Wie Forscher erfolgreich nach Gravitationswellen fahnden

Der Kosmos bebt

Kosmische Kollision: Die ersten jemals beobachteten Gravitationswellen stammen von zwei verschmelzenden, rund 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernten schwarzen Löchern. Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik haben das Szenario am Computer simuliert. Bild vergrößern
Kosmische Kollision: Die ersten jemals beobachteten Gravitationswellen stammen von zwei verschmelzenden, rund 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernten schwarzen Löchern. Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik haben das Szenario am Computer simuliert.

Der 14. September 2015 wird in die Geschichte eingehen. An jenem Tag empfingen Forscher erstmals Gravitationswellen – 100 Jahre, nachdem Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie vorlegte, die solche Verzerrungen der Raumzeit vorhersagt. Die Sensation gelang mit der Anlage Advanced LIGO. Deren Empfindlichkeit für das zarte Zittern aus dem All beruht maßgeblich auf Techniken und Methoden, die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Golm ausgetüftelt haben.

Mit der Entdeckung am 14. September – es war 11.51 Uhr MESZ, als die Wellen durch zwei Detektoren an den Observatorien Livingston und Hanford in den USA rauschten – erreicht die Forschungsgeschichte der Gravitation ihren vorläufigen Höhepunkt. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat jetzt mit Bravour ihren letzten Test bestanden. Außerdem bietet sich endlich die Gelegenheit, kosmische Massemonster detailliert zu untersuchen: Denn Modelle besagen, dass die beobachteten Gravitationswellen von zwei verschmelzenden, 30 Sonnenmassen schweren schwarzen Löchern in ungefähr 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen (Titelbild).

Doch was hat es mit den Wellen aus dem All auf sich? Begeben wir uns dazu an die Wurzeln moderner Gravitationsforschung – in die Schweiz des Jahres 1907. Dort denkt am Berner Patentamt ein „Experte II. Klasse“ intensiv über die Schwerkraft nach. Zwei Jahre zuvor hat er bei der Zeitschrift Annalen der Physik fünf Arbeiten eingereicht, eine davon mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. In dem Aufsatz rüttelt der Freizeitforscher ebenso an den Grundfesten der Physik wie in dem dreiseitigen Nachtrag „Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?“

Der Autor heißt Albert Einstein. Die beiden Arbeiten werden später Spezielle Relativitätstheorie genannt. Darin bricht Einstein unter anderem mit Isaac Newtons Dogma von der absoluten Zeit und widerlegt die Behauptung, Geschwindigkeiten würden sich stets direkt addieren. Außerdem soll nach der Newtonschen Theorie die Änderung in der Gravitationswirkung eines Körpers unverzüglich im gesamten All spürbar sein. Das heißt: Die Schwerkraft wirkt überall sofort. Das verträgt sich nicht mit Einsteins Aussage, wonach es für die Ausbreitung von Krafteinflüssen jeglicher Art ein natürliches Tempolimit gibt – die Lichtgeschwindigkeit (c = 300.000 km/s).

So geht Einstein daran, die Gesetze der Gravitation auf eine neue Grundlage zu stellen. Später erinnert er sich: „Es war 1907, als mir der glücklichste Gedanke meines Lebens kam (...) Das Gravitationsfeld hat nur eine relative Existenz, weil für einen Beobachter, der frei vom Dach eines Hauses fällt – zumindest in seiner Umgebung – kein Gravitationsfeld existiert. Tatsächlich bleiben alle von diesem Beobachter fallen gelassenen Gegenstände im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, unabhängig von ihrer chemischen oder physikalischen Natur.“

<p>Laserlicht auf der Rennbahn: Die Grundidee stammt aus dem 19., die Hardware aus dem 21. Jahrhundert. Bei einem Gravitationswellendetektor erzeugt ein Lasersystem Licht, das ein halbdurchl&auml;ssiger Spiegel (Strahlteiler) in zwei Strahlen aufspaltet, die im rechten Winkel weiterlaufen. Am Ende einer jeden Laufstrecke &ndash; bei Advanced LIGO betr&auml;gt sie vier Kilometer &ndash; h&auml;ngt jeweils ein Spiegel, der das Licht zur&uuml;ckreflektiert. Dadurch gelangen die beiden Strahlen erneut zum Strahlteiler. Dieser lenkt die Strahlen nun so um, dass sie sich &uuml;berlagern, also interferieren. Die auf einer Photodiode ankommenden Lichtwellen schwingen jedoch nicht im Gleich-, sondern im Gegentakt: Wellenberg trifft auf Wellental, die Lichtwellen l&ouml;schen sich also gegenseitig aus. St&ouml;rt eine Gravitationswelle das System und ver&auml;ndert somit die Messstrecken, geraten die Lichtwellen aus dem Takt. Der Empf&auml;nger bleibt nicht l&auml;nger dunkel &ndash; ein Signal erscheint.</p> Bild vergrößern

Laserlicht auf der Rennbahn: Die Grundidee stammt aus dem 19., die Hardware aus dem 21. Jahrhundert. Bei einem Gravitationswellendetektor erzeugt ein Lasersystem Licht, das ein halbdurchlässiger Spiegel (Strahlteiler) in zwei Strahlen aufspaltet, die im rechten Winkel weiterlaufen. Am Ende einer jeden Laufstrecke – bei Advanced LIGO beträgt sie vier Kilometer – hängt jeweils ein Spiegel, der das Licht zurückreflektiert. Dadurch gelangen die beiden Strahlen erneut zum Strahlteiler. Dieser lenkt die Strahlen nun so um, dass sie sich überlagern, also interferieren. Die auf einer Photodiode ankommenden Lichtwellen schwingen jedoch nicht im Gleich-, sondern im Gegentakt: Wellenberg trifft auf Wellental, die Lichtwellen löschen sich also gegenseitig aus. Stört eine Gravitationswelle das System und verändert somit die Messstrecken, geraten die Lichtwellen aus dem Takt. Der Empfänger bleibt nicht länger dunkel – ein Signal erscheint.

Einsteins Trick lässt sich auf einen einfachen Nenner bringen: Er simuliert Schwerkraft mit Beschleunigung! Denn auch die Beschleunigung erzeugt Kräfte, wie sie etwa in einem schnell anfahrenden Aufzug auftreten. Wäre dessen Kabine schall- und lichtdicht, könnten die Menschen glauben, die Anziehungskraft der Erde habe plötzlich zugenommen.

Die Erkenntnis, dass Gravitation zumindest teilweise eine Frage des Bezugssystems ist, führt Albert Einstein zu revolutionären Ideen, die er nach achtjähriger Arbeit im Herbst 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorstellt. Für die Planetenbewegungen ergeben sich daraus winzige Abweichungen vom Newtonschen Modell. Am deutlichsten treten sie beim sonnennahen, schnell umlaufenden Merkur auf. So lässt sich dessen sogenannte Periheldrehung exakt erklären und berechnen: „Für einige Tage war ich außer mir vor freudiger Erregung“, schreibt Einstein, nachdem er dieses Rätsel gelöst hat.

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