Jahrhundertentdeckung Physiker messen erstmals Gravitationswellen aus dem All

Gravitationswellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, erstmals gelang nun ein Nachweis.

(Foto: NASA; imago/Science Photo Library; REUTERS)
  • Zum ersten Mal haben Physiker Gravitationswellen aus dem Weltraum gemessen. Das "Advanced Ligo"-Experiment in den USA verzeichnete ein kurzes Zittern der Raumzeit.
  • Solche Schwerkraft-Wellen hatte Albert Einstein vor etwa 100 Jahren als Konsequenz seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Die Existenz des Phänomens ist somit eine Bestätigung seines Formelwerks.
  • Die Entdeckung gilt als nobelpreiswürdig. Für Astronomen bietet sich damit die Möglichkeit, den Kosmos künftig mithilfe von Gravitationswellen zu erforschen.
Von Patrick Illinger

Vor 1,3 Milliarden Jahren kam es im Weltraum zu einem gewaltigen Zusammenstoß. Zwei Schwarze Löcher, das sind ausgebrannte, in sich zusammengefallene Reste superschwerer Sterne, kamen sich so nahe, dass ihre eigene Schwerkraft sie zu einem tödlichen Walzer zwang. Die beiden Himmelskörper, jeder so massiv, dass nicht mal Lichtwellen ihrer Anziehungskraft entkommen können, begannen, sich zunehmend schnell und immer enger zu umkreisen. Am Ende rasten sie mit halber Lichtgeschwindigkeit umeinander, um kurz darauf in einer mit menschlichen Maßstäben nicht vorstellbaren Kollision zu verschmelzen.

1,3 Milliarden Jahre später, am 14. September 2015 um 11:50 Uhr deutscher Zeit, erreichte eine Schockwelle dieses kosmischen Crashs die Erde. Ein Experiment namens "Advanced Ligo", das aus zwei Detektoren im Nordwesten sowie im Südosten der USA besteht, verzeichnete mit hochpräzise ausgerichteten Laserstrahlen ein kurzes Zittern von Raum und Zeit. Weniger als eine halbe Sekunde lang waren in beiden Detektoren je zwei rechtwinkelig angeordnete, vier Kilometer lange Tunnel mit den Laserstrahlen plötzlich nicht mehr gleich lang. Die Erschütterungen aus dem All brachten kurzzeitig die gesamte Erdkugel zum Schwingen, und damit auch die Röhren der Versuchsanlage. Der Todestanz der beiden Schwarzen Löcher hatte Schwerkraft-Wellen quer durch das All gejagt, die überall, wo sie auftreffen, am Gefüge von Raum und Zeit rütteln.

Anlage des Ligo-Detektors in Hanford, USA

(Foto: dpa)

Jahrhundertsensation für die Physik

Dieser von Albert Einstein vor 100 Jahren erstmals vermutete Effekt ist nun zum ersten Mal gemessen worden. Für Physiker ist es eine Jahrhundertsensation. Es ist der letzte experimentelle Mosaikstein, der Einsteins Formelwerk bestätigt. Es ist auch der direkte Beweis, dass es Schwarze Löcher gibt, denn mit optischen Geräten kann man die Löcher nicht sehen. Und es eröffnet Kosmologen ein ganz neues Fenster für die Untersuchung des Weltraums. Neben den klassischen Methoden, ins All zu blicken, in dem man Licht, Radiowellen oder Röntgenstrahlen auffängt, lässt sich der Kosmos fortan nach Schwerkraft-Schwingungen abhorchen.

Sogar für die etwa 1000 an "Ligo" beteiligten Physiker kam die Entdeckung überraschend. Sie hatten kurz zuvor ihre Versuchsanlage für mehr als 200 Millionen Euro verbessert. Die Anforderungen an die Präzision eines solchen Experiments sind gewaltig: Die nun gemessene Kollision der Schwarzen Löcher hat zwar enorme Energie ins All geschleudert, doch das resultierende Zittern der Raumzeit hat die gesamte Erdkugel nur um den Durchmesser eines Atomkerns gedehnt und gestaucht. Solch winzige Längenänderungen zu messen, das gelingt nur mit allerlei hochtechnischen Kniffen. Die Detektoren sind so empfindlich, dass sie sogar die Meeresbrandung an den Küsten des amerikanischen Kontinents registrieren können. Als im Herbst das Signal aus dem All eintraf, war die Versuchsanlage sogar noch im Testbetrieb. Weil es in den USA Nacht war, entdeckten zunächst Kollegen des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover das Zittern der Laserstrahlen auf einem Kontrollbildschirm.

