Als Bruce Allen am 14. September 2015 kurz vor der Mittagspause seine E-Mails durchsah, konnte er es erst nicht fassen: Die beiden LIGO-Detektoren in den USA sollen das Signal von Gravitationswellen gemessen haben? Mit seiner Arbeitsgruppe in Hannover ist der Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik maßgeblich an der Datenanalyse aller Detektoren des weltweiten Netzwerks beteiligt. Zwei seiner Mitarbeiter hatten das Signal als Erste auf ihrem Bildschirm bemerkt. Als es eintraf, war es in den USA Nacht, und die Kollegen dort schliefen.

"Es war selbst mit dem bloßen Auge so deutlich in den Rohdaten zu erkennen und sah so perfekt aus, dass wir anfangs Zweifel hatten, ob es echt war", erinnert sich Allen. "Wir glaubten zunächst, jemand könnte ein Testsignal in die Detektoren eingespeist und dann vergessen haben, uns das mitzuteilen." Auf diese Weise überprüfen die Physiker regelmäßig, ob alle Instrumentenkomponenten und Datenanalysemechanismen wie gewünscht funktionieren. Doch nach eingehender Untersuchung war klar: Das Signal GW 150914 kam tatsächlich aus einer fernen Galaxie. Zwei Schwarze Löcher waren dort ineinandergestürzt und miteinander verschmolzen.

Gravitationswellen entstehen, so sagt es die allgemeine Relativitätstheorie vorher, wenn sich Materie beschleunigt bewegt. Der Effekt ist umso stärker, je massereicher und kompakter die Objekte sind und je schneller sie sich bewegen. So versetzen etwa Supernova-Explosionen, zwei miteinander verschmelzende Neutronensterne oder eben Schwarze Löcher die Raumzeit in Schwingung. Dennoch sind auch Gravitationswellen, wie sie von solchen turbulenten Ereignissen zu erwarten sind, extrem schwach. Eine Herausforderung für die Messtechnik.

Deshalb hatten die Forscher des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ihre beiden Detektoren, einen an der West- und einen an der Ostküste der USA, erst kürzlich technologisch modernisiert. Wie alle Experimente des Netzwerks arbeiten sie nach dem Prinzip eines Michelson-Interferometers. Nach dem Upgrade sollten sie nach und nach in der Lage sein, zehnmal besser zu messen und schwächere Signale aus dem All einzufangen beziehungsweise weiter ins All hinauszuhorchen als zuvor. Damit erhöht sich die Ereignisrate an potenziellen Signalen sowie die Chance, eines einzufangen.

Gravitationswellen
© NASA, Ames Research Center, Christopher E. Henze
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Diese Kräuselungen der Raumzeit sind notorisch schwer nachzuweisen. Dank zweier verschmelzender Schwarzer Löcher konnten nun entsprechende Signale eingefangen werden.

Völlig unerwartetes Signal

Gerade waren die Wissenschaftler dabei, die Testphase mit den erneuerten Instrumenten erfolgreich abzuschließen, und siehe da, schon gingen ihnen die ersten Gravitationswellen ins Netz. "Das kam völlig unerwartet", sagt Karsten Danzmann, ebenfalls Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, das auch das deutsch-britische Experiment GEO600 betreibt, einen erdgestützten interferometrischen Gravitationswellendetektor in der Nähe von Hannover. Die Detektoren hätten alle wie geplant funktioniert, aber dass sie gleich so gut arbeiten und in der Lage sein würden, Gravitationswellen zu messen, habe niemand erwartet.

Jetzt stand den Forschern eine aufwändige Datenanalyse bevor, die mehrere Monate in Anspruch nehmen sollte. Nachdem sie sämtliche externe Störquellen, so auch seismische wie etwa Erdbeben, als Ursache für das Signal ausgeschlossen hatten, unterzogen sie es einem Signifikanztest. Dabei untersuchten sie die Wahrscheinlichkeit, mit der das Signal eine Fehlmessung auf Grund statistischer Schwankungen sein könnte. "Gerade bei Gravitationswellendetektoren sind solche Untersuchungen äußerst langwierig", erklärt Danzmann. "Unser Ereignis hat eine falsche Alarmwahrscheinlichkeit von 1 in 200 000 Jahren." Wissenschaftlich ausgedrückt entspricht das einer Signifikanz von mindestens 5,1. Damit gilt die Messung als zuverlässig. Oder wie es David Reitze von der LIGO-Kollaboration ausdrückt: "We did it!"

