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Gravitationswellen

Schwer zu greifen

Seit einigen Jahren suchen riesige Experimente nach winzigen Dellen im Raum - bislang leider ohne Erfolg. Doch nichts nachzuweisen, ist auch ein Ergebnis.
Gravitationswellen
Je tiefer Astronomen in den Weltraum hinausblicken, desto weiter dringen sie in die Vergangenheit des Universums vor. Tatsächlich erspähten sie Galaxien, die nur einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind – also vor rund 13 Milliarden Jahren. Doch egal wie leistungsstark zukünftige Teleskope auch werden mögen, näher als 380 000 Jahre wird sich keines an den "Big Bang" herantasten: Denn zu diesem Zeitpunkt entkoppelten sich Licht und Materie überhaupt erst voneinander.

Aus diesen Augenblicken stammt die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, die heute aus allen Himmelsrichtungen auf die Erde trifft. Mit ihrer Hilfe haben Wissenschaftler immerhin eine ungefähre Vorstellung von den damaligen Strukturen im Weltall bekommen und konnten Rückschlüsse auf die Parameter ihrer Weltmodelle ziehen, mit denen sie versuchen, das Universum zu beschreiben. Doch von allem, was vor dieser undurchsichtigen Barriere geschah, können wir keine Informationen mehr empfangen – zumindest nicht in Form elektromagnetischer Strahlung.

Zwei Schwarze Löcher in der Todesspirale | … zeigt diese Computersimulation. Die Farbabstufungen verdeutlichen, in welche Richtungen die Gravitationswellen abgestrahlt werden.
Gravitationswellen könnten aber sehr wohl von früheren Zeiten, ja sogar von den ersten Sekunden des Universums berichten, wenn man der Theorie glaubt. Albert Einstein hatte diese Raumzeit-Schwingungen aus seiner allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet. Ähnlich wie beschleunigte Ladungen elektromagnetische Wellen erzeugen, sollten beschleunigte Massen eben Gravitationswellen erzeugen. Diese sollten den Raum periodisch strecken und stauchen, während sie sich durch ihn hindurchbewegen.

Doch die Raumzeit ist ein äußerst starres Gebilde, und erst enorm schwere Massen oder große Beschleunigungen bringen sie zum Schwingen. Deshalb richten die Forscher ihren Blick vor allem auf extreme Ereignisse und Objekte: wie umeinander kreisende Schwarze Löcher oder explodierende Supernovae, aber auch auf Prozesse, die sich möglicherweise im frühen Kosmos abspielten. Etwa das exponentielle Anwachsen des Universums kurz nach dem Urknall, die so genannte Inflation. Trotz allem dürften die hervorgerufenen Gravitationswellen den Abstand zum nächsten Stern (immerhin rund vier Lichtjahre) gerade einmal um den Durchmesser eines Haares ändern.

Tatsächlich finden Wissenschaftler bereits seit den 1970er Jahren indirekte Nachweise für die Dellen in der Raumzeit: Einige Neutronensterne, die sich in Doppelsystemen gegenseitig umrunden, scheinen sich allmählich näher zu kommen – sie verlieren also gemeinsamen Drehimpuls und damit Energie. Das Aussenden von Gravitationswellen würde genau für diesen Verlust aufkommen.

Aufbau eines Michelson-Interferometers
Aufbau eines Michelson-Interferometers | An einem Strahlteiler im Interferometer wird ein Lichtstrahl zum Teil durchgelassen (rot) und zum Teil um 90 Grad reflektiert (blau). Beide Teilstrahlen werden an einem Spiegel zurückgeworfen und überlagern sich hinter dem halbdurchlässigen Spiegel. Es kommt zur Interferenz, wobei die Amplitude des vereinten Strahls von der Phasendifferenz der beiden Teilstrahlen abhängt. Auf diese Weise lassen sich minimale Gangunterschiede nachweisen.
Viel lieber wäre Astronomen natürlich ein direkter Nachweis, denn nur so können sie die Eigenschaften der Gravitationswellen überprüfen. Dementsprechend entstand in den vergangenen zehn Jahren eine Reihe von Experimenten, mit denen sich Wissenschaftler weltweit auf die Suche machten – darunter LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), das sowohl an einem Observatorium in Hanford im US-Bundesstaat Washington als auch an einem in Livingston in Louisiana betrieben wird.

Beide arbeiten auf dieselbe Weise: In einem so genannten Interferometer wird ein Laserstrahl geteilt und in zwei senkrecht zueinander angeordnete, mehrere Kilometer lange Arme geschickt. An deren Ende werden die Teilstrahlen jeweils reflektiert, um am Ursprungsort wieder überlagert zu werden. Alles ist nun so justiert, dass die Wellenberge des einen gerade auf die Wellentäler des anderen Lichtbündels fallen und sich die beiden gegenseitig auslöschen: Auf einen bereitgestellten Detektor trifft also kein Licht.

Würde nun allerdings eine Gravitationswelle durch die Anlage laufen, sollte eine der beiden Strecken verkürzt, die andere aber verlängert werden. Die unterschiedlichen Laufzeiten führen dann dazu, dass sich Wellenberge und Wellentäler der Teilstrahlen gegeneinander verschieben und sie sich bei ihrer Zusammenkunft nicht mehr völlig auslöschen – selbst ein Wegunterschied von einem Tausendstel eines Atomkerndurchmessers könnte so nachgewiesen werden. Leider traf bis heute kein Licht auf den Detektor. Für die rund 900 beteiligten Forscher ist dieses Negativergebnis aber kein Grund zur Traurigkeit.

LIGO in Hanford
LIGO in Hanford | LIGO besteht aus zwei Observatorien, die sich in Hanford (Washington) und in Livingston (Louisiana) befinden. Hier ist ein Überblick über die Anlage in Hanford zu sehen.
Denn immerhin konnten sie nun anhand von Daten der vergangenen Jahre die Zahl der Gravitationswellen, die im frühen Kosmos erzeugt wurden, einschränken. In dem untersuchten Frequenzbereich um 100 Hertz ist der Beitrag der Gravitationswellen zum gesamten Energiebudget des Universums anscheinend um eine Größenordnung kleiner als bisher veranschlagt. Frühere Schätzungen basierten auf der Heliumhäufigkeit im Universum sowie der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung.

Eine Revolution löst der neue Befund sicherlich nicht aus, auch wenn man sich nun von einigen exotischen Theorien verabschieden muss. Doch zeigt er, dass auch die Gravitationswellenastronomie ihren Beitrag dazu leisten kann, die kosmologischen Modelle allmählich festzuzurren. Die Fortsetzung von Virgo und LIGO (geplant für 2014) sollen zehnmal empfindlicher sein, und vielleicht klappt es dann auch mit dem Nachweis.

Aber auch andere Experimente rüsten sich für die erste Erfolgsmeldung: So soll etwa LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ab 2019 im Weltraum nach Gravitationswellen fahnden – nach demselben Prinzip wie ihre irdischen Vorgänger, aber mit einer Armlänge von sagenhaften fünf Millionen Kilometern.
34. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 34. Woche 2009

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  • Quellen
LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration: An upper limit on the stochastic gravitational-wave background of cosmological origin. In: Nature 460, S. 990–994, 2009.

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