Wissenschaft braucht einen langen Atem. Es gibt kaum ein besseres Beispiel für diese alte Einsicht als die nun entdeckten Gravitationswellen. Albert Einstein hatte 1915 seine allgemeine Relativitätstheorie vorgestellt und bereits ein Jahr später aus den Gleichungen hergeleitet, dass die Raumzeit auch Wellen schlagen kann. Er war sich allerdings sicher, dass man solche Gravitationswellen nie werde nachweisen können – ganz einfach weil sie viel zu schwach seien, um merkliche Effekte hervorrufen zu können. Denn Gravitationswellen lassen zwar Raum und Zeit erbeben – aber nur ganz leicht. Die Raumzeit ist nach Einsteins Theorie zwar dynamisch, jedoch gleichzeitig enorm starr.

Fast exakt 100 Jahre später hat der Nachweis nun doch geklappt: Am 14. September 2015 (das Datum steckt in dem Kürzel GW150914; GW steht für „Gravitationswelle“) konnte die internationale LIGO-Kollaboration ein Gravitationswellensignal direkt auffangen. Das wurde am 11. Februar diesen Jahres offiziell verkündet. Der physikalische Ursprung der Welle liegt über eine Milliarde Lichtjahren entfernt. Zwei Schwarze Löcher von der 36- und der 29-fachen Masse unserer Sonne verschmolzen zu einem einzigen Schwarzen Loch mit der 62-fachen Sonnenmasse. Die fehlenden drei Sonnenmassen wurden im Bruchteil einer Sekunde als Gravitationswellen abgestrahlt. Die Energiemenge war dabei rund 50-mal so groß wie die des sichtbaren Lichts, das alle Sterne im Universum in der gleichen Zeitspanne aussenden.

Die Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher führte in den mehreren Kilometer langen Messstrecken der beiden LIGO-Observatorien nur zu minimalen Längenänderungen, die den tausendsten Durchmesser eines Atomkerns ausmachen. Je näher man sich an einem solchen Ereignis befindet, desto größer ist der Effekt, weil sich die Energie der Gravitationswelle dann über weniger Raumvolumen verteilt. Hätte die Verschmelzung in der Entfernung der Erde zur Sonne stattgefunden, wäre unser Planet um rund einen Meter gestaucht und wieder gestreckt worden, was weltweit mittlere Erdbeben hervorgerufen hätte. Vermutlich wären andere Effekte einer solchen Verschmelzung aber weit unangenehmer für unseren Planeten gewesen. Ein Mensch wäre nur um etwa einen fünftel Mikrometer gestaucht worden – bemerkenswert harmlos für solch ein kosmisches Ereignis.

"Der erste Nachweis war bislang ganz klar das dominierende, kritische Ziel" – Vivien Raymond

Jahrzehntelang haben Wissenschaftler an den beteiligten Instituten auf den Moment des Nachweises hingearbeitet. Nun, da die Existenz von Gravitationswellen bewiesen ist, verschiebt sich der Fokus der Forschung. „Der erste Nachweis war bislang ganz klar das dominierende, kritische Ziel”, sagt Vivien Raymond vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam. Ab jetzt werde man nach unterschiedlichen Arten von Quellen suchen – und die verschiedenen Instrumente an die jeweiligen Suchkriterien anpassen.

Besonders interessant für die Forscher wird es, wenn sich eines dieser gewaltigen Ereignisse gleichzeitig auch mit normalen Teleskopen beobachten lassen sollte. So ist zum Beispiel die Natur der mächtigen Gammastrahlenausbrüche noch ungeklärt, die große Mengen an elektromagnetischer Strahlung abgeben und zu den leistungsstärksten Ereignissen im Universum gehören. „Wir hoffen herauszufinden, ob manche der Gammastrahlenausbrüche auf die Verschmelzung von Neutronensternen zurückgehen”, sagt Brian O'Reilly vom LIGO-Observatorium in Livingston, Louisiana.

