Die Suche nach Gravitationswellen

Vor hundert Jahren aus Einsteins Relativitätstheorie abgeleitet, halten Gravitationswellen die Fachwelt noch immer in Atem. Die bisherige Suche war mehr von Rückschlägen und Falschmeldungen als Erfolgen geprägt. Doch Anfang 2016 verkündeten Forscher der LIGO-Kollaboration, dass sie Gravitationswellen erstmals gemessen hatten.

Weltweit arbeiteten Physiker daran, Signale von Gravitationswellen aufzuzeichnen. Die direkte Beobachtung interpretierten sie als erneuten Beleg für die Allgemeine Relativitätstheorie, die Einstein 1915 postuliert hatte. In den letzten Monaten vor der Entdeckung drehte sich die Diskussion innerhalb der Forschergemeinde mehr darum, wann und wie man Gravitationswellen finden wird, als darum, ob sie existieren. „Bevor ein solcher Nachweis gelingt, bleibt es immer spannend“, sagte Jan Steinhoff vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.

Auf einen indirekten Nachweis stießen Forscher schon in den 1970er-Jahren. Die US-Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor konnten zwei sich umkreisende Neutronensterne beobachten, deren Abstand zueinander sich immer weiter verringerte. Das Doppelsternsystem verlor dabei exakt so viel Energie, wie es nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie in Form von Gravitationswellen abstrahlen sollte. 1993 erhielten die beiden Forscher den Nobelpreis für ihre Beobachtungen.

Philosophie des direkten oder indirekten Messens

„Das ist mehr Philosophie, ob der Nachweis direkt oder indirekt war. Ich sehe das eher als weltanschauliche Diskussion“, sagt Karsten Danzmann, der am Detektor GEO600 nahe Hannover die Suche nach Gravitationswellen leitet. Es ging den Gravitationsforschern bei ihrer Suche um mehr, als die bloße Existenz von Gravitationswellen nachzuweisen. Sie wollten Gravitationswellen direkt messen, weil sie sich davon einen neuen Zugang zum Kosmos versprechen: „Man kann das Universum so nicht nur sehen, sondern auch hören. Über 99 Prozent des Universums sind dunkel und strahlen keine elektromagnetischen Wellen aus, aber alles unterliegt der Schwerkraft“, so Danzmann.

Simulation von Gravitationswellen

„Wenn wir Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern beobachten, können wir auch sehen, wie die Schwerkraft bei solch extremen Bedingungen arbeitet. Wir können testen, ob Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auch noch gilt, wenn sich sehr massereiche Objekte, die sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, einander nähern und verschmelzen“, sagt Alessandra Buonanno, die am Potsdamer Institut die Abteilung astrophysikalische und kosmologische Relativitätstheorie leitet. Hier versuchen Theoretiker mithilfe von analytischen und numerischen Modellen herauszufinden, wie mögliche Signale von Gravitationswellen aussehen könnten. Denn nur wenn man weiß, wie die erwarteten Signale aussehen, kann in den Detektordaten gezielt nach den Spuren von Gravitationswellen gesucht werden.

Wie alles mit Zylinderantennen begann

Die Suche nach Gravitationswellen beschäftigt Physiker bereits seit über fünfzig Jahren. In den 1960er-Jahren baute Joseph Weber den ersten Detektor für Gravitationswellen. Nach vielen Jahren des intensiven Testens behauptete er, die Wellen mit seiner Zylinderantenne entdeckt zu haben. Allerdings ließen sich die Ergebnisse nicht reproduzieren und fielen daher bei seinen Fachkollegen durch. „Als Weber starb, war er wohl der einzige Mensch auf der Welt, der noch an seine Entdeckung glaubte“, sagt Danzmann. Auch wenn die Geschichte tragisch endete, setzte Weber den Impuls für weitere Versuche – auch weil das Interesse der Öffentlichkeit an dem Thema geweckt war.