Dellen in der Raumzeit

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"Das Signal war stark und sah so perfekt aus, dass wir uns gefragt haben, ob es echt ist", erinnert sich Bruce Allen, einer der Direktoren des Instituts. Hatte ein Kollege ein künstliches Testsignal eingespeist? War es gar ein Scherz? Oder Sabotage? All diese Möglichkeiten konnten in den vergangenen Monaten offenbar ausgeschlossen werden. Zudem wurde das Signal mit 0,007 Sekunden Abstand, was zur Laufzeit einer Gravitationswelle passte, an beiden Standorten in den USA gemessen.

Am Donnerstag haben die Physiker daher offiziell die Entdeckung von Gravitationswellen verkündet und als Fachpublikation veröffentlicht. Die Messung ist demnach so genau, dass Theorie-Experten wie Alessandra Buonanno, Direktorin am Hauptsitz des Albert-Einstein-Instituts bei Berlin, sogar die Massen der kollidierten Schwarzen Löcher berechnen konnten: Das eine war 29-mal so schwer wie die Sonne, das andere 36-mal.

Neues Fenster ins Universum

In ihrem weniger als eine halbe Sekunde dauernden Todestanz strahlten die beiden dunklen Kolosse kurzzeitig mehr Leistung ab als alle Sterne der Milchstraße zusammen. Etwa das Dreifache der Sonnenmasse wurde in diesem Finale furioso gemäß der Einsteinschen Gleichung E=mc² in Energie verwandelt. Doch nichts davon machte sich als Licht, Radiowellen oder Röntgenstrahlen bemerkbar. Die Energie rüttelte ausschließlich am kosmischen Gefüge aus Raum und Zeit, das seit Einstein dehn- und formbar ist. War das All zu Zeiten Isaac Newtons noch ein starres Gerüst, in dem Planeten, Sterne und Galaxien wie in einem Puppentheater aufgehängt sind, vertauschte Albert Einstein sozusagen Subjekt und Objekt: Raum und Zeit sind dehnbare Größen und werden von massiven Himmelskörpern überhaupt erst aufgespannt. Jeder Stern verbiegt die Raumzeit seiner Umgebung wie eine Bleikugel, die in einer Gummimatte liegt. Und rotieren zwei solcher Bleikugeln umeinander, lassen sie die Gummimatte erzittern. Das nennen Physiker Gravitationswellen.

Einstein hatte recht

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Auch die Erde sendet demnach Gravitationswellen aus, wenn sie um die Sonne kreist. Allerdings beträgt die dabei abgestrahlte Leistung nur 200 Watt - viel zu wenig, um sie je experimentell zu messen. Rotieren hingegen zwei Sterne in engem Abstand umeinander, kann man den Energieverlust durchaus messen. Dafür gab es 1993 sogar den Nobelpreis. Die dabei entstehenden Schwingungen der Raumzeit, die Gravitationswellen, hat man aber erst am 14. September 2015 entdeckt. Der Beweis ihrer Existenz ist nun ähnlich bedeutend wie im Jahr 1919 der Nachweis, dass massive Himmelskörper Lichtstrahlen verbiegen - eben weil sie die Raumzeit eindellen. Letzteres rückte Einstein seinerzeit in den Fokus öffentlicher Aufmerksamkeit und machte ihn zur Ikone der Physik.

Für Astronomen ist es nun, als hätten sie nicht mehr nur Augen, um das All zu erkunden, sondern auch Ohren oder einen Tastsinn. Von jetzt an ist die Menschheit in der Lage, Erschütterungen der Raumzeit zu messen - das Zittern des Universums, mit allem, was dazugehört, Sterne, Galaxien, Schwarze Löcher wie auch der Mensch mit allen Atomen seines Körpers. Das ist zweifellos einen Nobelpreis wert.

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