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17. Februar 2016, 08:28

Wien – Nahezu hundert Jahre nach ihrer ersten schriftlichen Erwähnung durch Albert Einstein vermeldeten Physiker vergangene Woche eine Sensation: Am Gravitationswellen-Observatoriums Ligo gelang die erstmalige Messung von Gravitationswellen. Damit wurde eine theoretische Vorhersage bestätigt, die aus der allgemeinen Relativitätstheorie folgt.

Frage: Was genau wurde am 14. September 2015 gemessen, und was ist so sensationell daran?

Antwort: Zwei Detektoren des Gravitationswellen-Observatoriums Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), einer in Louisiana, der andere im Bundesstaat Washington, haben minimale Störungen der Struktur von Raum und Zeit registriert. Es stellte sich heraus, dass es sich dabei um Gravitationswellen handeln muss, die bei der Kollision zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren entstanden sind. Ligo hat so den ersten direkten Nachweis dieser Konsequenz der allgemeinen Relativitätstheorie erbracht, worum sich Physiker jahrzehntelang bemüht hatten.

Frage: Wurde Albert Einstein damit also bestätigt?

Antwort: Ja und nein. Der Nachweis bestätigt zwar eine wesentliche Konsequenz von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, doch dieser änderte mehrmals seine Meinung zu Gravitationswellen. Insbesondere bezweifelte er, dass sie einmal tatsächlich nachgewiesen werden könnten – was auch erst durch den aktuellen Stand der Technik möglich ist.

derstandard.at/von usslar
Der Physiker Peter Aichelburg, Emeritus der Universität Wien, erklärt das Wichtigste zu Gravitationswellen.

Frage: Welchen Nutzen hat der Nachweis von Gravitationswellen?

Antwort: Praktischen Nutzen hat der Nachweis kaum. Die einzige verbreitete Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie ist eine größere Genauigkeit des Global Positioning System (GPS). Von eigentlicher Bedeutung sind Gravitationswellen für unser Verständnis vom Universum. Beinahe unser gesamtes Wissen darüber beruht auf Licht und anderen elektromagnetischen Wellen. Gravitationswellen eröffnen uns eine völlig neue Art der Beobachtung. Langfristig könnten Gravitationswellenteleskope gebaut werden, kurzfristig soll ein Netzwerk von Gravitationswellen-Observatorien geschaffen werden – rund um die Erde und im All.

foto: ligo
Ausgelöst durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren breiteten sich Gravitationswellen rund um das Ereignis aus – und erreichten am 14. September 2015 die Erde.

Frage: Dass Gravitationswellen nun offenbar direkt beobachtet werden konnten, wurde vielfach als "neues Sinnesorgan" bezeichnet – ein zulässiger Vergleich?

Antwort: Ja – zumindest wenn man Physikern glaubt, die bei Ligo beteiligt sind. "Der Himmel wird nie mehr derselbe sein", sagte zum Beispiel Szabolcs Márka von der Columbia University. "Stellen Sie sich vor, Sie können greifen, riechen, schmecken und sehen, und eines Tages können Sie hören. Das ist ein herrlicher Tag. Und das ist, was mit uns als Menschheit geschehen ist." Bei der Präsentation vergangenen Donnerstag wurde eine Art Zwitschern eingespielt, das durch die Kollision der Schwarzen Löcher entstanden sein soll. Gravitationswellen wurden damit hörbar gemacht.

caltech ligo
Am 14. September verzeichneten zwei Detektoren – einer in Hanford, Washington, der andere in Livingston, Louisiana – zeitgleich ein Signal, das von der Kollision zweier Schwarzer Löcher zeugt.

Frage: Warum weiß man, dass die beobachteten Gravitationswellen durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher ausgelöst wurden?

Antwort: Diesen Schluss ziehen die Wissenschafter aus den gemessenen Daten: Es gibt Obergrenzen für die Masse von Neutronensternen oder Weißen Zwergen, doch die gemessenen Signale deuten auf weit größere Massen hin – es kann sich daher nur um Schwarze Löcher handeln.

Frage: Schon im März 2014 sagten Forscher des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, sie hätten Gravitationswellen nachgewiesen, was sich bald als Irrtum herausgestellt hat. Sind die Behauptungen diesmal verlässlicher?

Antwort: Ja, und zwar aus mehreren Gründen. Im Gegensatz zum Harvard-Team stützen sich die Ligo-Forscher auf zwei unabhängige Messungen. Weiters basierten die damals vermeintlich gemessenen Gravitationswellen auf der sogenannten Inflationstheorie – eine Hypothese zum Anfangsstadium des Universums, die keinesfalls als gesichert gilt. Dagegen ist die Ligo-Argumentation, dass die Kollision zweier Schwarzer Löcher Gravitationswellen ausgelöst hat, die nun gemessen wurden, wesentlich plausibler. Nicht zuletzt hat der peinliche Fehlalarm 2014 die Ligo-Forscher dazu angeregt, ihre Ergebnisse mehrmals gegenzuchecken. So gibt es im Team einige "Saboteure", die ab und zu absichtlich falsche Signale ins System schleusen, um dessen Zuverlässigkeit zu testen. All das führt dazu, dass im Gegensatz zu 2014 die Behauptung, Gravitationswellen gemessen zu haben, diesmal in Fachkreisen kaum angezweifelt wird. Gewissheit können freilich erst Messungen weiterer Gravitationswellen-Observatorien bringen.

foto: reuters/caltech/mit/ligo laboratory/handout
In der allgemeinen Relativitätstheorie krümmen Massen die Struktur von Raum und Zeit, wobei größere Massen größere "Dellen" verursachen als kleinere.

