„Aufregende Zeiten“ in der Gravitationswellenastronomie

Letztes Jahr gelang es mithilfe der Advanced LIGO-Detektoren erstmals, Gravitationswellen direkt zu beobachten. Im Februar veröffentlichten die beteiligten Wissenschaftler ihre Entdeckung und haben seither die gemessen Daten nach weiteren Signalen durchsucht. Jetzt präsentieren sie die Ergebnisse aus dem kompletten ersten Beobachtungslauf.

Albert Einstein hatte Gravitationswellen im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie vor etwa hundert Jahren vorhergesagt. Fast fünfzig Jahre haben Forscher erfolglos nach ihnen gesucht – bis im Herbst 2015 ein Gravitationswellensignal in den Daten der Advanced LIGO-Detektoren auftauchte. Im Februar dieses Jahres publizierten die Wissenschaftler dann im Fachblatt „Physical Review Letters“ die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen – und brachten damit den Server der Zeitschrift zum Absturz.

Simulation des ersten Signals

„Als wir die Pressekonferenz in Washington hatten, kam danach Robert Garista, Herausgeber der Physical Review Letters, auf mich zu und sagte: ,Es waren einfach zu viele Zugriffe‘, erzählt Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. In den ersten 24 Stunden nach der Veröffentlichung luden 250 000 Leute den Artikel herunter. „Dass so viele Leute das wissenschaftliche Paper lesen wollten, war das wirklich Überraschende. Das waren mehr Downloads als sie jemals bei irgendeinem Paper hatten“, so Allen weiter.

Seit diesem Zeitpunkt hat sich die Wahrnehmung des Fachgebiets stark verändert. Während der Gravitationswellenastronomie vorher schon fast etwas Unseriöses anhaftete, fühlen sich die Forscher zum ersten Mal wirklich ernst genommen. „Jetzt können wir mehr so arbeiten wie andere Wissenschaftler auch. Davor mussten wir immer sehr vorsichtig sein, alle Resultate dreifach checken. Seit Joseph Weber in den 1970er-Jahren fälschlicherweise die Entdeckung von Gravitationswellen behauptet hatte, waren die Leute skeptisch. Sie dachten wir arbeiten nicht sorgfältig und das ganze Fachgebiet hatte einen schlechten Ruf“, so Allen.

„Nach der Entdeckung ist die Welt nicht mehr die gleiche gewesen wie vorher“, bestätigt Karsten Danzmann, ebenfalls Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, „auf einmal sind Gravitationswellen Mainstreamforschung und wir haben ganz viele Freunde überall.“

Gravitationswellensuche wird „Mainstream“

Und nicht nur der Ruf der Gravitationswellenastronomie hat von der Entdeckung profitiert, auch Einsteins Relativitätstheorie wurde ein weiteres Mal bestätigt. „Wir haben ein zusätzliches Paper herausgebracht, in dem wir überprüft haben, wie konsistent das gemessene Signal mit den Vorhersagen von Einstein ist. Dabei haben wir auch die Alternativtheorien einbezogen, die beispielsweise die Geschwindigkeit von Gravitationswellen mit einer geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit als Licht angeben. Das Ergebnis war: Das Signal ist vollständig konsistent mit der Allgemeinen Relativitätstheorie“, sagt Roland Haas, der zu den theoretischen Grundlagen von Gravitationswellen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam forscht.

Gemessen wurde das erste Signal noch im Probelauf der LIGO-Detektoren in den USA am 14. September 2015. Die Beobachtungen hatten damals offiziell noch gar nicht begonnen. Jetzt haben die Physiker der LIGO-Kollaboration die Daten ausgewertet, die in den vier Monaten des eigentlichen Beobachtungslaufs gemessen wurden. Dabei konnten sie die Entdeckung des Testlaufs bestätigen und ein weiteres Mal Gravitationswellen nachweisen. Das neue Signal tauchte am 26. Dezember 2015 in den Daten auf und stammt ebenfalls von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern. Allerdings sind diese mit 1,4 Milliarden Lichtjahren etwas weiter von der Erde entfernt als das zuerst beobachtete Doppelsystem – und mit 8 und 14 Sonnenmassen deutlich kleiner. Auch die Energie der abgestrahlten Gravitationswellen fiel bei der ersten Entdeckung dreimal höher aus.

Simulation der verschmelzenden Schwarzen Löcher

Zweites gemessenes Gravitationswellensignal

„In den neuen Daten gibt es Nichts, was uns veranlassen würde, die Entdeckung von Gravitationswellen anzuzweifeln“, so Allen, „nun müssen auch Skeptiker zugeben, dass unsere erste Messung kein statistischer Zufall war.“ Die Ergebnisse wollen die Forscher nun in einer Serie von wissenschaftlichen Papern verkünden, das Hauptpaper zur Entdeckung ist wieder im Fachblatt „Physical Review Letters“ erschienen.

Um Gravitationswellensignale überhaupt zu erkennen und dann auch richtig deuten zu können, müssen theoretische Physiker zunächst in Computersimulationen deren mögliche Form und Stärke berechnen. Anschließend vergleichen sie die Messdaten mit vielen vorab berechneten Signalen, um die beste Übereinstimmung zu finden. „Für die Computersimulationen nimmt man wirklich die Gleichung für die Relativitätstheorie in all ihrer Schönheit und schreibt die quasi so um, dass ein Computer sie lösen kann“, sagt Haas. Anschließend geben die Wissenschaftler verschiedene Startwerte vor – je nachdem, welche Gravitationswellenquelle sie im Computer nachspielen wollen.

