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Gravitationswellen: Großlabor mit Plumpsklo

Das neue Großexperiment Geo 600, wenngleich äußerst spartanisch angelegt, erlaubt deutschen und britischen Wissenschaftlern den Anschluss an die internationale Spitzenforschung in der Gravitationsphysik.


Außen pfui, innen hui – das ist der spontane Eindruck, der sich Besuchern des neuesten deutschen physikalischen Großexperiments nahe des Dorfes Ruthe bei Hannover aufdrängt. Wer nicht die fünfzehn Minuten Fußweg von der nächstgelegenen Bushaltestelle auf sich nehmen will, ist gut beraten, mit dem Auto anzureisen. An der Obstbau-Baumschule der Universität Hannover vorbei zweigt man an einer unscheinbaren Hütte nach links ab Richtung Hauptgebäude. Apfelbäume zur Linken, Acker zur Rechten, führt der Weg 600 Meter geradeaus. Zunächst fällt nur eine Wellblechabdeckung auf, die sich rechts angrenzend an dem Wirtschaftsweg entlangzieht. Weg und Abdeckung enden schließlich an einem Containergebäude, das den Charme einer großen Bauhütte ausstrahlt. Zwei kleinere Baracken und – etwas abseits neben einem Fernmeldemast gelegen – zwei Toilettenhäuschen Marke Toi-Toi vervollständigen das Bild.

Na prima, denkt der unbefangene Besucher, die Baustelle ist schon eingerichtet, wann wird das Forschungszentrum fertig sein? Die Überraschung folgt, wenn man die größte der drei Baracken betritt. Nach einer simplen Schleuse – bitte Straßenschuhe gegen die bereitgestellten Pantoffeln tauschen und die Laserschutzbrille aufsetzen – gelangt man in einen großen Raum, der unverkennbar ein physikalisches Labor enthält.

Der Container, so sieht man jetzt, ist über einer Grube errichtet, in der einige zylindrische Vakuumtanks auffallen, die mit dicken Röhren verbunden sind. Von einem der Tanks führen zwei wuchtige Rohre durch die Wand des Containers nach außen – eines nach rechts und das andere durch die dem Eingang gegenüberliegende Wand. Auf einer Plattform in der hinteren rechten Ecke des Raumes stehen mehrere Computer und Schränke mit Anzeige- und Bedienungselementen, an denen sich zwei Mitarbeiter – ebenfalls mit Laserschutzbrille ausgestattet – zu schaffen machen.

Willkommen im Hauptgebäude! Sie sehen Geo 600, den Gravitationswellendetektor, ein physikalisches Großexperiment ersten Ranges, das der Wissenschaft ein völlig neues Blickfenster in den Kosmos öffnen soll!

In der Tat: Was sich hier im Inneren der provisorisch anmutenden Baracken verbirgt, ist Hightech vom Feinsten. Geo 600 ist ein hochmodernes Laserinterferometer zur Messung kleinster Längenänderungen. Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern – also im Infraroten und für das menschliche Auge nicht sichtbar – wird zunächst durch einen halbdurchlässigen Spiegel geteilt. Die beiden Teilstrahlen durchlaufen die senkrecht zueinander stehenden, jeweils 600 Meter langen Messstrecken, die in Gräben entlang der Wirtschaftswege führen, werden an deren Enden reflektiert, treffen im halbdurchlässigen Spiegel wieder aufeinander und erreichen dann einen Fotodetektor. Weil sich die wiedervereinigten Strahlen überlagern, entsteht auf dem Detektor ein Interferenzmuster: Dort, wo die Wellen im Gegentakt schwingen, löschen sie sich aus, und es bleibt dunkel. Schwingen sie im Gleichtakt, verstärken sie sich, und die Helligkeit ist maximal.

