Durchbruch in der Physik Astronomen beobachten erstmals Ursprung von Gravitationswellen

Eine Simulation zeigt, wie der Todestanz zweier Neutronensterne vermutlich abläuft: Die Sterne umkreisen sich immer enger, bis sie verschmelzen und zu einem Schwarzen Loch werden. Die Kollision erzeugt Gravitationswellen.

(Foto: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik))
  • Erstmals ist es Astronomen gelungen, den Ursprung von Gravitationswellen näher zu beobachten.
  • In einer 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie entdeckten die Forscher eine "Kilonova", die Verschmelzung von zwei Neutronensternen.
  • Von dem Durchbruch berichtet ein internationales Wissenschaftlerteam an diesem Montag in mehreren Studien.
  • Die Entdeckung leitet eine neue Ära der Astronomie ein.
Von Marlene Weiß

Der 17. August 2017 wird vielen wohl vor allem wegen des brutalen Terroranschlags in Barcelona in düsterer Erinnerung bleiben. Doch in der Welt der Forschung ist an diesem Tag zugleich etwas Großartiges geschehen. Die wenigen Menschen, die es mitbekommen hatten, waren wie üblich zum Schweigen verpflichtet - Forschergeheimnis. Es begann um 14.41 Uhr deutscher Zeit: Da registrierten die beiden riesigen Detektoren in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana das Heranrollen einer Gravitationswelle.

Das allein wäre schon fast Routine; immerhin war es schon das fünfte Mal, dass dieses mysteriöse Wackeln der Raumzeit aufgezeichnet wurde. Aber etwas war anders als bei den bisherigen Messungen: Statt nur einen Sekundenbruchteil wie sonst dauerte das Zittern an. Fünf Sekunden, zehn Sekunden, 15 Sekunden zählten die Forscher, ja hört das denn gar nicht mehr auf? Erst nach fast zwei Minuten ebbte die Welle ab.

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Fast gleichzeitig schickte der Fermi-Satellit der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa aus 550 Kilometern Höhe einen automatischen Alarm zur Erde. Das Teleskop hatte einen Ausbruch energiereicher Gammastrahlung aufgefangen. Das passiert zwar rund einmal die Woche, aber normalerweise haben die Astronomen keine Chance, die Quelle dieser rätselhaften Strahlung genauer zu bestimmen. Sie kam jedoch ungefähr aus der gleichen Richtung wie die Gravitationswelle. Wer da noch an einen Zufall glaubt, versteht nichts von Wahrscheinlichkeitsrechnung: Die beiden Signale mussten den gleichen Ursprung haben. Es war der Beginn einer neuen Ära der Astronomie.

So ein neues Zeitalter wurde zwar schon öfter angekündigt, seit man Gravitationswellen registrieren kann; die erste Messung wurde im Februar 2016 publik, in diesem Jahr gab es einen verdienten Nobelpreis dafür. Konkrete, praktische Auswirkungen auf die Arbeit oder den Wissensstand der Astronomen hat das aber bislang kaum gehabt. An diesem 17. August jedoch berechneten die Forscher im international besetzten Ligo-Virgo-Team, das die Gravitationswellen-Detektoren betreibt, eilends den Ort, von dem die Wellen kamen. Umgehend alarmierten sie die Betreiber der besten optischen Teleskope.

Aufnahme des "Very Large Telescope" (VLT) in Chile von der Galaxie NGC 4993 (rot dargestellt). In dieser etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie wurde die "Kilonova" gesichtet.

(Foto: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R.)

Rund 70 Teleskope richteten sich daraufhin auf einen Bereich im Sternbild Wasserschlange am Südhimmel aus. Sie wurden fündig: Da war ein neuer, heller Punkt in der Galaxie NGC4993, nur 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt (für astronomische Verhältnisse ist das so gut wie nebenan). Doch das Licht wurde rapide schwächer. Erste Analysen zeigten schnell: So ein Objekt hatte man noch nie zuvor beobachtet. Es war eine "Kilonova", entstanden aus der Kollision zweier Neutronensterne. Von dieser spektakulären Messung berichten die Forscher an diesem Montag in mehreren Artikeln, unter anderem im Fachblatt Physical Review Letters.

