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Gravitationswellen: "Die Signale werden zur Routine werden"

Am 14. September 2015 detektierte das Projekt LIGO mit Hilfe zweier Observatorien in den USA zum ersten Mal Gravitationswellen, die bereits Einstein mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte. An der Entdeckung war auch ein Team um Karsten Danzmann, Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover, beteiligt. Ein Gespräch über die Ereignisse und ihre Folgen.
Veranschaulichung von GravitationswellenLaden...

Soweit ich richtig informiert bin, haben Sie nie daran gezweifelt, dass man Gravitationswellen früher oder später nachweisen wird. Was machte Sie so sicher?

Danzmann: Sowohl die Relativitätstheorie von Einstein als auch alle anderen alternativen Theorien für die Gravitation sagen irgendeine Art von Gravitationswellen vorher. Also gab es eigentlich keinen Zweifel, dass sie existieren. Da man jedoch noch sehr wenig über ihre Erscheinungsform wusste, war eben die Unsicherheit sehr groß. Es ließ sich nur mit riesigen Fehlerbalken vorhersagen, wie empfindlich die Geräte sein müssen, damit man eine vernünftige Chance hat, ein Signal zu finden. Doch dementsprechend war es nur eine Frage der Messtechnik und vielleicht des Gehirnschmalzes, dass man sie auch eines Tages tatsächlich aufspürt.

Einstein hingegen hat, rund 20 Jahre nachdem er mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen vorhergesagt hatte, wieder deren Existenz bestritten. Weshalb kamen ihm Zweifel?

Historisch ist nicht ganz klar, was er wann genau gedacht hat. Soweit ich weiß, hat er seine Meinung mehrfach geändert. Irgendwann zweifelte er wirklich, ob es Gravitationswellen in einem physikalischen Sinn tatsächlich gibt. Gegen Ende seines Lebens hat er aber wieder an ihre Existenz geglaubt. Er hat es allerdings nicht für möglich gehalten, dass man jemals genügend empfindliche Geräte haben würde, um sie nachzuweisen.

Wieso konnte man denn überhaupt daran zweifeln?

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Karsten Danzmann

Man muss sehen, wie wenig man die Theorie verstanden hatte – selbst Einstein. Die Gravitationswellen sind Näherungslösungen von sehr komplizierten Gleichungen. Da ist es nicht unbedingt klar, ob man durch die Näherung womöglich irgendetwas in die Theorie eingebracht hat, was in der "richtigen" Form überhaupt nicht mit drin war. Tatsächlich waren sich die theoretischen Astrophysiker erst in den 1960er Jahren sicher, dass Gravitationswellen in einem physikalischen Sinn wirklich existieren – dass sie also Energie transportieren und auch mit der realen Welt wechselwirken. Denn nur dann lassen sie sich auch detektieren, ansonsten wären es nur mathematische Gebilde.

Die Gravitationswelle, die Sie und Ihre Kollegen im September 2015 schließlich detektierten, wanderte rund 1,3 Milliarden Jahre durchs Universum – und einen Tag bevor sie hier vorbeikommt, schalten Sie die Geräte ein.

Es war sogar noch erstaunlicher. Die Detektoren waren eigentlich noch gar nicht in Betrieb. Es war eine Testphase, in der wir versuchten, die Sensitivität und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Am allerersten Tag, als die beiden Detektoren stabil und mit vernünftiger Empfindlichkeit liefen, entschied das Steuerungsteam in den USA, die Geräte einfach mal laufen zu lassen und zu schauen, wie sie sich verhalten würden. Genau in dieser allerersten Nacht, hier in Deutschland war es 11.50 Uhr am Morgen, rauschte die Gravitationswelle vorbei. Zwei unserer Mitarbeiter saßen bei uns im Institut vor dem Computer und haben den Warnhinweis gesehen. Wir hielten es aber zunächst für ein Testsignal.

"Genau in dieser allerersten Nacht rauschte zufällig die Gravitationswelle vorbei"

War das Timing also ein glücklicher Zufall?

Ja, das muss man wohl zugeben. Es hatte auch niemand diese schweren Schwarzen Löcher auf dem Schirm, die ein so starkes Signal produzieren. Alle haben damit gerechnet, dass die ersten detektierten Signale schwach sein würden. Dann hätte man lange diskutieren müssen, worum es sich dabei handelt. Wir haben angenommen, die ersten Signale würden von Neutronensternen stammen. Aber dieses dicke, fette Signal war einfach reines Glück!

