Wissenschaft

Gravitationswellen gefunden – „Kräuselungen“ der Raumzeit

Wellen, die von gewaltigen Ereignissen im Kosmos ausgelöst werden, könnten eine neue Ära der Astronomie einläuten.

Von Nadia Drake
Wissenschaftler haben Gravitationswellen entdeckt, die durch die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern entstanden sind (hier als Simulation gezeigt). Dieses Ereignis war so gewaltig, dass die kollidierenden schwarzen Löcher innerhalb eines kurzen Moments unmittelbar vor ihrer Verschmelzung mehr Energie aussendeten als der gesamte Rest des Universums zusammengenommen.

Die schon fast 100 Jahre andauernde Suche nach einer schwer fassbaren kosmischen Informationsquelle hat jetzt ein erstes Ergebnis erbracht. Mit Lasern und Spiegeln ist es Wissenschaftlern gelungen, erstmals auf direktem Wege Gravitationswellen zu beobachten, die auch als „Kräuselungen“ der Raumzeit beschrieben werden.

Die beobachteten Gravitationswellen wurden bei der Kollision zweier schwarzer Löcher ausgesendet, von denen eines 36-fach und das andere 29-fach so schwer wie die Sonne war. Die Löcher näherten sich zunächst spiralförmig einander an und verschmolzen dann.

Das Ereignis fand ungefähr 1,3 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt statt. Die Wellen breiteten sich in Form von Raumverzerrungen im Universum aus und liefen am 14. September durch die Erde. Dabei verursachten sie winzige, aber messbare Änderungen der Abstände zwischen vier Spiegeln – zwischen zwei Spiegeln in Livingston (Louisiana) und zwei Spiegeln in Hanford (Washington).

In der letzten Sekunde vor der Verschmelzung der schwarzen Löcher wurde eine Energiemenge abgestrahlt, die dem 50-fachen der Strahlungsenergie aller Sterne im Universum entspricht.

„Zum ersten Mal hat das Universum zu uns in Form von Gravitationswellen gesprochen“, formulierte David Reitze vom Caltech auf der Pressekonferenz zur Bekanntgabe der Entdeckung am 11. Februar.

Aus Sicht der Wissenschaftler, die an den Experimenten im Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) arbeiten, entsprach das auf der Erde empfangene Signal dem charakteristischen Muster, das für die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern vorhergesagt wurde.

„Gravitationswellen hören zu können, bedeutet, das Universum hören zu können“, sagte Gabriela Gonzalez von der Louisiana State University. „Wir werden das Universum nicht nur sehen, sondern wir werden es auch hören.“

Viele Experten sind sich darüber einig, dass diese Entdeckung einen Nobelpreis verdient. Andeutungen und Gerüchte über die Entdeckung des LIGO-Teams machten monatelang in sozialen Netzwerken die Runde.

ERSCHÜTTERUNGEN SPÜREN

Die Existenz von Gravitationswellen wurde erstmals im Jahr 1916 von Einstein vorhergesagt. Sie gehören zu den paradoxesten Konsequenzen seiner allgemeinen Relativitätstheorie. Ausgelöst werden sie von gewaltigen Ereignissen im Universum – Kollisionen schwarzer Löcher, Verschmelzungen von Neutronensternen und Sternenexplosionen –, die energiereich genug sind, um das zähe und steife Gewebe der Raumzeit zu krümmen, es zu dehnen und zu quetschen.

Es ist klar, dass solche Veränderungen normalerweise nicht wahrnehmbar sind. Sonst würden Uhren ungenau gehen und Landschaften würden immer wieder gestreckt und geschrumpft. Dennoch „laufen Gravitationswellen ständig durch uns hindurch“, sagt Alan Weinstein, Leiter des LIGO-Teams am Caltech. „Darauf verwette ich meinen linken Arm. Und ich bin Linkshänder.“

So außergewöhnlich energiereich die Wellen auch sind, die unsere Erde durchlaufen, so schwierig ist es dennoch, sie zu messen. „Die Dehnungen und Quetschungen des Raums sind minimal“, sagt Weinstein. Der Abstand zwischen zwei Personen, die sich einen Meter entfernt gegenübersitzen, wird von einer durchlaufenden Gravitationswelle nur um 10−21 Meter verändert. Es geht um die Größenordnung eines Millionstels des Durchmessers eines Protons, einem der Bausteine von Atomkernen.

