Die Illustration zeigt die Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der aktiven Galaxie NGC 3783 im südlichen Sternbild Centaurus. Foto: dpa

100 Jahre nachdem Albert Einstein Gravitationswellen vorhergesagt hat, melden US-Forscher den ersten Beweis dafür. Ihre nobelpreisverdächtige Arbeit eröffnet eine neue Ära der Astronomie.

Stuttgart/Washington - Um Punkt 16.30 Uhr Mitteleuropäischer Zeit ist es soweit: Das Jahrhundertereignis der Physik wird verkündet. Und das, obwohl das 21. Jahrhunderte gerade erst 15 Jahre, zwei Monate und elf Tage alt ist.

Mit der Verkündigung von Superlativen aus der Welt der Wissenschaft sollte man eigentlich vorsichtig sein. Doch diesmal ist es tatsächlich eine Sensation, die Gravitationsphysiker der Welt mitteilen. Unser Blick auf das Universum ist ab dem heutigen Tag ein anderer.

Einsteins Theorie nach 100 Jahren bestätigt

Erstmals haben Astronomen Gravitationswellen direkt nachgewiesen und damit eine 100 Jahre alte Vorhersage von Albert Einstein (1879-1955) belegt. Die Gravitationsphysiker vom Ligo-Observatorium in den USA präsentieren ihre nobelpreisverdächtige Entdeckung an diesem 11. Februar 2016 in Washington. Auch deutsche Forscher vom Max-Planck-Institut in Potsdam und Hannover sind an der Suche beteiligt gewesen.

Gravitationswellen entstehen, wenn große Objekte wie Sterne beschleunigt werden. Dabei stauchen und strecken sie die Raumzeit. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und verbiegen dabei den Raum - ähnlich wie ein ins Wasser geworfener Stein, der sich ausbreitende Wellen auf der Oberfläche erzeugt.

Signale aus Schwarzen Löchern

Das Spezialobservatorium Ligo in den USA fing die Signatur zweier verschmelzender Schwarzer Löcher auf. Der Nachweis bestätige nicht nur die Existenz der Gravitationswellen, sondern bedeute auch eine neue Ära in der Astronomie, betonen die Forscher. „Wir haben eine neue Art Teleskop gebaut und ein völlig neues Feld eröffnet“, sagt Rainer Weiss vom amerikanischen Massachusetts Institute of Technology in Boston.

Erstmals ließen sich nun Schwarze Löcher direkt beobachten, erläutert Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Die Möglichkeit, Gravitationswellen direkt zu messen, stelle ein fundamental neues Werkzeug zur Erforschung des Universums dar, betont Buonanno. „Damit beginnt mit Sicherheit eine neue Ära in der Physik und Astronomie.“

Physiker suchen seit 50 Jahren direkten Nachweis

Gravitationswellen gehören zu den spektakulärsten Vorhersagen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die er 1915 veröffentlichte (die Spezielle Relativitätstheorie präsentierte er bereits im Jahr 1905).

Jeder beschleunigte Körper sendet demnach Gravitationswellen aus - also auch ein Autofahrer, der an einer Ampel startet. Die Wellen sind umso stärker, je mehr Masse der Körper hat. Jedoch sind sie in der Regel so winzig, dass Einstein selbst nicht daran glaubte, dass man sie jemals messen könnte. Seit über 50 Jahren suchen Physiker einen direkten Nachweis.

Die Spur führt zu zwei Schwarzen Löchern

Auch deutsche Forscher beteiligt

Dieser ist nun offensichtlich mit den beiden Ligo-Messtationen (Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) in Livingston und Hanford gelungen. „Wir haben die letzten vier Umläufe von zwei Schwarzen Löchern gesehen, bevor sie miteinander verschmolzen sind“, berichtet der geschäftsführende Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover, Bruce Allen. Das Institut ist aktiv an der Suche beteiligt und hat Technologie wie Laser zu dem Ligo-Observatorium beigetragen. Zwei Wissenschaftler aus Hannover hätten das Signal aus den USA als erste bemerkt.

Ein geringer Impuls – aber er reicht aus

Den Analysen zufolge hatten die beiden beobachteten Schwarzen Löcher 29 und 36 Mal so viel Masse wie unsere Sonne. Das aus ihrer Verschmelzung hervorgegangene Schwarze Loch besitzt jedoch nur 62 Sonnenmassen. Die Differenz von drei Sonnenmassen ist gemäß Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz in Form von Gravitationswellenenergie abgestrahlt worden. Die Ligo-Wissenschaftler beschreiben ihre Entdeckung im renommierten US-Fachblatt „Physical Review Letters“.

Ligo misst das Erzittern der Raumzeit mit Hilfe von zwei jeweils vier Kilometer langen auf einem flachen Boden liegenden Röhren, die rechtwinklig aufeinander stoßen. Über ein Lasersystem in den Röhren lässt sich die Länge der Arme extrem genau überwachen.

Läuft eine Gravitationswelle durch die Anlage, staucht und streckt sie die Arme unterschiedlich stark. Die verschmelzenden Schwarzen Löcher stauchten die Anlage nur um ein Tausendstel der Dicke eines Wasserstoffatomkerns. Dennoch schlug der Detektor an.