Können wir in Zukunft häufiger mit Gravitationswellen rechnen?

Bestimmt. Jetzt haben wir eine ausreichende Empfindlichkeit, und die Signale werden zur Routine werden. Es kamen ja schon zwei weitere Schwarzes-Loch-Signale. Wenn wir im Dezember wieder anfangen Daten aufzunehmen, werden wir voraussichtlich alle paar Wochen, wenn nicht jede Woche, so ein Ereignis detektieren. Das ist ganz einfache Statistik: Ein Signal sagt einem gar nichts, bei zwei weiß man schon etwas mehr, aber bei drei ist klar, dass die Ereignisse wohl Teil einer Population sind und man mit weiteren rechnen kann. Danach sieht es momentan aus.

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Gravitationswellen | Tanz der dunklen Giganten: Zwei Schwarze Löcher umkreisen einander in geringem Abstand. Ihre jeweiligen Gravitationsfelder sind so stark, dass sie das Gefüge der Raumzeit extrem verzerren. Dadurch erscheint das von entfernten Sternen und Galaxien kommende Licht in ihrer Umgebung stark abgelenkt. Die Computersimulation beruht auf den Daten der LIGO-Detektoren und zeigt zwei Schwarze Löcher mit der 29- und der 36-fachen Sonnenmasse wenige hundertstel Sekunden vor ihrer Verschmelzung.

Die beiden Observatorien stehen in den USA. Die deutsche Gravitationswellenforschung hat aber einen sehr beträchtlichen Anteil zum Erfolg beigetragen. Können Sie darauf etwas näher eingehen?

Deutschland hat eine lange Tradition in der Gravitationswellenforschung. Bereits vor 50 Jahren fing das an, als Ende der 1960er Jahre – noch bevor es Laserinterferometer gab – der US-amerikanische Physiker Joe Webber behauptete, er hätte mit seinen Zylinderantennen ein Gravitationswellensignal aufgefangen. Es war schließlich eine deutsche Forschungsgruppe der Max-Planck-Gesellschaft, die zeigen konnte, dass er falschlag. Mitte der 1970er Jahre baute dieselbe Gruppe dann den ersten ernst zu nehmenden Prototyp eines Laserinterferometers als Gravitationswellendetektor. Dieser hielt über die folgenden Jahrzehnte sämtliche Empfindlichkeitsrekorde. Die Vorschläge in den 1990er Jahren für den Bau von kilometerlangen Detektoren basierten im Wesentlichen auf den Resultaten aus der deutschen Gravitationswellenforschung. Ich würde sagen, Deutschland war bis dahin auf diesem Forschungsgebiet führend. Dann beschlossen Mitglieder des Bundesministeriums im Jahr 1992, die Gravitationswellenforschung nicht weiter zu fördern – aus heutiger Sicht wohl eine Dummheit. Gleichzeitig hat sich in Amerika die gegenteilige Ansicht durchgesetzt, und innerhalb kürzester Zeit haben sich die Verhältnisse verändert. Es ist also eher ein historischer Zufall, dass die Detektoren in den USA stehen.

Weshalb stand man denn in Deutschland der Gravitationswellenforschung so skeptisch gegenüber?

Na ja, so wie Einstein selbst seine Zweifel hatte, haben eben auch viele andere nicht daran geglaubt. Es ist ja bis heute noch kaum vorstellbar, was wir da für minimale Abweichungen messen – ein Zehntausendstel eines Protonendurchmessers. Das ist selbst für uns jeden Tag unglaublich. Ende der 1980er Jahre war die vorherrschende Meinung, wir wären Exoten und würden niemals erfolgreich sein. Man sollte also für die damalige Entscheidung, die Gelder zu streichen, auch etwas Verständnis aufbringen.

Aber Sie haben ja dennoch weitergemacht und schließlich einiges zum Experiment beigesteuert.

Wir haben uns in Deutschland darauf spezialisiert, Hochtechnologie zu entwickeln. Gewissermaßen mit unseren eigenen Händen haben wir einen kleinen, günstigen Detektor gebaut, GEO600. An diesem haben wir Technologien der nächsten Generation erprobt. Mittels dieser Technik konnte man LIGO nach fünf Jahren Umbauzeit so viel sensitiver machen, dass wir schließlich die Gravitationswellen detektieren konnten.

