Wissen


27

Kosmische Entdeckung Lichtblitz und Gravitationswellen zugleich

Forscher haben schon mehrfach Gravitationswellen gemessen, doch jetzt verkündeten sie eine spektakuläre neue Entdeckung: Zugleich mit einer Schwerkraftwelle konnten sie einen Gammastrahlenblitz beobachten.

Stand: 16.10.2017

Kollision von Neutronensternen | Bild: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Am 17. August 2017 registrierten die Gravitationswellen-Detektoren LIGO in den USA und Virgo in Italien eine Gravitationswelle, die von einem gewaltigen kosmischen Ereignis stammte: In einer Galaxie, die 130 Millionen Lichtjahre entfernt ist, waren zwei Neutronensterne kollidiert und miteinander verschmolzen.

Neutronensterne

Ein Stern, der deutlich größer als die Sonne ist, aber nicht so groß, dass er zu einem Schwarzen Loch werden könnte, kollabiert am Ende seiner Lebenszeit zu einem Neutronenstern. Dieser hat einen Durchmesser von rund zwanzig Kilometern, ist aber doppelt so schwer wie die Sonne. Das heißt, er ist unfassbar kompakt: Ein Teelöffel wiegt eine Milliarde Tonnen. Auf der Oberfläche eines Neutronensterns herrschen deshalb unfassbare Gravitationskräfte, nämlich rund hundert Milliarden Mal stärkere als auf der Erde.

Nicht nur Gravitationswellen-Detektoren bemerkten den gigantischen Zusammenprall. Zeitgleich registrierte das Weltraumteleskop FERMI einen Gammastrahlen-Ausbruch, einen sehr hellen, hochenergetischen Röntgenblitz. Astronomen hatten bereits einige solche Blitze beobachtet und vermutet, dass sie etwas mit Neutronenstern-Kollisionen zu tun haben könnten. Jetzt konnten sie gleichzeitig einen Blitz und ein Gravitationswellen-Signal registrieren. Das dürfte als Beweis für ihre Annahme gelten. Zudem haben rund siebzig andere Teleskope rund um den Globus in unterschiedlichen Wellenbereichen - Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung - die Auswirkungen dieser gewaltigen Kollision beobachtet. Das gelang ihnen, weil die Gravitationswellen-Detektoren recht genau eingrenzen konnten, wo am Himmel sich der Neutronenstern-Zusammenstoß abgespielt hatte. Denn seit August ist auch Virgo in Italien in Betrieb. Damit sind es insgesamt drei Detektoren, die zusammen wie drei Peilantennen agieren.

Eine neue Ära

In der Galaxie NGC 4993 ereignete sich die Neutronenstern-Kollision.

Einige Forscher sprechen nun vom Anbruch einer neuen Ära der Astronomie. Möglicherweise zu Recht: Die Gravitationswellen-Detektoren könnten ihnen nun Bescheid geben, wenn im All etwa Aufregendes passiert, etwa eine Supernova-Explosion. Die Experten arbeiten zudem daran, die Detektoren immer weiter zu verbessern. Damit könnte dieses Wechselspiel zwischen Schwerkraftwellen-Detektoren und Teleskopen bald zur Routine werden.

Beweis für Einstens Theorie

Vor 100 Jahren stellte Albert Einstein eine spektakuläre Idee vor: Gravitationswellen, Krümmungen in der Raumzeit. Sie entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Starke Wellen entstehen, etwa wenn Sterne am Ende ihrer Lebenszeit explodieren. Allerdings sind Gravitationswellen sehr schwer nachzuweisen, Jahrzehnte hatten sich Forscher vergeblich darum bemüht. Im Februar 2016 bestätigte dann ein internationales Team, dass die Existenz von Gravitationswellen zu 99 Prozent belegt sei. Eine Sensation unter Astrophysikern.

"We have detected gravitational waves", sagte der Chef des Experiments, David Reitze. Das entscheidende Signal aus dem All fingen die Forscher am 14. September 2015 mit ihren Messgeräten in Louisiana ein. Seither wurden die Daten ausgewertet. "Es entstand in einer Zeit, als sich auf der Erde gerade die ersten mehrzelligen Lebewesen entwickelten", sagte Gabriela González vom Ligo – der Detektoranlage in den USA, die das Signal empfangen hatte. Es stamme von der Kollision zweier Schwarzer Löcher.

"Die Gravitationswellen eröffnen eine neue Ära der Gravitationswellen-Astronomie, die bahnbrechend neue Erkenntnisse verspricht, da 99 Prozent des Universums dunkel sind."

Karsten Danzmann, Körber-Preisträger 2017 und Direktor des MPI für Gravitationsphysik in Hannover

Der Nachweis von Gravitationswellen brachte dann auch den Physik-Nobelpreis 2017 ein - für die drei Forscher Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne, die die notwendigen Grundlagen zur Messung von Gravitationswellen entwickelt hatten.

Neuer Gravitationswellen-Nachweis - diesmal in Europa

Am 14. August 2017 konnten nicht nur die beiden US-amerikanischen LIGO-Detektoren (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) Gravitationswellen nachweisen, sondern erstmals auch der französisch-italienische Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa. Diese Schwerkraftwellen stammten ebenfalls von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Es war dies der erste Nachweis durch drei Detektoren, einerseits durch die zwei von der Bauart her sehr ähnlichen LIGO-Detektoren und den in vielen Details etwas anders gebauten Virgo-Detektor. Mit drei Detektoren, LIGO und Virgo, lässt sich die Entfernung und der Ort der Gravitationswellenquelle am Himmel deutlich besser lokalisieren als mit zweien.