LIGO besteht aus zwei Observatorien. Das zweite steht in Hanford im US-Bundesstaat Washington. Zurzeit entdecken Forscher mit herkömmlichen Gammadetektoren etwa 40 kurze Gammablitze pro Jahr. Sollte LIGO zur selben Zeit ein Gravitationswellensignal aus ungefähr der passenden Richtung liefern, wäre es schon ein außerordentlicher Zufall, wenn es sich nicht um dasselbe Ereignis handeln würde.

Die Wissenschaftler suchen aber auch nach Abweichungen von den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Das könnte ein Hinweis auf neue physikalische Theorien sein. Am meisten ist die Wissenschaft schließlich immer dann vorangekommen, wenn etwas Unerwartetes geschehen ist. So wissen die Physiker einerseits, dass die allgemeine Relativitätstheorie noch nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann: Sie beschreibt nur die Raumzeit und nicht die in ihr enthaltene Materie. Für Letzteres ist die Quantenphysik zuständig, die sich allerdings nicht mit der Relativitätstheorie in ihrer bekannten Form vereinigen lässt. Viele Theoretiker arbeiten deshalb an neuen Ansätzen, um die beiden großen modernen Theorien der Physik miteinander zu versöhnen.

Die Hoffnung dabei: Eine solche neue Theorie könnte auch neues Licht auf die Dunkle Materie werfen  oder sogar auf die Dunkle Energie. Schließlich machen diese unbekannten Materie- und Energieformen den größten Teil in unserem Universum aus. Der Anteil der uns bekannten, normalen Materie liegt gerade einmal bei knapp fünf Prozent. Nur durch eine möglichst präzise Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie können die Wissenschaftler herausfinden, an welchen Schräubchen sie beim Aufstellen neuer Theorien drehen müssen.

GW150914 – beinah zu perfekt, um wahr zu sein
© LIGO Laboratory
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Die entscheidenden Signale der beiden LIGO-Observatorien in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington.

GW150914 ist in dieser Hinsicht eine Enttäuschung. Das Signal war schon beinah zu perfekt, um wahr zu sein. Es sieht aus wie aus einem Lehrbuch für allgemeine Relativitätstheorie. Einigen LIGO-Wissenschaftlern war es deshalb zunächst ziemlich verdächtig: Sie vermuteten einen Test. Um wirklich sicherzugehen, dass alle Instrumente und Methoden funktionieren, gibt es bei LIGO nämlich ein spezielles Testverfahren, die so genannte blind injection, bei der echt aussehende Messergebnisse in den Datenstrom gespeist werden. Nur eine Hand voll Eingeweihter weiß, dass es sich bei diesen Einspeisungen um künstliche Signale handelt und nicht um echte Ereignisse.

Dieses hochgeheime Komitee hatte bereits in der Vergangenheit die Kollegen auf die falsche Fährte gelockt. Im Jahr 2010 etwa dachten die Wissenschaftler der Kollaboration, sie hätten das erste Gravitationswellensignal gesehen. Alles sah perfekt aus. Doch erst als die Kollaboration viel Arbeit in die Analyse und Aufarbeitung der Daten gesteckt hatte, offenbarte das geheime Komitee, dass es sich nur um ein künstliches Signal gehandelt hatte.

Natürlich waren nicht alle Forscher begeistert, als sich ihre spektakuläre Entdeckung im Nachhinein als Test entpuppte. Das aufwändige Testverfahren dient aber dazu, um wirklich alle Prozessschritte von der Datennahme bis zur wissenschaftlichen Publikation wasserdicht zu machen. Bei einer potenziell nobelpreisverdächtigen Entdeckung soll schließlich kein Fehler passieren. Zu oft gab es in der jüngeren Vergangenheit Beispiele, bei denen Wissenschaftler verfrühte oder unzureichend geprüfte Ergebnisse einer vornehmlich an Sensationen interessierten Öffentlichkeit bekannt gemacht hatten.

