Wie sich Gravitationswellen im Weltraum bewegen

Harald Zaun
Simulation der Gravitationswellen.
Simulation der Gravitationswellen.
Foto: dpa
Mit dem Nachweis von Albert Einsteins Gravitationswellen brechen Astronomen zu neuen Ufern des Wissens auf. Was sind das für Wellen?

Essen. Astronomen sind Historiker und Archäologen des Universums. Denn jeder Blick durch das Teleskop ist aufgrund der end­lichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts zugleich ein Blick in die Vergangenheit. Selbst das Licht unserer Sonne braucht achteinhalb Minuten, um die 150 Millionen Kilometer Distanz zur Erde mit einer Geschwindigkeit von knapp 300 000 Kilometer in der Sekunde zu überbrücken. Dabei ist das weiße Licht der Sonne, das sich in unseren Augen ­spiegelt, nur ein kleiner Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums, das ­Astronomen in ihrer ganzen Bandbreite detektivisch sezieren. Da im Universum jeder Stern, jede Gas- und Nebelwolke und jede Galaxie auf unterschiedlichen Wellenlängen und Frequenzen strahlen, observieren Astronomen praktisch jeden Bereich des Lichts: von Gamma-, Röntgen-, Ultraviolett-, Infrarot- bis zum Mikrowellenbereich. All diese Strahlungsenergien haben eines gemeinsam: Sie bewegen sich – wie das sichtbare Licht – mit Lichtgeschwindigkeit durchs All und sind neben Neutrinos die einzigen Quellen, aus denen Astronomen ihr bisheriges Wissen über das Universum geschöpft haben.

Doch nunmehr haben die Sternforscher mit dem direkten Nachweis von Gravi­tationswellen ein neues Fenster zum Kosmos geöffnet. Sie entdeckten eine neue, mysteriöse Energieform, die außerhalb des elektromagnetischen Spektrums angesiedelt ist und das Universum ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit durchströmt. Wie amerikanische Wissenschaftler in der letzten Woche auf einer weltweit beachteten Pressekonferenz in Washington, D.C. verkündeten, registrierten sie bereits im letzten Jahr mit den beiden nahezu iden­tischen LIGO-Detektoren in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) erstmals Gravitationswellen. An dem ­LIGO-Projekt arbeiten mehr als tausend Wissenschaftler aus 16 Nationen, einige entscheidende Bauteile der Detektor-Anlage wurden in Deutschland entwickelt.

Diese ungewöhnliche Energieform hat kein Geringerer als Albert Einstein bereits vor hundert Jahren in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt. Da Einstein selbst nicht an einen direkten Nachweis von Gravitationswellen glaubte, ­gerieten diese für viele Jahre in Vergessenheit. Erst 1958 machten sich die ersten Physiker daran, diese aufzuspüren.

Warum ist die Entdeckung eine Sensation?

Einige Forscher sprachen in der letzten Woche von einer „sensationellen Ent­deckung“ und stellten diese sogar auf die Stufe der Apollo-11-Mondlandung. ­Warum? Die Antwort hierauf ist einfach wie spektakulär: Mit dem Nachweis dieser Wellen dringen Astronomen nämlich erstmals in einen völlig unbekannten Bereich des Universums vor. In einen Kosmos, in dem keine Teilchen herumschwirren oder elektromagnetische Wellen den Raum durchfluten. Die Quantengravitations­expertin Sabine Hossenfelder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies hält die nobelpreisverdächtige Entdeckung für elementar: „Diese erste direkte Messung von Gravitationswellen ist so, als ob die Menschheit kollektiv ein neues Sinnesorgan entwickelt hätte – wir haben nun mehr Möglichkeiten, die Realität wahr­zunehmen.“

Tatsächlich können Gravitationswellen Zeugnis vom Urknall ablegen, sind diese doch in der Theorie praktisch mit Beginn des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Die elektromagnetische Strahlung hingegen trat erst 380 000 Jahre nach dem Big Bang in die Welt.

Was genau sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen bewegen sich nicht wie das Licht durch den Raum, sondern gewissermaßen mit ihm. Sie entstehen im Weltall immer dann, wenn Massen die Raumzeit krümmen. Dann treten sie als wellenartige Störungen der Raumzeitgeometrie in Erscheinung und strecken, dehnen und stauchen die Raumzeit. Je massereicher und dichter ein Körper ist, desto stärker der Effekt. Gerät etwa ein Stern in Bewegung, breiten sich die Dellen langsam aber stetig in alle Richtungen aus, ähnlich einem in einen Teich geworfenen Stein, der nach allen Seiten auslaufende Wellen produziert. Je schneller der Stern sich dabei bewegt, desto stärker krümmt sich die Raumzeit und desto größer ­werden die Abstände zwischen den kosmischen Körpern. Doch solche Schwingungen sind selbst mit den besten Detektoranlagen zurzeit nur nachweisbar, wenn sehr massereiche Sterne kollabieren und als Supernovae explodieren oder ­Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Letzteres wird von der Theorie zwar vorhergesagt, wurde aber bis zum 14. ­September 2015 nicht beobachtet.

Wer entdeckte das erste Signal?

An jenem Tag markierte der italienische Physiker Marco Drago vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover die historische Zäsur. Er registrierte als erster Mensch ein Gravitationswellen-Signal. Und zwar eines, das vor 1,3 Milliarden Jahren produziert wurde. Die Verursacher waren zwei Schwarze Löcher von 35 und 29 Sonnenmassen, die zu einem ­Schwarzen Loch von 62 Sonnenmassen verschmolzen, wobei drei Sonnenmassen binnen einer knappen Sekunde in Form von Gravitationswellen freigesetzt wurden. Diese registrierten die LIGO-Detektoren. Ein derartiges Phänomen observierte bis dahin kein einziger Astronom weltweit. Und es war das erste Mal überhaupt, dass der direkte Nachweis eines Schwarzen Loches gelang.