Was genau kann man sich unter dieser Technologie vorstellen?

Etwa die Hochleistungslasersysteme, die das Herz der Detektoren bilden. Diese haben wir nicht nur in Hannover entwickelt, sondern sogar hier gebaut und schließlich in den USA installiert. Ferner stammen zum Beispiel die Spiegelaufhängungen von uns und das optische Layout. Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Dinge, die aber lediglich dem Fachmann etwas sagen.

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Gravitationswellen-Ereignis | Die numerische Simulation und Visualisierung des Gravitationswellen-Ereignisses GW151226 zeigt die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.

Das waren die experimentellen Komponenten. Wie sieht es mit den Analysemethoden bezüglich des Signals aus?

Man braucht zwei Dinge: synthetische Wellenformen, die als Vergleich dienen, und Suchalgorithmen, welche die Daten nach bestimmten Signalformen durchforsten. Zu Letzteren zählen etwa das stochastische Untergrundrauschen und Signale von rotierenden Pulsaren oder von kompakten Doppelsternsystemen – die eigentlichen Paradequellen. Dann gibt es noch einen Algorithmus, der nach keiner bestimmten Signalform sucht, sondern schlicht nach einem ungewöhnlichen Ereignis, das auch in dem anderen Detektor innerhalb plus/minus zehn Millisekunden auftaucht. Tatsächlich war es dieser unbestimmte Suchalgorithmus, der am 14. September 2015 angeschlagen hat. Rund die Hälfte der Computerpower, die für diese Suche eingesetzt wird, steht hier bei uns im Keller. Die Wellenformen, um die Signale zu finden, haben Kollegen an unserem anderen Standort in Potsdam entwickelt.

"Das wirft unsere Vorstellung der Sternenevolution durcheinander"

Als schließlich sicher war, dass man eine Gravitationswelle detektiert hatte, hörte man von Beteiligten Aussagen wie "eine Revolution der Astrophysik" oder "eine neue Ära der Astronomie". Weshalb?

Alles, was wir über unser Universum wissen, stammt von elektromagnetischen Wellen irgendeiner Art wie Röntgen- oder Radiowellen, sichtbarem Licht und so weiter. Aber mehr als 99 Prozent unseres Universums sind dunkel. Dieser Teil sendet also keinerlei elektromagnetische Strahlung aus. Wir wissen dagegen, dass alles im Universum der Schwerkraft unterliegt, und alles, was Strukturen bildet, strahlt Gravitationswellen ab. Das passiert dort, wo die Materie dicht ist und sich schnell bewegt ­- und dann wird eben keine elektromagnetische Strahlung ausgesendet. Wir haben also eine neue Methode, die dunkle Seite des Alls zu erforschen.

Man kann demnach nun unsichtbare Dinge im Weltraum aufspüren – darunter Schwarze Löcher, wie eben mit dem ersten Signal gezeigt wurde. Die Existenz dieser Gebilde war davor bereits allgemein akzeptiert, jedoch ohne einen finalen Beweis zu haben. Wurde nun endgültig gezeigt, dass es Schwarze Löcher gibt?

Ja, dies ist das erste Mal, dass sich Schwarze Löcher direkt detektieren ließen. Denn wie der Name schon sagt, sind sie schwarz und senden keine elektromagnetische Strahlung aus, bis auf die zu schwache Hawking-Strahlung. Die einzige Strahlung, die man nachweisen kann, sind eben die Gravitationswellen.

Aber ist denn mit 100-prozentiger Sicherheit klar, dass das Signal von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern stammte?

Jein. Das Signal ist vollständig kompatibel mit dem Modell der verschmelzenden Schwarzen Löcher. Allerdings besteht noch die Möglichkeit, dass es sich bei der Quelle um ein noch exotischeres Objekt handelt, wie eine so genannte nackte Singularität oder einen Bosonenstern. Gebilde, über die man kaum etwas weiß, nicht einmal, ob sie überhaupt existieren. Ich würde es so formulieren: Das Signal stammte mindestens von so exotischen Erscheinungen wie Schwarzen Löchern.

Was genau verraten denn die Wellen über die beiden Schwarzen Löcher?

