt Raum für große Unsicherheiten.

Falls mehrere Gravitationswellendetektoren an verschiedenen Orten auf der Welt Signale vom selben Verschmelzen zweier Neutronensterne aufzeichnen würden, könnten sie eine gemeinsame Abschätzung der Gesamtstärke des Signals ermöglichen. Diese würde es erlauben, die Entfernung und Richtung des Ereignisses zu erschließen. Astronomen könnten dann bestimmen, in welcher Galaxie die Verschmelzung stattfand. Ein Abgleich der Rotverschiebung aus den Messungen anderer Teleskope mit der Entfernung des Verschmelzens aus der Stärke der Gravitationswellen könnte, verglichen mit den gegenwärtigen Methoden, eine unabhängige und womöglich genauere Abschätzung der kosmischen Ausdehnungsrate ermöglichen.

Dieser Beitrag erschien unter dem Titel "Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle" bei "Nature".