Geschichte einer Suche

Mit diesen Detektoren suchen Forscher nach Gravitationswellen

Für die damaligen Messungen nutze Weber sogenannte Resonanzdetektoren. Durchlaufende Gravitationswellen regen die Resonanzfrequenz der eingebauten Metallstange oder Kugel an, wodurch das Signal verstärkt wird. Moderne Formen wie die Instrumente MiniGRAIL und AURIGA existieren, sind aber nur für den engen Frequenzbereich der Resonanzfrequenz des Detektors empfindlich – und daher für die aktuelle Suche nach Gravitationswellen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern nicht relevant.

Aufbau eines Laserinterferometers

In den 1970er-Jahren starteten die ersten Versuche mit Laserinterferometern. Diese Detektoren bestehen aus zwei senkrecht zueinander verlaufenden Armen, durch die jeweils ein Laserstrahl läuft und von Spiegeln am Ende der beiden Röhren zurückgeworfen wird. Idee dieser Messmethode ist es, dass eine durchlaufende Gravitationswelle einen Arm des Interferometers streckt, während sie den anderen staucht. Dadurch müsste sich die Zeitdauer, welche die Laserstrahlen für die jeweilige Strecke benötigen, verlängern beziehungsweise verkürzen. Treffen die beiden Strahlen wieder aufeinander, schwingen ihre Lichtwellen nicht mehr im Takt und erzeugen so ein spezifisches Signal. Genau das wollen Forscher messen, um auf Gravitationswellen zu schließen.

Die Detektortechnik wird immer empfindlicher und ambitionierter. Im Dezember 2015 startete LISA Pathfinder. Der ESA-Satellit bereitet eine Mission vor, die Gravitationswellen direkt im Weltall messen soll. Parallel dazu arbeiten Physiker daran, Bodendetektoren wie LIGO, Virgo und GEO600 weiter zu verbessern oder neue Anlagen zu bauen – wie das unterirdische Experiment KAGRA in Japan.

Echte Signale von Störsignalen unterscheiden

LIGO-Strahlröhre

LIGO, Virgo und GEO600 wurden in den 1990er-Jahren gebaut und zu Beginn des neuen Jahrtausends in Betrieb genommen. Um echte Spuren von Gravitationswellen zu finden, müssen im Vorfeld mögliche Störfaktoren identifiziert und aus den Signalen herausgerechnet werden. Bei Bodendetektoren sind vor allem seismische Effekte problematisch. „Aufhängung und das Dämpfungssystem der Spiegel in LIGO sorgen dafür, dass die meisten Einflüsse von Erdbodenschwingungen und auch der Gezeiten ausgeglichen werden“, sagt Roland Haas, der in Potsdam zu Gravitationsphysik forscht.

Allerdings funktioniert das nicht für alle Ereignisse. Wenn starke Erdbeben oder ein vorbeifahrender Lastwagen den Boden erschüttern, kann das zu Störsignalen führen: „LIGO und GEO600 verwenden ausgeklügelte Regeln, um solche Ereignisse zu erkennen und ein Veto auszusprechen, sodass Daten von diesen Zeiten nicht verwendet werden“, so Haas. Darüber hinaus werden zu Testzwecken von Zeit zu Zeit vermeintliche Signale in LIGO indiziert, sogenannte „Blind Injection“. Dadurch sollen die beteiligten Forscher auf eine Entdeckung vorbereitet werden.

Die LIGO-Anlage an den beiden US-amerikanischen Standorten Livingston und Hanford wurde nach einigen Jahren Laufzeit vollständig entkernt und über fünf Jahre umgebaut. Die aktuelle Version Advanced LIGO nimmt seit 2015 wieder Daten auf und ist durch neue Spiegelaufhängung, Lichtführung und verbesserte Lasersysteme viermal so empfindlich wie der Vorgänger. Der Hoffnungsträger LIGO, der mit Armlängen von vier Kilometern die größte der Bodenanlagen ist, hat am 14. September 2015 erstmals Signale von Gravitationswellen gemessen.