Das müssen wir erst noch herausfinden. Jetzt sind wir zunächst mal erstaunt, dass es solche Dinger überhaupt gibt. Das wirft unsere Vorstellung der Sternenevolution durcheinander. Laut herkömmlichen Sternentwicklungsmodellen können solche Schwarzen Löcher gar nicht entstanden sein. Man ist gerade dabei, Szenarien zu entwickeln, die das erklären können.

Und in Bezug auf die allgemeine Relativitätstheorie: Sind wir mit der Entdeckung der Gravitationswellen am Ende angelangt, oder geht die Reise weiter?

Letzteres. Natürlich ist das die präziseste Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie, die uns heute zur Verfügung steht. Doch wir wissen alle, dass die Theorie unvollständig ist. Sie kann mit ganz kleinen Teilchenabständen, wie sie bei der Entstehung des Universums geherrscht haben, nicht funktionieren. Irgendwann, sobald wir genau hinschauen können, werden wir Abweichungen sehen – aber bis heute weiß keiner, wie genau wir werden müssen.

Bedeutet das, dass man in Zukunft mit Gravitationswellendetektoren testen wird, ob die aufgefangenen Signale systematisch von Einsteins Theorie abweichen? Etwa in der Art, dass man zusätzliche Terme braucht – zum Beispiel solche, wie sie die Stringtheorie vorschlägt?

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LISA Pathfinder | Mit der Weltraummission LISA Pathfinder haben Forscher die neue Technologie für ein Gravitationswellenobservatorium im All – LISA – getestet. LISA Pathfinder startete im Dezember 2015 und zeigte, dass Gravitationswellendetektoren im Weltraum möglich sind.

Ja, im Prinzip schon. Ob die Stringtheorie dann tatsächlich die richtige Theorie sein wird, ist natürlich vollkommen unklar. Erst mal macht man nur Präzisionsspektroskopie. Das bedeutet, man vergleicht die gemessenen Signale mit theoretisch modellierten Signalen. Wir wissen sehr genau, was die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, und irgendwann, wenn wir genügend präzise messen können, werden wir Abweichungen sehen und eine Theorie dafür haben oder entwickeln.

Was können wir speziell in der nächsten Beobachtungsperiode ab Dezember 2016 von LIGO erwarten?

Vorerst denke ich, dass man zahlreiche Signale von Schwarzen Löchern detektieren wird. Daraus kann man dann viel über deren Entstehung und Entwicklung lernen. Außerdem rechnen alle damit, dass wir Signale von anderen Objekten aufspüren werden, insbesondere von Neutronensternen – und natürlich Dinge, von denen wir bislang gar keine Ahnung haben, das wird natürlich das Spannendste werden. So wie auch beim ersten Signal – das hat ja auch keiner erwartet.

"Die meiste Zeit verbringe ich damit, andere davon zu überzeugen, dass das, was ich tue, sinnvoll ist"

Was ist mit dem Urknall? Von Ihnen stammt die Aussage "Ich werde den Urknall noch hören".

Zunächst ist es so, dass man den Urknall nur mit Gravitationswellen direkt detektieren kann, da das Universum die ersten 400 000 Jahre so dicht war, dass es undurchsichtig war. Über die nächsten Jahre werden wir die Empfindlichkeit der Detektoren derart steigern, dass wir wahrscheinlich den Urknall hören können ­– in dem Sinn, dass wir Gravitationswellen von diesem Ereignis auffangen werden.

Was genau glauben Sie zu hören?

Es gibt so viele Theorien darüber, was im frühen Universum passiert ist, wie es Theoretiker gibt. Und jede dieser Theorien macht andere Voraussagen, mit welcher Art von Signal man zu rechnen hat. Aber welche Theorie richtig ist, wird man erst wissen, wenn man das Signal detektiert hat. Wir vermuten zumindest, dass die Signale eine gewisse Struktur aufweisen werden. Daraus können wir dann schlussfolgern, was am Anfang tatsächlich passiert ist.

Und neben astrophysikalischen Fragen – gibt es andere Dinge, über die Gravitationswellen Aufschluss geben können?

Was bedeuten Gravitationswellen für die Forschung? Darüber wird Karsten Danzmann am 9. November 2016 in Berlin auf der Falling Walls Conference sprechen.