"Natürlich dachten einige von uns, das Komitee habe wieder zugeschlagen" – Vivien Raymond

Und als die Messkurve von GW150914 auf den Bildschirmen auftauchte, erschien sie erstmal verdächtig. Sie war beinah zu schön, um wahr zu sein. „Natürlich dachten einige von uns, das Komitee habe wieder zugeschlagen”, sagt Vivien Raymond. „Vor allem, wenn man sieht, wie klar, deutlich und perfekt das Signal ausschaute.”

Die diensthabenden Wissenschaftler fragten deshalb gleich bei ihren Kollegen vom Komitee an, ob dieses Mal auch ein Test vorgelegen habe. Doch die waren selbst überrascht, wie gut das Signal aussah. Gravitationswellenastronomie besitzt schließlich extreme Anforderungen an die Präzision bei den Messungen; sie ist ein ständiger Kampf gegen minimalste Schwankungen und Erschütterungen, um aus all dem Rauschen im Detektor irgendwie ein Signal herauslesen zu können.

Einen großen Vorteil gegenüber normalen Teleskopen besitzen Gravitationswellenobservatorien jedoch: Ihre Fühler sind in alle Richtungen ausgestreckt. Im Gegensatz zu einem Teleskop, das immer nur einen kleinen Ausschnitt am Himmel beobachten kann, haben sie immer den ganzen Himmel im Blick. Wenn mehrere Gravitationswellenobservatorien ein Signal auffangen, lässt sich aus dem Unterschied der Ankunftszeiten sogar die Richtung der Gravitationswellen berechnen. Noch ist das zwar nur ungefähr möglich – doch die Präzision wird immer weiter steigen und damit auch die Chance, Gravitationswellendetektoren als Frühwarnsysteme für die klassische Astronomie einzusetzen.

Gravitationswellendetektoren als Frühwarnsysteme für die klassische Astronomie

„Unsere Analysesoftware läuft durchgehend während der Beobachtungszeit”, sagt Ian Harry, der ebenfalls am Albert-Einstein-Institut in Potsdam arbeitet. „Damit können wir innerhalb einer Minute nach der Datennahme potenzielle Signale identifizieren.” Wenn ein solches Signal auftaucht, werden Rundmails um den Globus geschickt. Da LIGO eine weltweite, eng zusammenarbeitende Kollaboration ist, gehen diese E-Mails an Forscher in verschiedenen Zeitzonen, so dass man nicht erst warten muss, bis genügend Kollegen aufgewacht sind.

LIGO-Observatorium in Hanford
© LIGO Laboratory
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Nach einer kurzen Besprechung entscheidet eine Runde von etwa einem Dutzend Forschern, ob das Signal interessant genug ist, um eine Warnung an die Kollegen aus der traditionellen Astronomie zu senden. LIGO arbeitet hier unter anderem dem "Gamma-ray Coordinates Network" (GCN) zu, das die Suche nach Gammastrahlenausbrüchen koordiniert. Noch sind diese Strukturen im Aufbau. Die Wissenschaftler gehen aber davon aus, dass sie zunehmend zur Routine werden.

Befindet die Expertenrunde ein Signal tatsächlich für spannend genug, geht eine Warnung an alle assoziierten Institute. In dieser ist unter anderem festgelegt, absolutes Stillschweigen über mögliche Entdeckungen zu bewahren, bis die wissenschaftlichen Studien öffentlich sind. Als LIGO das Signal GW150914 einfing, war diese E-Mail-Liste noch nicht einmal vollständig aufgesetzt. Die Beobachtung geschah schon vor dem offiziellen Start der Anlage. Dennoch ging die Nachricht bereits an 63 Institute weltweit, von denen sich dann 25 an der Nachfolgeuntersuchung beteiligten.

Doch für dieses Mal scheint der Alarm vergebens gewesen zu sein: Nur der Satellit Fermi hatte im Zusammenhang mit GW150914 ein extrem schwaches elektromagnetisches Signal gesehen, das ungefähr aus der richtigen Richtung kam. Es ließ sich aber nicht der Gravitationswellenquelle zuordnen. „Ich denke, es handelt sich hier wahrscheinlich nur um eine zufällige Koinzidenz”, sagt Christopher Berry von der Universität Birmingham. „Dennoch hat dieser Fall schon einiges an Interesse hervorgerufen.”

