„Es war ein Bilderbuchsignal“

Vor hundert Jahren sagte Albert Einstein die Existenz von Gravitationswellen voraus, fünfzig Jahre suchten Physiker danach. Im Februar 2016 haben Forscher der LIGO-Kollaboration die erste direkte Messung von Gravitationswellen im Fachblatt „Physical Review Letters“ verkündet. Im September 2015 hatten die beiden LIGO-Detektoren das Signal parallel aufgezeichnet. Welt der Physik sprach mit den beteiligten Forschern Bruce Allen und Harald Lück vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover.

Welt der Physik: Was haben Sie genau entdeckt?

Bruce Allen

Bruce Allen: Wir konnten ein System aus zwei Schwarzen Löchern beobachten, das etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist. Die Schwarzen Löcher besaßen 29 und 36 Sonnenmassen und sind zu einem Schwarzen Loch mit 62 Sonnenmassen verschmolzen. Die Energie der fehlenden drei Sonnenmassen wurde in Form von Gravitationswellen abgestrahlt – und das innerhalb des Bruchteils einer Sekunde. Das Signal dieser Gravitationswellen haben wir in den Daten von Advanced LIGO gesehen.

Man hat Gravitationswellen schon indirekt nachgewiesen. Warum ist diese Entdeckung so relevant?

Harald Lück: Es gibt zwei neue Aspekte: Wir konnten Gravitationswellen zum ersten Mal direkt beobachten. Nicht nur den Energieverlust, sondern die tatsächliche Verzerrung der Raumzeit und die Längenänderung hier auf der Erde. Der zweite Aspekt ist, dass wir zum ersten Mal ein solches System aus verschmelzenden Schwarzen Löchern beobachten konnten.

Harald Lück

Bruce Allen: Wir wussten vorher nicht sicher, ob Schwarze Löcher mit einigen zehn Sonnenmassen existieren. Und interessanterweise hat selbst Albert Einstein Schwarze Löcher nur für ein mathematisches Artefakt gehalten und an Gravitationswellen hat er auch nie so recht geglaubt. Einstein lag mit beidem falsch. Ein Paper für die Entdeckung eines der beiden Phänomene ist nobelpreisverdächtig und wir haben beides auf einmal gezeigt.

Wann haben Sie die Signale entdeckt?

Bruce Allen: Der erste Beobachtungslauf bei Advanced LIGO sollte am 18. September 2015 starten. Aber wir haben das Signal schon vier Tage vorher, am 14. September, gesehen. Da waren wir gerade dabei die Instrumente vorzubereiten und einen Testlauf zu machen. Und da kam es: Das Signal war so stark und so klar, dass wir es am Anfang gar nicht glauben konnten.

Harald Lück: Sie müssen sich vorstellen, dass Sie zwanzig Jahre lang an diesen Detektoren arbeiten, immer mal wieder irgendwelche Datenläufe machen und jedes Mal hoffen, dass ein Signal auftaucht und plötzlich ist eines da – und zwar ein Bilderbuchsignal! Dann denken Sie natürlich erst einmal, das sei ein Test.

Wer hat das Signal als Erster entdeckt?

Bruce Allen: Der Datenanalyst Marco Drago in Hannover hat das Signal als Erster gesehen, als er die Daten von den Caltech-Computern auf deutsche Rechner übertragen hat. Einige Minuten hat er nur auf den Bildschirm gestarrt und konnte nicht glauben, dass es ein echtes Signal ist, weil es einfach zu schön, zu sauber war. Dann ist er zu seinem Kollegen Andrew Lundgren gelaufen und die beiden haben bei den Kollegen an den LIGO-Detektoren in den USA angerufen.

An dem einen Standort war der Kollege im Kontrollraum gerade nicht erreichbar und am anderen ging zwar jemand ran, sagte aber, dass sonst keiner da war. Seine anderen Kollegen waren vor einer Stunde nach Hause gegangen. In den USA war es ja mitten in der Nacht, 3 Uhr morgens in Hanford und 5 Uhr in Livingston. Deshalb haben die Forscher in Deutschland das Signal auch als Erste bemerkt. Hier ist das Ganze ja vormittags passiert. Marco Drago hat dann – zum ersten Mal in seinem Leben – eine E-Mail an den kompletten LIGO-Verteiler geschrieben. Und als die anderen Forscher am nächsten Morgen in den USA aufgewacht sind, hatten sie eine E-Mail, in der stand: „Wir haben etwas, das wie ein echtes Ereignis aussieht.“

Und was haben Drago und Lundgren genau gesehen? Wie sieht ein solches Signal aus?