Werden jedoch wie beim LIGO zwei Spiegel im Abstand von vier Kilometern aufgestellt, liegt die Wirkung der gleichen Gravitationswelle in der Größenordnung eines Zehntausendstels des Durchmessers eines Protons. „Mit dieser Größenordnung können wir etwas anfangen“, sagt Weinstein.

Die beiden identischen L-förmigen LIGO-Detektoren wurden an gegenüberliegenden Seiten des amerikanischen Kontinents aufgebaut: in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington). Damit ein Gravitationswellensignal als echt anerkannt wird, muss es von beiden Detektoren erkannt worden sein, deren Spiegel jeweils im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Beim Durchlauf einer Gravitationswelle wird die Raumzeit in der einen Richtung gedehnt, in der anderen gequetscht. Dies führt zu einer unmerklichen Längenänderung der Detektorarme, die mit einem Laser gemessen werden kann.

Das System ist das empfindlichste jemals konstruierte Messinstrument. Es registriert nicht nur Gravitationswellen, sondern auch Vibrationen, die von vorbeifahrenden Lkws ausgelöst werden, Erdbeben, sechs Bundesstaaten entfernt einschlagende Gewitterblitze, Signale von GPS-Satelliten und elektrische Entladungen in der oberen Erdatmosphäre. Alle diese Störsignale müssen herausgefiltert werden, um das winzige Signal der Gravitationswellen zu finden.

Eine Computersimulation zeigt die ausgesendeten Gravitationswellen von zwei gigantischen schwarzen Löchern, die spiralförmig umeinanderwirbeln.

Nach jahrzehntelangen Planungen und Bemühungen um politische Unterstützung lauschten die LIGO-Detektoren seit 2002 nach Gravitationswellen. Nach acht Jahren Stille wurden die Detektoren 2010 abgeschaltet und noch besser gegen Störsignale isoliert.

Als am 18. September die Messungen mit dem Advanced LIGO offiziell begannen, waren die Wissenschaftler guter Hoffnung, nun endlich aussagekräftige Signale zu finden.

Wie durch eine Ironie des Schicksals hatten sie zu diesem Zeitpunkt aber schon längst ein Signal gespeichert. Die Detektoren waren schon vor dem Beginn der offiziellen Messungen in Betrieb gewesen und hatten bereits ein extrem vielversprechendes Signal aufgefangen. Es tauchte zuerst am Detektor in Louisiana auf und sieben Millisekunden später in Washington.

„Als dieses Signal gemeldet wurde, waren wir ziemlich sicher, dass es sich um ein relevantes Signal handelte. Ob wir dachten, dies sei zu schön um wahr zu sein? Auf jeden Fall! Ich war absolut verblüfft. Ich konnte es nicht glauben“, sagt Reitze.

WENN SCHWARZE LÖCHER KOLLIDIEREN

Anhand mehrerer Einstein-Gleichungen versuchten die Wissenschaftler aus den beobachteten Wellen Rückschlüsse darauf zu ziehen, welches astrophysikalische Ereignis sie ausgelöst hatte. Im vorliegenden Fall ergab sich aus den Gleichungen, dass zwei kollidierende schwarze Löcher Auslöser der Wellen gewesen sein mussten. Nach der Verschmelzung bildeten sie ein neues schwarzes Loch, das etwas mehr als 60-fach so schwer wie die Sonne ist.

