Als Zeit und Raum erzitterten

Als Zeit und Raum erzitterten

Es war einmal vor langer, langer Zeit in einer weit, weit entfernten Galaxie. Ein verhängnisvoller Tanz zweier dunkler Titanen, die sich nach Jahrmillionen der Annäherung endlich berührten und mit einem Donnerschlag verschmolzen, der Raum und Zeit erzittern ließ. Die Energie, die dabei frei wurde, war 50 mal größer, als die gesamte Energie, die alle Sterne im beobachtbaren Universum in ihrer Lebenszeit von sich geben. Ungefähr 1.3 Milliarden Jahre später, am 14. September 2015, rollt der Donner durch einige Laserstrahlen auf einer kleinen Gesteinskugel in der Milchstraße und bestätigt so eine hundert Jahre alte Folgerung Albert Einsteins aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (ART).

Es waren alle (Einstein eingeschlossen) lange überzeugt, dass die Menschheit sie niemals in der Natur nachweisen könnte. Die Rede ist von Gravitationswellen. Es ist die letzte große, unbewiesene Aussage der ART und Albert Einsteins, nach deren Bestätigung im Experiment seit vielen Jahrzehnten vergeblich gesucht wurde. Nun steht fest: Es gibt sie, wie das Team um die LIGO-Detektoren, eine internationale Kollaboration von Wissenschaftler:innen, an denen auch die deutsche Max-Planck-Gesellschaft beteiligt ist, kürzlich bestätigte. Doch was sind das für Wellen und was ist das Besondere an ihnen, dass Wissenschaftler:innen der ganzen Welt von einer der wichtigsten Entdeckungen dieses Jahrzehnts sprechen? Versuchen wir es mal zu erklären.

Für einen winzigen Moment fährt ein Beben durch Zeit und Raum

Stell dir vor, du hast zwei Murmeln, die auf dem Netz eines Trampolins umeinander rollen und du misst die Erschütterung des Netzes, die von den Bewegungen der Murmeln verursacht werden. So wie man zum Beispiel Erdbeben vermisst. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie funktioniert nun folgendermaßen. So, wie unsere Murmeln das Netz des Trampolins eindrücken, verbiegen Massen den Raum um sich herum. Und wie eine Murmel einen Abhang herunter rollt, folgen andere Massen diesem Abhang, dieser Steigung Die Kraft, die die Massen den „Abhang“ herunter zur Zentralmasse treibt, nennen wir Gravitation. Bei der Theorie der Gravitation von Sir Isaac Newton breitete sich diese Kraft noch instantan aus. Einsteins große Neuerung war nun seine Aussage, dass sich die Wirkung der Kraft, wie alles im Universum auch, an das ultimative Tempolimit halten muss und sich also mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Dies tut sie in Wellen. Je enger und schneller nun die beiden Murmeln umeinander kreisen und je schwerer diese sind, desto stärker erschüttern sie das Netz. Sie kommen sich dabei immer näher, verschmelzen schließlich zu einer großen Murmel und lassen dabei ein letztes Mal das Netz des Trampolin, respektive Raum und Zeit, gewaltig erbeben. Diese Murmeln waren aber in Wirklichkeit natürlich keine Glaskugeln, sondern zwei Schwarze Löcher, jeweils dreißig Sonnenmassen schwer und ca. 150 km groß. Falls es jemand nicht weiß: Schwarze Löcher sind die Überbleibsel des Todes eines sehr großen und schweren Sterns. Diese Erschütterungen breiten sich in alle Richtungen in das ganze Universum mit Lichtgeschwindigkeit aus. Das sind Gravitationswellen.

Hier liegt auch der Grund, weshalb es so schwierig ist, diese Wellen zu entdecken: Die Stärke der Wellen oder dieser Erschütterungen ist winzig, selbst wenn das verursachende Phänomen, wie bei unserem Beispiel, mehr Energie freisetzt, als alle Sterne unserer Galaxie zusammen. Die beiden benutzten Detektoren (einer in Louisiana, der andere im Staat Washington) bestehen im Grunde aus zwei senkrecht zueinander liegenden, 4 km langen Armen. In diesen wird jeweils ein Laserstrahl mit höchster Präzision hin und her geschickt, bis beide Strahlen in der Mitte aufeinander treffen und wechselwirken. Rollt nun eine solche Gravitationswelle durch das System, verlängert und verkürzt es den Weg des Lasers in dem einen Arm für einen winzigen Moment und lässt den Weg im anderen Arm unbehelligt. Diese Veränderung kann dann dadurch gemessen werden, dass die Strahlen etwas anders wechselwirken. Die LIGO-Detektoren müssen also mit immenser Präzision arbeiten. Ein Beispiel: In der Nähe Hannovers steht ein ähnlicher Detektor, der Geo600. Er ist so präzise, dass die Forscher:innen dort mit ihrem Laser die Erschütterungen messen können, die enstehen, wenn sich die Wellen der Nordsee am Ufer brechen.

Der Beginn einer neuen Astronomie

Doch was bedeutet diese Entdeckung und warum ist sie so verdammt noch eins abgefahren, einmal davon abgesehen, dass es das letzte große Rätsel der ART beweist, der wohl wichtigsten physikalischen Theorie neben der Quantenmechanik? Nun, das schöne an diesen Wellen ist, dass es eine Anzahl von Phänomenen im Universum gibt, die sie ebenfalls produzieren könnten: Supernovae, also der gewaltigen Explosion, in der ein Stern endet, und sogenannte Gamma Ray Bursts, titanische und mysteriöse Explosionen, die vermutlich die Geburtsschreie schwarzer Löcher sind – und eventuell sogar die Erschütterung der Raumzeit durch den Urknall selbst. Nun ist es möglich, diese Events gleichzeitig mit „normalen“ Teleskopen und mit diesen LIGO-Detektoren zu untersuchen (sofern man eine Welle findet). So können Forscher:innen noch viel mehr über diese, alle noch sehr unverstandenen, Ereignisse erfahren. Nachfolgeprojekte der hunderte Millionen Dollar teuren Anlage sind schon lange geplant. Das wohl Ehrgeizigste: Eine Reihe von Satelliten im Weltraum, die nach dem selben Prinzip arbeiten und noch einmal viel präziser sein sollen. Bis dieser Detektor zu arbeiten beginnt, werden aber noch einige Jahre vergehen. Eines steht seit diesem Jahr jedoch fest. An jenem Spätsommermorgen im September 2015 wurde eine neue Astronomie, eine neue Sicht auf unseren Kosmos begründet: Die Gravitationswellenastronomie. Es bleibt spannend, welche faszinierenden Erkenntnisse diese in den nächsten Jahrzehnten mit sich bringen wird.

DER KLANG DER RAUMZEIT Die Forscher:innen von LIGO haben mit ein paar Tricks das Signal der Gravitationswelle bearbeitet – und es hier hörbar gemacht! Dieses Zwitschern was ihr da hört, ist das Originalsignal der Gravitationswelle. Was hier hörbar ist, ist die Verzerrung, Verformung des Raums selbst durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die sich vor 1.3 Milliarden Jahren zu nahe kamen.

FOTO: National Science Foundation, YouTube

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Als Science Guy zuständig fürs Wissenschaftsressort bei PHILIPP und studiert gerade Physik.
Liebt schottische Single Malts, Kafka und alles, was irgendwie mit Astronomie zu tun hat.