Wissen
Gravitationsforschung mit riesigen Anlagen: Eines der beiden "Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories" (LIGO) am Standort Livingston im US-Bundesstaat Louisiana.
Gravitationsforschung mit riesigen Anlagen: Eines der beiden "Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories" (LIGO) am Standort Livingston im US-Bundesstaat Louisiana.(Foto: REUTERS)

Durchbruch in der Astrophysik: Was sind Gravitationswellen?

Schwankungen in der Raumzeit? Zum ersten Mal gelingt es Wissenschaftler, die sogenannten Gravitationswellen direkt zu beobachten. Der Durchbruch in der Astrophysik eröffnet ganz neue Einblicke in die Tiefe des Universums. Worum geht es genau?

Es ist eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen der Gegenwart: Einem internationalen Team an Wissenschaftlern ist der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen gelungen. Der Erfolg öffnet ein neues Beobachtungsfenster ins Weltall - und die federführenden Wissenschaftler gelten nun als heiße Kandidaten für den Physik-Nobelpreis.

Im Inneren des Lasertunnels: Mit hochpräzisen Lichtimpulsen messen die Forscher winzige Schwankungen in der Entfernung.
Im Inneren des Lasertunnels: Mit hochpräzisen Lichtimpulsen messen die Forscher winzige Schwankungen in der Entfernung.(Foto: REUTERS)

Zum ersten Mal konnten die Astrophysiker klare Beweise dafür aufzeichnen, dass Kräuselungen in der Raumzeit tatsächlich exisitieren. Sie maßen Schwankungen, die ein Großereignis im fernen Universum vor Jahrmilliarden ausgelöst hatte, und die im vergangenen Herbst die Erde erreichten. Die Beobachtung bestätigt eine wichtige Vorhersage der von Albert Einstein im Jahr 1915 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie öffnet gleichzeitig ein vollkommen neues Fenster zum Kosmos.

Was genau sind Gravitationswellen?

Bislang zählten Gravitationswellen zu den letzten unbewiesen Bausteinen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die vor rund 100 Jahren veröffentlicht wurde. Die winzigen Wellen sind Verzerrungen der Raumzeit und entstehen laut Einstein bei besonders energiereichen Ereignissen im Universum - beispielsweise bei heftigen Sternexplosionen oder durch Schwarze Löcher, die ineinander stürzen. Auf die Existenz der bei solchen kosmischen Katastrophen ausgesendeten Gravitationswellen ließ sich aber bisher nur indirekt schließen - beispielsweise bei der Beobachtung extrem massereicher Neutronensterne und Pulsare.

Wenn Einstein die Existenz von Gravitationswellen schon vor hundert Jahren vorhergesagt hat, warum wurden sie dann jahrzehntelang nicht entdeckt?

Weil sie unfassbar winzig sind. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist extrem schwierig, weil sie im allerkleinsten Maßstab den Raum stauchen und dehnen: Nach Angaben der europäischen Weltraumagentur ESA übersteigen Gravitationswellen, die zum Beispiel von zwei einander umkreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden, auf einem Lineal von einer Million Kilometer Länge nicht einmal die Größe eines Atoms. Selbst Einstein glaubte nicht daran, dass die von Gravitationswellen bewirkten winzigen Längenänderungen jemals gemessen werden könnten.

Wie sind ihnen die Forscher dennoch auf die Spur gekommen?

Bei der Suche nach Gravitationswellen setzen die Wissenschaftler seit Jahren gewaltige Anlagen ein, die zu Einsteins Zeiten kaum vorstellbar gewesen wären. Dazu zählen die beiden jeweils vier Kilometer langen Ligo-Detektoren in den USA. Die Anlagen in Hanford (US-Bundesstaat Washington) und Livingstone (Louisiana) arbeiten seit dem vergangenen Herbst mit einer neuen Instrumenten-Generation, die wesentlich empfindlicher ist als ihre Vorgänger. Mit den Laserdetektoren der 3000 Kilometer voneinander entfernten Ligo-Observatorien wurden die Gravitationswellen am 14. September 2015 erfasst.

Von welchem kosmischen Ereignis stammen diese Gravitationswellen?

Von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren, wie die Forscher mitteilten. Diese Schwarzen Löcher, Überreste des Explosionstodes von Riesensternen, waren demnach 29-mal beziehungsweise 36-mal massereicher als unsere Sonne.

Waren an der Entdeckung auch deutsche Wissenschaftler beteiligt?

Ja. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und Potsdam, das eng mit dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz-Universität Hannover zusammenarbeitet, leistete entscheidende Beiträge für die neue Generation der Ligo-Observatorien. Bei Hannover betreibt das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik zudem gemeinsam mit Partnern aus Großbritannien den Gravitationswellen-Detektor GEO600. Er ist Teil eines weltweiten Netzwerks von Detektoren, zu denen neben Ligo in den USA auch Anlagen in Italien und Japan zählen.

Was bedeutet der Nachweis von Gravitationswellen für die künftige Wissenschaft?

Die Entdeckung öffnet ein neues Fenster zur "dunklen" Seite des Kosmos - sie markiert den Beginn der Gravitationswellen-Astronomie, die unser Bild vom Universum und seiner Entwicklung seit dem Urknall vervollständigen dürfte. Wissenschaftler vergleichen den Nachweis von Gravitationswellen sogar mit dem Moment, in dem Galileo Galilei vor mehr als 400 Jahren erstmals sein Fernrohr auf den Himmel richtete.

Auf welche neuen Erkenntnisse dürfen die Forscher nun hoffen?

Durch eine direkte Messung von Gravitationswellen können Wissenschaftler die Struktur unserer Galaxie untersuchen, Entstehung, Wachstum und Verschmelzungsprozesse Schwarzer Löcher ergründen und die Vorgänge in den Kernbereichen von Galaxien erkunden. Mit der Möglichkeit, Gravitationswellen aufzuspüren, könnten "fundamentale Phänomene des Kosmos" erforscht werden, erklärte der Nasa-Astrophysiker Tuck Stebbins. Selbst ein Blick auf die erste Millisekunde des Urknalls vor 13,8 Milliarden Jahren sei denkbar.

Bilderserie

Quelle: n-tv.de

Empfehlungen