Schwarze Löcher, die beim Kollabieren massereicher Sterne entstehen, gehören zu den bizarrsten Objekten des bekannten Universums – wenn die Bezeichnung „Objekte“ überhaupt berechtigt ist. Schwarze Löcher lassen sich vereinfachend als Materieklumpen beschreiben, die so dicht und kompakt sind, dass nicht einmal Licht ihrem Gravitationsfeld entkommen kann. Tatsächlich sind schwarze Löcher aber weniger „Dinge“ oder „Objekte“, sondern Raumgebiete mit stark gekrümmter, bodenloser Raumzeit. Dass zwei solcher schwarzen Löcher verschmelzen, kann daher als ein sehr außergewöhnliches Ereignis angesehen werden.

„Es ist eine Art unruhiger Strudel gekrümmten Raums, der sich rasend schnell verändert“, sagt Weinstein.

Vor der vom LIGO aufgezeichneten Kollision hatten die beiden schwarzen Löcher Millionen oder Milliarden Jahre lang langsam umeinander gekreist. Während sie sich langsam näher und näher kamen, erhöhten sich ihre Bahngeschwindigkeiten, bis sie letztlich mit ungefähr halber Lichtgeschwindigkeit umeinander rotierten und gigantische Energiemengen in Form von raumkrümmenden Gravitationswellen aussendeten.

Dann verschmolzen die schwarzen Löcher. In der letzten Sekunde vor der Verschmelzung emittierten die wirbelnden schwarzen Löcher mehr Energie, als das gesamte Universum in der Summe aller Strahlungsarten aussendet. Nach der Verschmelzung oszillierte das neu gebildete Schwarze Loch noch kurz und beruhigte sich dann. Bei diesem Abklingen wurde noch ein als „Ringdown“ bezeichnetes Signal ausgesendet, ein „letzter Atemzug“ vor der Stille.

Es war ein gewaltiges Ereignis, das sich später anhand infinitesimal kleiner Abstandsänderungen zwischen zwei Spiegeln auf der Erde messen ließ.

„Die Daten sind verblüffend gut“, sagt Astronom Scott Ransom vom National Radio Astronomy Observatory, der das Manuskript des Teams prüfte, das in den Physical Review Letters veröffentlicht wurde. „Dass die Wellen in den Rohdaten des Detektors sichtbar sein würden, also ohne statistische Bearbeitung, hat wohl kaum jemand erwartet.“

Die Wissenschaftler des LIGO-Teams sind sich sehr sicher, dass das Signal echt ist. Nach ihren Berechnungen ist nur einmal in 200.000 Jahren damit zu rechnen, dass sich dermaßen überzeugende Ergebnisse als Fehlalarm herausstellen. Das lässt sich nicht für alle potenziellen Gravitationswellensignale behaupten, die von ihrem Team bisher gesammelt wurden. LIGO hat mindestens einen weiteren Kandidaten gefunden – am 12. Oktober –, ein weiteres Signal, das von verschmelzenden schwarzen Löchern erzeugt worden sein könnte. Aber in diesem Fall können die Wissenschaftler nicht sicher ausschließen, dass es sich um einen Fehlalarm handelt.

NEUE ÄRA UND WEITERE EXPERIMENTE

Die Entdeckung ist die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen, aber sie ist nicht der erste Nachweis für deren Existenz. 1974 fanden Joe Taylor und Russell Hulse ein damals neues und exotisches Objekt: einen Doppelpulsar, also zwei Neutronensterne, die umeinander herumwirbeln. Das Team beobachtete, dass die Umlaufbahnen der Pulsare immer enger wurden, und fanden heraus, dass die einzige mögliche Erklärung für dieses Verhalten die Abstrahlung von Energie aus dem System in Form von Gravitationswellen war.

Für diese Entdeckung, mit der die Existenz von Gravitationswellen zweifelsfrei bewiesen wurde, erhielten Taylor und Hulse 1993 den Nobelpreis für Physik.

In den LIGO-Detektoren werden mit Lasern und präzise ausgerichteten Spiegeln winzige Bewegungen aufgezeichnet, die durch Gravitationswellen ausgelöst wurden.

Der Unterschied zur damaligen Entdeckung besteht nun darin, dass es dem LIGO-Team gelungen ist, Gravitationswellen direkt und auf der Erde zu beobachten – ein Erfolg, der eine neue Ära der Astronomie einläuten wird und es Astronomen erlaubt, noch tiefer als bisher in den Kosmos vorzudringen.