Mehr Informationen zu der hochkarätig besetzten Konferenz über künftige Durchbrüche in Wissenschaft und Gesellschaft und Danzmanns Vortrag "BREAKING THE WALL OF THE DARK UNIVERSE. How Gravitational Waves Let Us Hear the Sound of Space" finden Sie auf der Falling-Walls-Website:

www.falling-walls.com

Nehmen wir mal das frühe Universum. Da herrschten unglaublich hohe Temperaturen, die Einfluss auf die Signale hatten, die damals entstanden sind. Das heißt, das ist Hochenergiephysik oder Elementarteilchenphysik bei Energien, die in Beschleunigern zumindest erst mal nicht zugänglich sein werden. Wenn wir also zum ersten Mal in der Lage sind, Signale zu empfangen, die entstanden, als im Universum Temperaturen im Teraelektronvoltbereich oder noch höher herrschten, dann machen wir Teilchenphysik. Aber das wird noch ein wenig dauern. Das schafft vermutlich erst ein Weltraumdetektor.

Stichwort Weltraumdetektor. Können Sie das Konzept des für 2034 geplanten Satellitensystems LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kurz erläutern?

LISA ist ebenfalls ein Laserinterferometer, wie das auf der Erde – allerdings mit sehr viel längeren Armen, eine Million Kilometer. Je länger die Arme sind, desto empfindlicher ist der Detektor. LISA wird aus drei Satelliten in einem heliozentrischen Orbit bestehen, die sich gegenseitig mit Laserstrahlen beschießen. Ähnlich wie mit dem System auf der Erde misst man dann, ob Abstandsänderungen stattfinden, verursacht durch Gravitationswellen.

Ist die Realisierung von LISA denn gesichert?

Ja, das Gravitationswellenobservatorium LISA ist ausgewählt als eine der nächsten so genannten L-Missionen – L steht für "Large" – der ESA (European Space Agency). Der Vorläufer dafür ist die Mission LISA Pathfinder, die am 3. Dezember 2015 gestartet ist. Der Forschungssatellit befindet sich im Orbit, und er hat alle Technologien an Bord, die man für LISA braucht. Bis jetzt funktioniert die Mission fantastisch, und im Prinzip hat man fast alles, was man für LISA braucht. Die Frage ist jetzt also eher, wann begonnen wird. Denn technisch könnte man das Projekt schon ein paar Jahre vor dem geplanten Start 2034 realisieren. Doch es ist auf jeden Fall noch genug zu tun – Weltraummissionen sind kompliziert.

Das Herzstück von LISA PathfinderLaden...
Das Herzstück von LISA Pathfinder

Ich möchte noch mal zurück zu LIGO. Das Experiment ist ein perfektes Beispiel dafür, dass fast schon an Wahnsinn grenzende Ideen tatsächlich spektakuläre Ergebnisse liefern. Wie entscheiden Wissenschaftler, was verrückt ist und was genial, beziehungsweise wann es sich lohnt, Milliarden von Euro zu investieren und wann nicht?

Das ist eine interessante soziologische Frage. Darauf gibt es wohl keine einfache Antwort. Es ist ein ständiges Wabern von neuen Ideen. Viele erweisen sich als falsch und verschwinden wieder im allgemeinen Rauschen des Wissenschaftsbetriebs. Bei manchen Ideen kommt aber alles zusammen. Man hat die genialen Wissenschaftler, die genialen Ingenieure und Techniker, die ein Konzept so weit weiterentwickeln, dass man beurteilen kann, ob etwas funktioniert oder nicht. Zudem braucht es noch Leute, die darüber reden können: Marketing und Akquise – genau wie in der Wirtschaft auch. Die meiste Zeit verbringe ich damit, andere davon zu überzeugen, dass das, was ich tue, sinnvoll ist. Ich schaffe mir einen Markt. Und irgendwann kommt dann im besten Fall alles zusammen, und eine gute Idee setzt sich durch.

Dieses Jahr gab es die wohl größte Auszeichnung der Wissenschaft, den Nobelpreis, für die Entdeckung der Gravitationswellen noch nicht. Nächstes Jahr dann?

Ja, ich denke schon. Eines ist sicher: Es gibt dafür mindestens einen Nobelpreis. Denn eigentlich sind es ja sogar zwei Entdeckungen, einmal die Schwarzen Löcher und natürlich die Gravitationswellen. Aber wir werden sehen.

42/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 42/2016

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