Einstein und das Geheimnis der Gravitationsphysik

Selbst Einstein hatte bis zu seinem Tod 1955 nicht daran geglaubt, dass seine Berechnungen jemals objektiviert werden könnten. Gravitationswellen gehören zu den spektakulärsten Vorhersagen des genialen deutschen Physikers. Jeder beschleunigte Körper sendet seiner Theorie zufolge diese Gravitationswellen aus, die umso stärker sind, je mehr Masse der Körper hat. Allerdings sind sie in der Regel so winzig, dass man sie nicht messen kann. Seit über 50 Jahren versuchen sich Physiker dennoch an einem direkten Nachweis. Alle vermeintlichen Erfolgsmeldungen entpuppten sich bislang allerdings als nicht haltbar.

Der US-Physiker Joseph Weber von der Maryland University war 1958 der Erste, der die Wellen mit Hilfe von Resonanzdetektoren nachzuweisen versuchte. 1974 hatten die beiden US-Astronomen Russell Alan Hulse und Joseph Taylor ein Doppelsystem aus zwei besonderen Neutronensternen entdeckt, die sich eng umkreisen. Ihre Umlaufzeit nimmt langsam ab, was sich exakt mit dem Energieverlust durch Gravitationswellen erklären lässt. Für diesen noch indirekten Nachweis bekamen die beiden Wissenschaftler 1993 den Physik-Nobelpreis.

Instellare Fahndung nach den Wellen

Neben den Ligo-Forschern fahnden zahlreiche andere Physiker nach stichhaltigen Beweisen für Gravitationswellen. 20 Kilometer südlich von Hannover betreibt seit 2001 ein deutsch-britisches Forschungsprojekt den Detektor GEO600. In Italien steht eine Anlage mit Namen Virgo. Die Japaner sind den Wellen mit dem Tamas300-Detektor auf der Spur.

Im Dezember startete die Europäische Weltraumorganisation Esa ein Projekt zum Erforschen der Gravitationswellen im All. Der Satellit „Lisa Pathfinder“ soll neue Technik für ein in etwa 20 Jahren geplantes großes Weltraumobservatorium testen, mit der diese Wellen künftig aufgespürt werden könnten. „Die Grundlagenforschung dient dem besseren Verständnis der Welt, in der wir leben“, meinte Esa-Generaldirektor Johann-Dietrich Wörner damals.

Die dunkle Seite des Weltalls

Supernovas und Schwarze Löcher

Gravitationswellen sind das letzte noch unbewiesene Element der Einsteinschen Relativitätstheorie. Sie entstehen –immer dann im Universum, wenn sich große Massen beschleunigt bewegen. Also etwa wenn die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne kreist. Allerdings sind diese Wellen so schwach, dass sie nicht zu messen sind.

Ganz anders sieht es bei Sternen Explosionen wie Supernovas, zusammenstoßenden Neutronensternen oder Schwarzen Löchern aus. Das Signal, das die Forscher aufgeschnappt haben, stammt von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern. Ein solcher Vorgang gehört zu den energie- und massereichsten im Universum. Die dabei freigesetzten Gravitationswellen und die in ihnen enthaltene Energie ist so gigantisch groß, dass sie kurzzeitig mehr Energie freisetzt als das Licht aller Sterne im beobachtbaren Universum zusammengenommen.

Kosmische Seifenblasen

Man muss sich das so vorstellen: Schwarze Löcher sind Objekte aus reiner, leerer und verbogener Raumzeit. So lautet die Einsteins Definition. Sie ähneln Seifenblasen, die sich aufeinander zubewegen, erklärt der französische Gravitationsphysiker Thibault Damour vom Institut des Hautes Etudes bei Paris. Wenn sie sich näher kommen, verformten sie sich und bildeten irgendwann eine einzige große Blase, die nach der Fusion wieder die perfekte Kugelform annimmt.

Gravitationswellen sollen Aufschluss geben über die dunkle Seite des Universums, die man bislang nicht messen konnte. Die Erkenntnisse der Astronomie beruhen auf elektromagnetischer Strahlung, die aber nur circa fünf Prozent des Universums sichtbar macht. Der riesige Rest, die Dunkle Materie und Dunkle Energie, ist für den Menschen unsichtbar. Das wird sich nun ändern.

Info: Das Ligo-Observatorium

Laserstrahlen und Gravitationswellen

Ligo ist ein Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, das in den USA für den Nachweis von Gravitationswellen gebaut worden ist. Der Detektor besteht aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Armen, die jeweils vier Kilometer lang am Boden verlaufen und schnurgerade sind. Im Inneren laufen Laserstrahlen, mit denen sich eine Änderung der Armlängen zueinander extrem genau messen lässt.

Treffen Gravitationswellen diese Anlage, stauchen und strecken sie die Arme unterschiedlich um winzige Beträge. Das Lasersystem soll dabei noch Längenänderungen erfassen, die rund zehntausend Mal kleiner sind als ein Wasserstoffatomkern.

Das Ligo-Konsortium betreibt zwei nahezu identischen Detektoren in Hanford (US-Staat Washington) und 3000 Kilometer davon entfernt in Livingston (Louisiana). Erstmals ging das Observatorium 2002 auf Suche, zunächst erfolglos. Von 2010 an wurden die Detektoren dann aufgerüstet, unter anderem mit Technik, die im Rahmen des deutschen Experiments GEO600 bei Hannover entwickelt worden ist. Seit September 2015 hat dieses „advanced Ligo“ (weiterentwickeltes aLigo) eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit.

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