Welcher Detektor für welche Welle

„Niederfrequente Signale von schweren Objekten kann zurzeit nur die Anlage von Advanced LIGO detektieren. Die Instrumente sind auch noch bis unter hundert Hertz empfindlich“, sagt Karsten Danzmann. Solche Gravitationswellen stammen im Wesentlichen von verschmelzenden Doppelsternen oder Schwarzen Löchern. Prinzipiell können Bodendetektoren im Bereich von 30 bis 3000 Hertz empfindlich sein.

Messprinzip von eLISA

Von den anderen Bodendetektoren ist derzeit nur GEO600 nahe Hannover aktiv, die Anlage Virgo im italienischen Cascina wird noch umgebaut. „Bis zum Sommer oder Ende des Jahres 2016 wird Virgo keine Daten aufnehmen. Und GEO600 ist nur bei hohen Frequenzen empfindlich, weil wir kürzere Arme haben“, so Danzmann. Mit seinen 600 Metern Armlänge könnte der britisch-deutsche Detektor beispielsweise Gravitationswellen von Sternexplosionen mit typischen Frequenzen von bis zu einem Kilohertz messen.

„Bei Radiowellen ist es erforderlich, dass die Größe der Antenne an die Wellenlänge angepasst ist. Analog muss die Größe der Gravitationswellendetektoren an die Wellenlänge angepasst werden“, sagt Steinhoff. Das geplante Weltrauminterferometer eLISA soll Armlängen von mehreren Millionen Kilometern aufweisen. Damit lassen sich sehr viel längere Wellenlängen, beziehungsweise niedrigere Frequenzen messen. Ziel sind Signale im Millihertzbereich, die von Objekten mit einigen Millionen Sonnenmassen stammen – etwa dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstrasse.

Was die Radiopulse von Neutronensternen zeigen könnten

Pulsar Timing Array

Um Gravitationswellen im Nanohertzbereich zu finden, setzen Astronomen auf sogenannte Pulsar Timing Arrays. Hierbei nutzen sie Radiopulse, die schnell rotierende Neutronensterne in regelmäßigen Abständen aussenden. Durchlaufende Gravitationswellen würden die Pulse stören und zu Unregelmäßigkeiten führen, die sich mit Radioteleskopen nachweisen ließen.

2015 endete eine großangelegte Messreihe, bei der ein internationales Forscherteam die Ankunftszeit solcher Radiopulse mit einer Genauigkeit von einer zehnmilliardstel Sekunde über elf Jahre lang untersucht hatte. Gravitationswellen von supermassereichen Schwarzen Löchern hätten sich auf diese Weise zeigen sollen, doch in den Daten war keine Spur der erhofften Abweichungen zu finden.

Ebenfalls eine Enttäuschung erlebten Forscher 2014 in der Antarktis, als sich die vermeintlich beobachteten Gravitationswellen am Ende als Staub erwiesen. Die Forscher hatten mit dem BICEP2-Teleskop wirbelförmige Muster in der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt und identifizierten diese als charakteristische Spuren von Gravitationswellen, die kurz nach dem Urknall entstanden waren. Auf eine Bestätigung der Daten durch das Planck-Weltraumteleskop warteten die Forscher nicht und die Nachricht, dass erstmals Gravitationswellen beobachtet wurden, ging um die Welt. Umso größer war die Ernüchterung in Fachwelt und Presse, als bekannt wurde, dass alles nur falscher Alarm war.

„Man kann sich nie sicher sein, sondern muss genau darauf achten, was die Fehlerwahrscheinlichkeit ist. Und überprüfen, ob das Signal auch woanders auftaucht. So eine Entdeckung zu behaupten, ist immer eine riskante Sache“, sagt Karsten Danzmann. Seit September 2015 schöpfte die Fachwelt allerdings neue Hoffnung. Es häuften sich Gerüchte, dass die Detektoren von LIGO Signale von Gravitationswellen gemessen hätten. Die Gerüchte wurden am 11. Februar 2016 bestätigt, als die beteiligten Forscher der LIGO-Kollaboration ihr gerade in dem Fachblatt Physical Review Letters veröffentlichtes Paper vorstellten. Somit ist eine fünfzigjährige Suche schließlich erfolgreich – und die Chance auf den nächsten Physiknobelpreis real.