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Tagebuch: Der Tanz der Schwarzen Löcher

Zu Ehren von Jürgen Ehlers | Gastgeber und MPI-Direktor Bernard Schutz erinnert an den großen Relativitätstheoretiker.
Neulich betrat ich nach langer Zeit mal wieder den Tempel der deutschen Schwerkraftforschung, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Gelegen ist dieser Tempel der theoretischen Physik vor den Toren von Potsdam, inmitten eines Wissenschaftsparks mit zahlreichen Instituten aller Gattungen.

Als wir uns den Gebäuden im trüben Winterlicht nähern, geraten Schneeberge um die Glas- und Stahlarchitektur der Denkfabrik ins Blickfeld. Ziel ist das Gedächtniskolloquium für Jürgen Ehlers, der dieses Institut nach der Wende gründete und in dessen Gruppe auch ich mehrere Jahre als Wissenschaftler geforscht habe. Im letzten Dezember wäre der Doyen der Relativitätstheorie 80 Jahre alt geworden, vor zwei Jahren ist er, er wollte gerade in sein Institut aufbrechen, unerwartet verstorben ("Jürgen Ehlers und die Relativitätstheorie").

Ehlers hatte nach dem Zweiten Weltkrieg seinen Weg aus der Hamburger Gruppe des legendären Quantenphysikers Pascual Jordan über Stationen in den USA nach München in die Max-Planck-Gesellschaft gefunden. Topstars der Branche haben sich heute eingefunden – allesamt frühere Schüler oder Kollegen, einige sogar noch aus Zeiten der Jordangruppe in Hamburg.

Als Wissenschaftler hat Jürgen Ehlers sich selten darum gekümmert, die einfachen Früchte zu pflücken. Wenn sich fundamentale Forschungsfragen als Felsen und Klippen in den Strom der Erkenntnis stellten, dann überließ er es gerne anderen, sich in kleinen Ruderbooten darum herumtreiben zu lassen, um so rascher ins Tal zu gelangen. Sich so eine Haltung zu leisten, erfordert natürlich nicht nur eine unkündbare Stelle in der Wissenschaft – die haben auch andere. Vor allem braucht es dazu tiefe Einsicht, hohes mathematisches Können und einen langen Atem. Ehlers besaß dies alles.

Dabei ist es für einen durchschnittlichen Physiker gar nicht immer einfach zu erkennen, was wirklich wichtig ist und somit ein fundamentales Forschungsthema sein könnte. Drei Vorträge gab es an diesem Tag, und alle betrafen Probleme, die Ehlers als grundsätzlich einstufte und die er hartnäckig über Jahre selbst verfolgte: die Bewegung von Himmelskörpern, das Verhältnis von Newtons zu Einsteins Schwerkraft sowie Gravitationslinsen im All.

Wie kollidieren zwei Schwarze Löcher?

Thibault Damour | Der Physiktheoretiker lehrt am Institut des Hautes Études Scientifiques bei Paris.
Zuerst trat Thibault Damour ans Rednerpult, ein ebenso brillanter wie charmanter Theoretiker aus Paris. Wie sich Körper bewegen, hat Forscher schon seit Aristoteles, Galilei, Kepler, Ernst Mach und Einstein beschäftigt. Heute wird berechnet, wie zwei Sonnenmassen schwere Körper einander umkreisen, Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Am Ende des kosmischen Tanzes verlieren sie so viel Bahnenergie durch Gravitationswellen, dass sie in einer Spiralbewegung ineinander stürzen und dabei in einer katastrophalen Konvulsion miteinander verschmelzen.

Diesen Prozess zu berechnen erfordert akrobatische Mathematik, wie sie bereits vor Jahren geschaffen und seitdem in verschiedenen Forschergruppen weiterentwickelt wurde. Doch erst seit Kurzem stehen auch Computersimulationen solcher kosmischen Kollisionen zur Verfügung, die sozusagen als Ersatz für eine Beobachtung den vorläufigen Prüfstein für die theoretische Vorhersage abgeben müssen. Was wird analytisch berechnet beziehungsweise im Rechner simuliert? Es sind die genauen Formen der Schwerewellen, die fern vom Geschehen auf der Erde in die Antennen für Gravitationswellen einschlagen sollten. Wie Damour vorführen konnte, stimmen analytische Berechnung sowie numerische Simulation mit erstaunlicher Präzision überein. Das schafft Vertrauen in die Zukunft der Astronomie mit Gravitationswellen.

Sternengesang des Kosmos

Die Forscher vom MPI für Gravitationsphysik haben sich einen – wissenschaftlich seriösen – Scherz geleistet: Sie machen das Universum hörbar. Sie transformieren das Gravitationswellensignal aller Doppelsterne und ihrer Kollisionen in Schallwellen und verschieben die Frequenzen in den hörbaren Bereich. Was von Ferne an die Walgesänge des Meeres erinnert, bildet hier sozusagen den Sternengesang des Kosmos.