Bei der Suche nach Gammastrahlenausbrüchen stehen die Forscher vor einem gewissen Dilemma. Je größer der Bereich ist, den ein Teleskop überblicken kann, desto weniger scharf kann es ein Ereignis üblicherweise lokalisieren. Vor allem die satellitengestützen Gammastrahlenobservatorien wie Swift mit dem Burst Alert Telescope und der Gamma-ray Burst Monitor an Bord von Fermi haben keine besonders scharfe Ortsauflösung. Dafür sehen sie Gammastrahlen in Wellenlängenbereichen, die durch die Erdatmosphäre absorbiert werden und dadurch für irdische Teleskope unsichtbar sind.

„Für Nachverfolgungsuntersuchungen mit optischen und Radioteleskopen gibt es Strategien, die grobe Richtungsangabe durch LIGO in Suchraster einzuteilen”, sagt Valerie Connaughton vom Science and Technology Institute der NASA. Der Wettstreit der Kollaborationen um eine große Entdeckung könnte dabei einer wohldurchdachten Suche durchaus im Weg stehen. Denn wenn alle Teleskope im Bereich der größten Wahrscheinlichkeit nach dem Nachglimmen einer Neutronenstern-Verschmelzung suchen, werden die Randbereiche vernachlässigt. Diese Prozeduren müssen sich im Lauf der Jahre wohl erst einspielen.

Am größten werden die Chancen auf eine Sichtung für optische und Radioteleskope mit ihrer hohen Auflösung sein, wenn eine Neutronenstern-Verschmelzung nahe genug stattfindet, um die stark strahlenden Trümmer der Kollision nachweisen zu können, die über Tage sichtbar sind. Man nennt diese Ereignis auch Kilonovae, weil sie schwächer als normale Supernovae strahlen.

Weltweit entstehen neue Gravitationswellendetektoren

Auf der Beobachtungsliste der Gravitationswellenforscher stehen neben Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen auch andere extreme Ereignisse. Einige davon lassen sich prinzipiell nur mit Gravitationswellendetektoren beobachten: Schwarzer Löcher etwa verschlucken alles Licht, auch wenn sie verschmelzen. Damit sind sie für normale Teleskope unsichtbar. Bei Supernovae wiederum sieht man nur die hell strahlende äußere Hülle. Mit Hilfe von Gravitationswellen könnte man die dramatischen Ereignisse im Innern aufklären.

Mit der jetzigen oder der nächsten Generation von Observatorien sollten solche Ereignisse sichtbar werden. Und je genauer die Ortsangabe durch die Gravitationswellenobservatorien dann ist, desto besser und schneller können die anderen Teleskope das Nachglühen solcher Ereignisse aufspüren. In Italien entsteht gerade das italienisch-französische Gemeinschaftsprojekt "Advanced Virgo", das noch dieses Jahr den Betrieb aufnehmen soll. In Deutschland steht mit GEO600 ein deutsch-britischer Detektor, der zwar etwas kleiner dimensioniert ist, aber wertvolle Technologieentwicklung für die anderen Observatorien betrieben hat. In Japan bauen Wissenschaftler am KAGRA-Detektor (Kamioka Gravitational Wave Detector), der mit besonderer Kühltechnik nochmals das Rauschen verringern soll. Dieses Observatorium soll 2017 die Arbeit aufnehmen. Und Indien plant ein Gravitationswellenobservatorium vom „advanced LIGO”-Typ, das 2022 in Betrieb gehen soll.

Mit all diesen Detektoren ist dann ein globales Netz gespannt, das den nächsten Schritt in die Gravitationswellenastronomie ermöglicht. Die Forscher erwarten in den nächsten Jahren, dutzende oder gar hunderte Gravitationswellenereignisse einzufangen.