Chirp-Signal

So klingen Gravitationswellen

Bruce Allen: Das Signal erschien erst bei einer niedrigen Frequenz von 35 Hertz, stieg dann mit der Frequenz an und erreichte nach 0,2 Sekunden seine maximale Amplitude bei 150 Hertz. Dann wurde die Amplitude schwächer, die Frequenz stieg bis 250 Hertz an und das Signal verschwand. Das ist ein klassischer „Chirp“, wie wir es nennen. Und das kann nur von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern kommen und von nichts anderem.

Harald Lück: Chirp-Signale hören sich auch ein bisschen wie Vogelzwitschern an – oder Schluckauf in diesem Fall. Dieses spezielle Signal ist relativ niederfrequent, aber man kann es problemlos hören, wenn man es noch ein klein bisschen aufbereitet.

Warum kann so ein Signal nur von den Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher stammen?

Harald Lück: Wir wissen aus Simulationen, wie die Signale von verschiedenen Quellen aussehen. Theoretiker und Analysten können beispielsweise berechnen, was passiert, wenn zwei Schwarze Löcher sich umkreisen und ineinander fallen. Und damit weiß man auch, welche Gravitationswellen das System abstrahlt, welche Effekte solch eine durchlaufende Gravitationswelle bei uns auf der Erde hat und wie unsere Detektoren auf solche Effekte reagieren. Tausende von unterschiedlichen Systemen wurden berechnet und die Wellenform – gewissermaßen die Signatur – für jedes einzelne bestimmt. Und das beobachtete Signal ist eben die Signatur von genau einem bestimmten System: Zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern mit 29 und 36 Sonnenmassen.

Gravitationswellen-Simulation

Bruce Allen: Außerdem haben wir exakt die gleiche Wellenform in beiden Instrumenten gemessen, im Detektor in Hanford und im Detektor in Livingston. Und wir haben getestet, ob unsere Instrumente so ein starkes Signal auch durch andere Quellen wie Licht oder Radiowellen erzeugen könnten. Und sie können es nicht, sie sind dafür nicht sensibel.

Was bedeuten diese Entdeckungen für die künftige Forschung?

Bruce Allen: Wir werden im nächsten LIGO-Beobachtungslauf, der im September 2016 startet, viele dieser Ereignisse sehen. Mitte des nächsten Jahres müssten wir dann die Massen von Schwarzen Löchern im Universum kennen. Das ist eine Information, die wir auf anderem Weg nicht bekommen, weil Schwarze Löcher eben nichts von sich preisgeben – außer durch Gravitationswellen.

Harald Lück: Bei den beobachteten Signalen gibt es keine signifikanten Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das heißt, wir wissen jetzt, dass unsere Vorstellung von dem, was bei solchen Ereignissen weit draußen im Universum passiert, stimmt. Das heißt aber nicht, dass wir genau sagen können, wo das nächste Doppelsystem verschmelzen wird oder wann das geschehen könnte.

Und was ist mit anderen Instrumenten, wie dem für 2034 geplanten Weltraumdetektor eLISA. Können die noch neue Erkenntnisse liefern?

LIGO-Detektor in Livingston

Harald Lück: Die Frequenzen, die im All gemessen werden sollen, sind grundsätzlich verschieden. Die Advanced-LIGO-Detektoren sind in einem Bereich von ungefähr dreißig Hertz bis zu einigen Kilohertz empfindlich. eLISA hingegen wird im Millihertzbereich empfindlich sein. Dadurch kann man ganz andere Systeme beobachten – wie Schwarze Löcher mit Tausenden bis Millionen Sonnenmassen oder Doppelsternsysteme aus Weißen Zwergen.

Schon Monate vor der offiziellen Bekanntgabe wurde auf Twitter über die Entdeckung spekuliert. Wie kam es dazu?

Harald Lück: In der Kollaboration von den Detektoren LIGO, GEO600 und Virgo arbeiten über tausend Leute. Das sagt eigentlich schon alles.

Bruce Allen: Wissenschaftler sind eben wie alle anderen Leute: Wenn sie etwas Aufregendes wissen, wollen sie darüber reden. Natürlich hatten sich alle beteiligten Forscher darauf geeinigt, nichts zu sagen. Aber für manche war die Versuchung einfach zu groß. Sie mussten es jemandem erzählen, weil es zu aufregend war, um es für sich zu behalten. Aber in unserem Paper, das wir gerade in den „Physical Review Letters“ veröffentlicht haben, können die Leute nun die ganze Geschichte lesen.