Gravitationswellen - FRAGE UND ANTWORT

Warum entstehen solche Wellen?

Gravitation ist eigentlich eine einfache Kraft. Ein Apfel fällt immer gleich vom Baum, egal ob er groß oder klein ist und er tut das entlang einer geraden Linie. Allerdings gilt das auf der Erde, aber nicht im Universum: Da gibt es das Gravitationsfeld. Es ist nicht überall gleich, sondern ändert sich, weil es große Massen gibt: Doppel- oder Neutronensterne, Supernova-Explosionen, Schwarze Löcher. Immer wenn solche Massen beschleunigt werden, entstehen Gravitationswellen, also Schwingungen im Raum.

Was bewirken die Gravitationswellen?

Die Gravitationswellen stauchen und strecken den Raum  – so ähnlich wie wenn man einen Stein in einen ruhigen See wirft. Dann kräuselt sich die Oberfläche. Und zwar umso stärker, je schwerer der Stein ist. Ähnlich bei den Gravitationswellen: Je schwerer ein Stern ist und je stärker er beschleunigt wird, umso mehr Gravitationswellen entstehen. Im Prinzip entstehen sogar Gravitationswellen, wenn die Erde um die Sonne kreist. Aber die sind so schwach, dass man sie nicht messen kann.

Weshalb hat man sie bisher nicht entdeckt?

Die Schwingungen, die beim Dehnen und Quetschen des Raums entstehen, sind unfassbar winzig. Die Veränderungen, die Gravitationswellen zwischen Sonne und Erde erzeugen, sind weniger als der Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Also weitaus weniger als ein Milliardstel Millimeter. Bis 2015 gab es nur einen indirekten Nachweis: Zwei US-Astronomen hatten in den 1970er-Jahren zwei Neutronensterne entdeckt, die sich eng umkreisen. Und die Geschwindigkeit mit der sie sich umeinander drehen nimmt ab, sie werden gewissermaßen durch ihre Gravitationswellen gebremst.  

Wie misst man Gravitationswellen direkt?

Dafür braucht man ein ausgefeiltes Experiment. Der Trick: Laserstrahlen, die auf zwei gleichlangen Strecken hin und her reflektiert werden und sich wieder treffen. Dann sieht man ein bestimmtes Muster, Fachleute sprechen von Interferenz, also ähnlich wie die Wellen auf der Wasserfläche, die sich überlagern, wenn ich zwei Steine reinwerfe. Wenn jetzt einer der Laserstrahlen auf seinem Weg von Gravitationswellen gestört wird, dann ändert sich auch das Interferenzmuster.

Wann sind die Forscher fündig geworden?

Das Experiment heißt LIGO und steht in zwei Ausführungen in den USA – zwei braucht man, um sicher zu sein, dass es sich auch tatsächlich um ein Signal aus dem Weltall handelt. Es sind jeweils zwei Rohre, jeweils vier Kilometer lang, durch die Laserstrahlen geschickt werden. Wochenlang gab es Gerüchte, im Februar 2017 haben die Forscher dann in einer Pressekonferenz bestätigt: Sie haben die Gravitationswellen gemessen, die durch das Verschmelzen von zwei massiven Schwarzen Löchern entstanden sind. Die Fachleute waren aus dem Häuschen – eine Physikerin sagte, sie fühle sich wie Galileo, als er das erste Mal durch ein Fernrohr geschaut hat. 100 Jahre nach Einstein sind so die geheimnisvollen Wellen nachgewiesen.

Können die Astrophysiker jetzt aufhören zu forschen?

Wenn man die Messmethode verfeinert, dann eröffnet sich ein ganz neues Beobachtungsfenster im Weltall. Bisher misst man ja sichtbares Licht, Radiowellen oder Gammastrahlen. In Zukunft könnte man Ereignisse "sehen", die sich im Dunkeln abgespielt haben - also Schwarze Löcher oder sogar den Urknall. Es gibt bereits Pläne für Satelliten im Weltraum, die genau das machen sollen, was auf der Erde gelungen ist – das wäre um ein Vielfaches genauer.

  • Planet Wissen: Gravitationswellen - Ein neuer Reiseführer durchs All. 18.09.2018, 18.15 Uhr, ARD-alpha
  • IQ - Wissenschaft und Forschung: Jäger der Gravitationswellen - Karsten Danzmann "Zwischen Fakten und Träumen". Freitag, 13.10.2017 um 18.05 Uhr, Bayern 2
  • IQ - Wissenschaft und Forschung: Gravitationswellen - Endlich mit Adresse im Universum. Montag, 16.10.2017 um 18.05 Uhr, Bayern 2
  • IQ - Wissenschaft und Forschung: Gravitationswellen - Ein Jahr nach der Sensation. Mittwoch, 14.09.2016 um 18.05 Uhr, Bayern 2
  • IQ - Wissenschaft und Forschung: Gravitationswellen - Einsteins letzte Vorhersage bestätigt? Freitag, 12.02.2016 um 18.05 Uhr, Bayern 2

27