Die neue Möglichkeit, das Universum mit Gravitationswellen zu sehen, ähnelt den Zeitpunkten, zu denen Wissenschaftler den Himmel erstmals mit Infrarot-, Röntgen- und Mikrowellen-„Augen“ absuchen konnten. Jahrhundertelang war die Astronomie auf sichtbares Licht angewiesen. Menschen konnten Sterne und Planeten sehen und ihre Bewegungen am Himmel verfolgen. Aber das Infrarotuniversum ist voller heißer Staubansammlungen, in denen diese Sterne geboren werden. Das Röntgenuniversum ist voller untergegangener Sterne. Und das Mikrowellenuniversum enthält die thermischen Echos des Urknalls. Die Beobachtung des Himmels mit Gravitationswellen wird die Astronomie in ähnlicher Weise beflügeln.

„Es ist eine neue Möglichkeit, um abgelegene Objekte und Phänomene im Universum zu untersuchen, denen wir uns mit elektromagnetischer Strahlung bisher nicht besonders gut nähern konnten“, sagt Taylor, Astrophysiker an der Princeton University, und verweist auf das Beispiel der schwarzen Löcher.

„Wir haben vermutet, dass derartige Gebilde existieren, und wir haben Belege für die Existenz von schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien gefunden. Jetzt verfügen wir über eine Möglichkeit, sie direkt zu messen, die sich von den bisherigen Methoden vollkommen unterscheidet.“

Aber es ist noch mehr zu erwarten: Im kommenden Jahrzehnt werden wir Gravitationswellen möglicherweise auch noch mit anderen Experimenten messen können. Eine dieser Anordnungen unter dem Namen NANOGrav arbeitet mit Millisekundenpulsaren – die einen außergewöhnlich präzisen Takt einhalten – als natürlichen Gravitationswellendetektoren. Wenn Wellen durch einen solchen Pulsar wandern, stören sie kurz den Spin dieses toten Sterns und hinterlassen eine aussagekräftige Signatur, die aus der Ferne messbar ist.

Im Unterschied zum LIGO-Detektor, der Gravitationswellen aufzeichnet, die von Katastrophen mit Sternenmassen ausgelöst werden, lassen sich mit den Pulsarzeit-Arrays wesentlich längere Wellen erkennen, die von kreisenden supermassereichen schwarzen Löcher erzeugt werden, wie sie in den Zentren von Galaxien wirbeln.

„Für uns erfassbar sind die zehntausenden Jahre vor dem Verschmelzen dieser supermassereichen schwarzen Löcher, weil in dieser Zeit Gravitationswellen in unserem Frequenzband emittiert wurden“, sagt Ransom. „Wir sprechen hier von millionen- bis milliardenfachen Sonnenmassen.“

Für ein weiteres geplantes Experiment soll ein Gravitationswellenobservatorium mit dem Namen eLISA im Weltraum installiert werden, das Wellen registrieren könnte, die von allen Arten astrophysikalischer Systeme erzeugt werden. Außerdem gibt es Teams, die nach primordialen Gravitationswellen suchen, die während der schnellen Expansion des Kosmos in der Frühzeit des Universums erzeugt wurden. 2014 berichtete das BICEP2-Team, dass es diese Art von Gravitationswellen gemessen hat. Das Signal stellte sich jedoch als sehr undeutlich heraus.

Es wird noch eine ganze Weile dauern, bis sich die Gravitationswellenastronomie allgemein durchgesetzt hat. Aber dann werden diese extremen, unsichtbaren kosmischen Ereignisse, die bisher nur im Reich der Mathematik untersucht werden konnten, in das Reich der Beobachtungen übertreten. Und sie werden das Universum mit einer Vielzahl neuer Rätsel füllen, die auf Lösungen warten.

Folgen Sie Nadia Drake auf Twitter und ihrem Blog bei National Geographic Phenomena.

Artikel in englischer Sprache veröffentlicht am 11. Februar 2016