LISA macht das Universum hörbar

Der für Ende des Jahrzehnts geplante Weltraumdetektor für Gravitationswellen, LISA, wird das gesamte Universum ausmessen. Die dann erwarteten Daten simulieren Wissenschaftler bereits jetzt und machen sie sogar hörbar: Dafür wurden sie in für Menschen wahrnehmbare Frequenzen umgewandelt, eine Minute Aufnahmedauer entspricht einem Jahr. Hören Sie zu, wenn Schwarze Löcher im fernen Universum miteinander verschmelzen, während im Hintergrund Tausende Doppelsternsysteme in der Milchstraße die Raumzeit ins Schwingen bringen. (Die mp3-Datei wird durch Klick auf die Play-Taste abgespielt.)



Der zweite Vortrag befasste sich mit einer These, die jeder Physikstudent in den Anfangssemestern über Einstein lernt: Das Schwerkraftgesetz von Newton ist, so lernt man dort fast nebenbei, eine Näherung der einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie. Die Berechnung dieser Approximation ist knapp und gilt für Situationen, wie sie etwa im Sonnensystem herrschen: schwache Anziehungsfelder, kleine Geschwindigkeiten. Ein Student nimmt das zur Kenntnis und beschäftigt sich mit schwierigeren Fragen.

MPI im Schnee | Am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik fand jüngst ein Gedächtniskolloquium für den Doyen der Relativitätstheorie Jürgen Ehlers statt.
Doch das ist wie mit Mozart: zu leicht für Amateure, zu schwer für Profis. Jürgen Ehlers hat auch hier die Legende eines "leichten Problems" zerstört. Mathematisch ernst genommen, geht es um den Übergang von einer relativistischen Raumzeit in ein Kraftfeld in Newtons dreidimensionalem Raum – eine knifflige Sache! Wie der kanadische Theoretiker Todd Olinyk von der Monash University in Melbourne vortrug, lässt sich das leichte Problem inzwischen tatsächlich weit gehend knacken – jedoch durchaus gestützt auf halsbrecherische und anspruchsvolle mathematische Werkzeuge.

Der Kosmos gesehen durch Gravitationslinsen

Besonders lehrreich für die Astrophysik war das dritte Thema, die Welt der Gravitationslinsen. Schon 1916 zeigte Albert Einstein, dass das Licht ferner Sterne am Rand der Sonne auf dem Weg zur Erde um einen geringen Winkel abgelenkt werden sollte. Drei Jahre später kam der Durchbruch: Am 29. Mai 1919 konnte der englische Astronom Arthur Eddington die vorhergesagte Lichtablenkung bei einer Sonnenfinsternis, die er auf der Vulkaninsel Principe im Golf von Guinea in Westafrika beobachtet hatte, direkt bestätigen.

Auch dieser Effekt wird heutzutage in Vorlesungen in wenigen Zeilen mathematisch abgeleitet. Die Lichtablenkung firmiert seitdem als Standardtest für Einsteins Gravitationstheorie. Erst in den 1970ern erkannten Forscher wie Ehlers und andere, dass das himmlische Licht fast aller kosmischen Objekte in irgendeiner Form und zum Teil dramatisch ab- und umgelenkt wird, bevor es die Erde erreicht. Sensationell war etwa die Entdeckung eines Quasars, dessen Licht durch eine große Materieansammlung zwischen uns und ihm gleich vier Abbilder aufs Firmament zaubert – ein echter Vierfachquasar! Andere Linseneffekte produzieren Lichtbögen oder gar "Einsteinringe".

Wie nun Peter Schneider von der Universität Bonn vorführte, ist Gravitationslinsenforschung längst zu einem eigenen Zweig der Astronomie geworden. Schneider begann seinen Weg bei Jürgen Ehlers und verfasste mit ihm zusammen das Standardwerk zu diesem Thema. Es geht um das Grundthema der Astronomie: Blicke in den Himmel und versteh', was du siehst! Das deformierte und vielfach abgelenkte Licht lässt die Forscher längst die dem Auge oft verborgene Verteilung der kosmischen Materie entschlüsseln. Dunkle Materie zählt heute neben der noch geheimnisvolleren Dunklen Energie zu den großen Rätseln aktueller Weltmodelle. Mit der Gravitationslinsenastronomie kommt man ihnen teilweise auf die Spur.

Jürgen Ehlers hätte diesen Vorträgen sicherlich vergnügt zugehört. Es hätte ihn darin bestätigt, dass es sich lohnt, dicke Bretter zu bohren und zugleich den Charme zu entfalten, andere und jüngere Kollegen für dieselben Rätsel der Mathematik einerseits sowie der Natur andererseits zu begeistern. Thibault Damour zitierte dazu den großen französischen Mathematiker und Theoretiker Henri Poincaré: "Probleme werden niemals wirklich gelöst. Sie sind stets nur mehr oder weniger gelöst."

Reinhard Breuer
Chefredakteur von Spektrum der Wissenschaft

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