Schließlich ermittelten die Wissenschaftler aus der Wellenform, das heißt aus Frequenz und Amplitude der Messungen, die astrophysikalischen Eigenschaften der Quelle, welche die Gravitationswellen ausgesandt hatte. Die Forscher hatten zwei Schwarze Löcher mit 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen ertappt, die einander gerade noch ein Dutzend Mal umrundeten, bevor sie schließlich zu einem massereicheren Schwarzen Loch mit rund 60 Sonnenmassen verschmolzen.

Umkreisen sich diese kompakten Objekte in einem Doppelsystem, senden sie Gravitationswellen aus und verlieren dabei Energie. Dadurch laufen sie immer enger und schneller umeinander, Frequenz und Amplitude der emittierten Gravitationswellen nehmen zu. Während der letzten wenigen Orbits vor dem Crash sind diese Schwingungen der Raumzeit so stark, dass sie sich wie im Fall von GW 150914 auch noch in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren messen lassen. Übrigens dauerte das Signal gerade mal eine halbe Sekunde, denn die Schwarzen Löcher umkreisen sich zum Schluss mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Bis es die Erde erreichte, war es eine Milliarde Jahre unterwegs. Es stammt wahrscheinlich aus Richtung der Magellanschen Wolke, aber exakt lasse es sich nicht lokalisieren, so Gabriela Gonzàles von der LIGO-Kollaboration. Die Quelle befindet sich in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. In der letzten Sekunde, bevor die beiden Schwarzen Löcher fusionierten, setzten sie 50-mal mehr Energie frei als alle Sterne des Universums zusammen zum gleichen Zeitpunkt.

LIGO-Observatorium
© Caltech/MIT/LIGO Lab
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Hanford ist der Standort eines von mehreren großen Gravitationswellendetektoren.

Neue Erkenntnisse über Schwarze Löcher

Schwarze Löcher dieser Art können entstehen, wenn sehr massereiche Sterne am Ende ihres Lebens als Supernova explodieren. Dass die Überreste der Explosion aber eine derart große Masse haben könnten, hatten Fachleute allerdings bisher bezweifelt. "Mit dem Nachweis von Gravitationswellen haben wir zugleich die Existenz einer bestimmten Objektklasse bewiesen, von der wir zuvor gar nicht wussten, dass es sie gibt", so Bruce Allen.

Tatsächlich hat das Glück den Forschern bei ihrer Entdeckung auch ein wenig in die Hände gespielt. Denn dank der relativ hohen Masse des Systems huschten die Gravitationswellen von GW 150914 genau bei jenen Frequenzen durch die Detektoren, bei denen sie zurzeit bereits fast zehnmal empfindlicher sind als vor dem Umbau – zwischen 60 und 250 Hertz: ein gewaltiger Motivationsschub für die Physiker, die derzeit daran arbeiten, die Messgenauigkeit der Detektoren auch bei höheren Frequenzbereichen noch weiter zu verfeinern.

Während des nächsten sechsmonatigen Wissenschaftsbetriebs, der im Lauf des Jahres starten soll, erwarten die Forscher, regelmäßig Signale von Doppelsystemen mit stellaren Schwarzen Löchern wie GW 150914 in unterschiedlichen Entfernungen und damit aus unterschiedlichen Epochen einzufangen. Anhand einer ausreichend großen Stichprobe könnten sie dann etwas über die Geschichte solcher Systeme studieren. Doch das wird nur der Anfang einer neuen Ära sein. Genau 100 Jahre ist es her, seit Albert Einstein die Existenz von Gravitationswellen vorhersagte. Jetzt ist es gelungen, diese Schwingungen der Raumzeit experimentell direkt nachzuweisen. Damit ist das letzte von vier Postulaten der allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt.

Physiker haben nun ein Werkzeug an der Hand, mit dem sie die Gesetze der Gravitation auch unter extremen Bedingungen untersuchen können. Ob Einsteins Theorie auch in diesen Grenzbereichen konkurrierenden Ideen standhält, wird sich zeigen. Zudem könnten die Signale helfen, fundamentale Fragen der Physik zu klären.

Für die Astronomie tut sich mit dem Nachweis von Gravitationswellen jedenfalls ein weiteres Fenster zum Universum auf. Mit dem neuen Werkzeug können die Wissenschaftler auch die dunkle Seite des Kosmos erforschen – denn wir sehen nur einen winzigen Teil des Universums. 99 Prozent davon lassen sich nicht durch Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum (Licht, Radio- Röntgen-, Gammastrahlung) erfassen. Astronomen wissen aber, dass dieser dunkle Anteil der Wirkung der Gravitation unterliegt. "Diesen nun endlich auch erforschen zu können, darin liegt unsere größte Hoffnung", sagt Karsten Danzmann. Die Ergebnisse wurden schon in den "Physical Review Letters" veröffentlicht.