Ein Teelöffel eines Neutronensterns hat die Masse von einer Milliarde Tonnen

Solche Neutronensterne sind so etwas wie eine Light-Version Schwarzer Löcher und nicht weniger rätselhaft als diese. Während Schwarze Löcher entstehen, wenn sehr massereiche Sterne kollabieren, sind Neutronensterne die Überreste kleinerer Sterne. Wenn deren Brennstoff verbraucht ist, stürzen sie in sich zusammen. Unter unvorstellbarem Druck verschmelzen Elektronen und Protonen. Es kommt zu einer gewaltigen Explosion. Übrig bleibt ein extrem komprimiertes Objekt, das fast nur noch aus Neutronen besteht - der Neutronenstern. Anders als bei Schwarzen Löchern ist seine Masse nicht auf einem Punkt konzentriert, aber fast: Ein Teelöffel Neutronenstern hat eine Masse von rund einer Milliarde Tonnen. Trotz ihres winzigen Durchmessers von wenigen Dutzend Kilometern bringen es Neutronensterne auf ein bis zwei Sonnenmassen.

Bei der Verschmelzung der Neutronensterne werden Gravitationswellen abgestrahlt, in dieser Simulation gelb dargestellt. Die Wellen einer solchen Kollision sind stark genug, um sie auf der Erde zu messen.

(Foto: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik))

Das ist allerdings lächerlich wenig im Vergleich zu den Schwarzen Löchern, deren Kollisionen hinter den bisherigen Gravitationswellen-Messungen steckten: Sie hatten jeweils Dutzende Sonnenmassen. Wenn zwei solche Giganten zusammenkrachen, gibt es ein kurzes, heftiges Signal. Neutronensterne jedoch führen einen regelrechten Todestanz auf: Sie können einander sehr nahe kommen, und aus den Gravitationswellen lässt sich ablesen, wie sie immer schneller umeinander kreiseln, bis sie schließlich verschmelzen - darum dauerte die jüngste Messung so lange. In der Kollision wird massenhaft Materie nach draußen geschleudert. Kernreaktionen finden statt, in denen Elemente wie Gold, Platin oder Blei entstehen. Dieses heiße Material verteilt sich dann im All und sendet Licht diverser Wellenlängen aus. Bei einer solchen "Kilonova" entstehen auch die Gammastrahlen-Blitze, die das Fermi-Teleskop aufgezeichnet hatte.

"Fast zum Anfassen nahe"

Bislang war all das nur Theorie, niemand hatte so etwas je direkt beobachtet. Erst die aktuelle Messung beweist, dass solche Ereignisse tatsächlich Gammablitze und schwere Elemente hervorbringen. Und sie erlaubt erstmals, Neutronensterne näher zu untersuchen. Ohne die Gravitationswellen wäre man niemals rechtzeitig auf das Ereignis aufmerksam geworden - daher jubeln Astronomen nun so. "Mit den bisherigen Teleskopen haben wir sozusagen nur sehen können, aber der größte Teil der Welt ist eben dunkel", sagt Karsten Danzmann vom Albert-Einstein-Institut in Hannover, dessen Team an der Messung beteiligt war. "Mit den Gravitationswellen-Detektoren können wir nun auch hören." Dass eine so spektakuläre Messung so schnell gelingen würde, hätten er und seine Kollegen nie zu hoffen gewagt. "Wir haben großes Glück gehabt, dass die Kollision fast zum Anfassen nahe war, sonst wäre das Signal zu schwach gewesen."

Künftig jedoch könnten solche spektakulären Messungen häufiger vorkommen: Derzeit werden die Gravitationswellen-Detektoren optimiert, dafür bleiben sie rund ein Jahr lang abgeschaltet. Danach sollen sie ihre Empfindlichkeit verdoppeln, das vergrößert den Messbereich drastisch. Aber auch während der Ruhepause könnte es weitere Erfolgsmeldungen geben: Noch ist die Auswertung der bisherigen Daten nicht abgeschlossen. Die Gravitationswellen sind in der Praxis angekommen, und sie werden die Astronomie für immer verändern.

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