„Wir setzen dann im Prinzip virtuelle LIGO-Detektoren in unsere Simulation hinein und bekommen dadurch den Effekt, den die Gravitationswellen auf die Arme von LIGO hätten, also welche Längenänderung da passieren müsste. Und dann kommt, als lange Zahlenreihe, das simulierte Signal heraus – und das ist dann unser Muster“, so Haas. Die Forscher haben in Simulationen und vereinfachten Näherungslösungen viele verschiedene potenzielle Quellen untersucht: Schwarze Löcher mit großer oder kleiner Masse, die sich schnell oder langsam umkreisen, und auch andere Systeme wie Neutronensterne oder Supernovae. „LIGO verwendet 250 000 Mustersignale, nach denen durchsucht er die gemessenen Daten. Diese Anzahl ist notwendig, um sicherzugehen, dass nicht zu viele echte Signale übersehen werden“, sagt Roland Haas.

Tatsächlich war das deutlich schwächere zweite Signal zunächst im Rauschen des Detektors verborgen. „Es ist fabelhaft, dass unsere Wellenformmodelle dieses schwache aber so unglaublich wertvolle Gravitationswellensignal aus dem Rauschen extrahiert haben!“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Bei der ersten Entdeckung war das Signal so deutlich, dass man es mit bloßem Auge in den Messdaten erkennen konnte. Nun waren die vorher simulierten Signale notwendig, um auf die Quelle der Gravitationswellen zu schließen. „Das zweite Signal war so versteckt, das hätten wir ohne die vorher berechneten Wellenformen nie gefunden“, so Buonanno.

„Aufregende nächste Jahre“ für Gravitationsforscher

Nun haben die simulierten Muster schon zweimal mit den gemessenen LIGO-Daten übereingestimmt. „Und das war nur der Anfang. Es wird nicht dabei bleiben gelegentlich mal ein Signal zu sehen, sondern wenn es bei LIGO weitergeht mit der Datennahme werden wir vielleicht alle zwei Wochen so ein Signal haben“ sagt Danzmann. Schon im nächsten Lauf von LIGO in diesem Jahr sollen die Messgeräte noch einmal sensibler sein. Zudem wollen die Physiker die Energie der Laserstrahlen, welche die von den Gravitationswellen verursachte Längenänderung messen, um etwa das Zweifache erhöhen. Im dritten Lauf, der für 2017 geplant ist, sollen die Instrumente dann noch empfindlicher sein.

Prinzip des Gravitationswellendetektors

„Durch die sensibleren Instrumente können wir dann ein größeres Volumen des Weltraums sehen, es wird etwa ein zwei- bis vierfaches Volumen sein. Das heißt, im zweiten Lauf werden wir dann mindestens zehn Doppelsysteme aus Schwarzen Löchern sehen. Und dieser Vorgang wird 2017 noch einmal stärker. An dem Punkt werden wir dann etwa hundert solcher Systeme finden. Und jedes einzelne wird ein bisschen anders sein. Die nächsten Jahre werden eine sehr aufregende Zeit“, so Allen. „Mit dieser zweiten Beobachtung sind wir wirklich auf dem Weg zur echten Gravitationswellenastronomie. Wir können nun anfangen, eine Vielzahl von Quellen auf der unbekannten dunklen Seite des Universums zu erforschen“, stimmt Danzmann zu.

Außerdem konnte durch die zweifache Messung von Gravitationswellen die Allgemeine Relativitätstheorie unter völlig neuen Bedingungen überprüft werden. Für unser Sonnensystem, wo die Planeten relativ langsam um die Sonne kreisen und die Gravitation relativ gering ist, sind die Annahmen aus Einsteins Theorie gut belegt – für die speziellen Bedingungen, die kurz vor dem Verschmelzen von Schwarzen Löchern herrschen, waren sie es nicht. „Und jetzt können wir die Allgemeine Relativitätstheorie endlich da testen, wo es richtig interessant wird: In Bereichen extremer Gravitation und bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit – und auch hier hat sie den Test bestanden”, sagt Buonanno.

Nun sind für die Gravitationsforscher auch noch andere Doppelsysteme als die bereits entdeckten Schwarzen Löcher interessant. Ganz oben auf der Wunschliste vieler Wissenschaftler steht beispielsweise ein System aus einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch. Denn Neutronensterne sind leichter als Schwarze Löcher und ihre Gravitationswellen daher schwieriger zu detektieren – die Signale haben kleinere Amplituden und weniger Energie im Vergleich zu einem Doppelsystem Schwarzer Löcher in der gleichen Distanz.

Und auch im Weltraum wollen die Forscher zukünftig Gravitationswellen detektieren. Denn hier sind die Messungen von stark niederfrequenten, extrem massereichen Systemen möglich. Dafür plant die ESA im Jahr 2034 ein Weltraumobservatorium, für das gerade der Testsatellit LISA Pathfinder Messtechniken überprüft. „Aber das ist ja noch 17 Jahre hin. Die wirklich wichtigen Sachen werden in nächster Zeit auf dem Boden passieren. Ich denke, wir werden noch einige interessante Sachen zu berichten haben“, sagt Bruce Allen.