Frage: Der erstmalige Nachweis von Gravitationswellen brachte nebenbei noch andere Erkenntnisse – welche?

Antwort: Die Ligo-Messungen brachten eine Reihe an Premieren: Zum ersten Mal wurden Gravitationswellen direkt nachgewiesen. Zum ersten Mal wurde die Kollision zweier Schwarzer Löcher gemessen – ein Ereignis, von dem man zuvor nur in der Theorie annehmen konnte, dass es tatsächlich stattfindet. Zum ersten Mal wurde damit auch ein Ereignis beobachtet, bei dem derart viel Energie im Spiel ist – nämlich vermutlich mehr als das Licht aller Sterne im beobachtbaren Universum zusammengenommen.

Frage: Warum gelang der Nachweis erst durch Ligo?

Antwort: Derartige Messungen erfordern extreme Genauigkeit. Beim im September registrierten Ereignis musste im Bereich eines Tausendstels des Durchmessers eines Protons gemessen werden – das sind Größenordnungen, die nur einen winzigen Bruchteil der Größe der Atome ausmachen, aus denen die Messapparatur besteht. Das macht Ligo zum genauesten Maßstab der Welt.

Frage: Wie viel hat das Experiment gekostet?

Antwort: In den letzten 40 Jahren, seit das Projekt läuft, hat Ligo laut New York Times rund eine Milliarde Euro gekostet – finanziert hauptsächlich von den amerikanischen Steuerzahlern über die Forschungsstiftung National Science Foundation. Kostspielig ist etwa das für die Messung erforderliche perfekte Vakuum. Ohne genaue Kosten zu nennen, sprach Márka vom "teuersten 'Nichts', das je gemacht wurde".

caltech ligo
In einem sogenannten Interferenzexperiment wird ein Laserstrahl in Teilstrahlen aufgespaltet und in zwei exakt gleich lange Röhren geleitet. An deren Ende werden die Lichtwellen reflektiert und zum Ausgangspunkt zurückgeworfen. Im Normalfall sollten sich diese Strahlen aufheben und es würde kein Signal gemessen werden. Verzerrt jedoch eine Gravitationswelle die Raumzeit, variiert dadurch die Länge der beiden Röhren minimal – und die Physiker messen ein Signal.

Frage: Dürfen sich alle der rund 1000 an Ligo beteiligten Forscher aufgrund der Entdeckung Hoffnungen auf den Physiknobelpreis machen?

Antwort: Wohl kaum. Dass der erstmalige Nachweis von Gravitationswellen mit dem Physiknobelpreis geehrt wird, gilt als wahrscheinlich: 1993 wurde dieser bereits für den indirekten Nachweis an Joseph Taylor und Russell Hulse vergeben. Als aussichtsreichste Kandidaten gelten die drei Ligo-Gründerväter Kip Thorne, Rainer Weiss und Ronald Drever – die Nominierungsfrist für heuer haben sie allerdings verpasst.

Frage: Ligo läuft seit 40 Jahren – müssen wir weitere 40 Jahre warten, bis wieder Gravitationswellen gemessen werden können?

Antwort: Wahrscheinlich nicht. Da die Messanordnungen immer genauer werden und weitere Gravitationswellen-Observatorien aufgerüstet und geplant werden, dürften künftig derartige Messungen häufiger gelingen als bisher. Der Physiker Peter Aichelburg sprach im STANDARD-Chat von "Dutzenden Ereignissen pro Jahr".

caltech ligo
Diese Simulation zeigt, wie sich die Kollision von zwei Schwarzen Löchern, rund 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, abgespielt haben könnte.

Frage: Zuletzt hat man oft gehört, dass Gravitationswellen die Forschung zu Dunkler Materie vorantreiben könnten – reine Spekulation?

Antwort: Das ist "schwer zu sagen", meint Josef Pradler vom Wiener Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der zu Dunkler Materie forscht. "Wir sind jetzt gefordert, kreativ zu denken. Es gibt jetzt ein neues Fenster in den Kosmos, und wir können uns nun fragen, was wir daraus lernen können – auch über Dunkle Materie."

Frage: Die Ligo-Simulationen von sich umkreisenden Schwarzen Löchern erinnern an Science-Fiction-Filme – Zufall?

Antwort: Nein. Einer breiteren Öffentlichkeit wurde Kip Thorne 2014 als wissenschaftlicher Berater des Blockbusters Interstellar bekannt. Seine Berechnungen zur Physik von Schwarzen Löchern sind nicht nur in das Ligo-Projekt eingeflossen, sondern auch in die Simulationen von Interstellar. In den ersten Versionen des Films sollen sogar Ligo und Gravitationswellen vorgekommen sein – doch das war den Produzenten dann wohl doch zu weit hergeholt. (Tanja Traxler, 17.2.2016)