Das Zittern der Raumzeit

Im Prinzip stehen solche Laserinterferometer in vielen physikalischen Labors der Welt. Was aber Geo 600 von diesen Laborgeräten unterscheidet, ist neben der viel größeren Dimension die enorme Messgenauigkeit. Und die ist kein Selbst-zweck, sondern wissenschaftliche Notwendigkeit. Denn die Forscher, die Geo 600 betreiben, sind auf der Suche nach etwas, was noch kein Mensch jemals direkt gemessen oder registriert hat: Gravitationswellen. Jedes Mal, wenn irgendwo im Kosmos Massen von der Größenordnung von Sternen kollidieren, beschleunigt werden oder gar explodieren, sollte dies kurzfristig das Raum-Zeit-Gefüge stören, wie bereits der Physiker Albert Einstein vor rund neunzig Jahren erkannte. Dieses Zittern der Raumzeit würde sich dann, so die Theorie, mit Lichtgeschwindigkeit nach allen Seiten ausbreiten und den Raum abwechselnd dehnen und stauchen. Ähnlich wie bei seismischen Wellen, die das Erdinnere durchlaufen, würden sich dabei die Abstände benachbarter Materieteilchen periodisch ändern.

Sollte eine Gravitationswelle Geo 600 passieren, dann müsste sich für den Bruchteil einer Sekunde die Länge der beiden Interferometerarme relativ zueinander verändern – allerdings nur um etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons. Um diese winzige Längenänderung im Interferenzmuster zu erkennen, ist nicht nur eine außergewöhnliche Präzision in der Durchführung des Experiments vonnöten. Die Anlage muss auch nach allen Regeln der Kunst von äußeren Störungen wie seismischer Unruhe, künstlichen Bodenerschütterungen und Schwankungen der Temperatur und des Luftdrucks entkoppelt werden.

Müssen Forscher Asketen sein?

Wer Geo 600 sieht, begreift, dass fast jeder Euro des Budgets in die wissenschaftliche Apparatur geflossen ist. Das hat einen guten Grund. Die Pläne für einen Gravitationswellendetektor dieser Art gehen auf Ende der 80er Jahre zurück. Doch bedingt durch die deutsche Wiedervereinigung war die Finanzierung von Großforschungsexperimenten so gut wie unmöglich. Die 150 Millionen Mark, die diese Anlage hätte kosten sollen, standen nicht zur Verfügung. Die Wissenschaftler gaben jedoch nicht auf; sie machten aus der Not eine Tugend. Unter Ausnutzen aller Synergien und unter fast völligem Verzicht auf Infrastruktur konnten sie die Kosten auf ein Zehntel der ursprünglichen Summe drücken. Ohne Einfallsreichtum und Selbstkasteiung würde es Geo 600 heute nicht geben.

Damit ist es der deutschen Forschung nach Jahrzehnten der Vernachlässigung wieder gelungen, in der Gravitationsphysik im internationalen Spitzenfeld mitzuwirken. Geo 600 ist zwar weit kleiner und billiger als die derzeit in Betrieb gehenden beziehungsweise im Bau befindlichen Gravitationswellendetektoren in den USA und in Italien. Wegen der ausgeklügelten Technik ist die Anlage jedoch genauso leistungsfähig (siehe Spektrum der Wissenschaft 12/2000, S. 48). Der Stolz über das Erreichte war den Betreibern von Geo 600 – dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), der Universität Hannover und britischen Wissenschaftlern von den Universitäten Cardiff und Glasgow – auf der Einweihungsfeier Mitte Mai deutlich anzumerken.

Allerdings wirft die Askese der Wissenschaftler auch Fragen auf. War Grundlagenforschung in Deutschland bisher zu teuer? Sind Großexperimente künftig nur zu einem Bruchteil der veranschlagten Kosten möglich? An Technik und wissenschaftlicher Qualität lässt sich nicht noch mehr sparen. Aber gewiss kann die Lösung der Finanzknappheit nicht darin bestehen, dass man Doktoranden die Kaffeemaschine entzieht und sie auf ein Plumpsklo setzt. In dieser Hinsicht kann Geo 600 kein Vorbild für künftige Großexperimente sein. Wissenschaft lebt von und mit Wissenschaftlern. Für das Mitwirken an attraktiven Forschungsprojekten mag mancher Student oder Postdoktorand zahlreiche Entbehrungen in Kauf nehmen. Doch letztlich ist es auch das Umfeld, das Wissenschaft für junge Talente attraktiv macht und ihr ein menschliches Gesicht verleiht.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002, Seite 102
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
7 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002

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