Gravitationswellen

7 Min. Lesezeit

Steckbrief

Vorhergesagt von	Albert Einstein, 1916, aus der Allgemeinen Relativitätstheorie
Erster direkter Nachweis	14. September 2015 durch LIGO (GW150914)
Erste Quelle	Zwei Schwarze Löcher mit etwa 36 und 29 Sonnenmassen
Geschwindigkeit	Lichtgeschwindigkeit
Wichtigste Detektoren	LIGO (USA), Virgo (Italien), KAGRA (Japan)
Armlänge von LIGO	Etwa 4 km
Größe des Signals	Die Armlänge ändert sich um weniger als 1/10.000 eines Protonendurchmessers
Bisherige Nachweise	Mehr als 300 Signalkandidaten bis Ende 2025
Nächster großer Schritt	Das ESA-Weltraumobservatorium LISA, Start geplant um 2035

Kurz gesagt

Gravitationswellen sind Kräuselungen der Raumzeit selbst; sie entstehen, wenn massereiche Objekte beschleunigen, etwa zwei Schwarze Löcher, die sich umeinander spiralen.
Einstein sagte sie 1916 voraus, bezweifelte aber, dass man sie je messen könne, weil ihre Wirkung auf der Erde unvorstellbar klein ist.
LIGO wies 2015 die erste nach, ausgelöst von Schwarzen Löchern, die in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung verschmolzen.
2017 wurde eine Kollision von Neutronensternen zugleich in Gravitationswellen und im Licht beobachtet; sie zeigte, woher ein Teil des Goldes und Platins stammt.
Mit Gravitationswellen lassen sich dunkle Objekte untersuchen, die kein Licht aussenden, und Einsteins Theorie unter extremen Bedingungen prüfen.

Kräuselungen der Raumzeit

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft nicht als Anziehungskraft, sondern als Krümmung von Raum und Zeit, die zur Raumzeit verbunden sind. Schwere Objekte krümmen die Raumzeit, und andere Objekte folgen diesen Krümmungen.

Wenn sich massereiche Objekte bewegen und beschleunigen, können sie Wellen durch die Raumzeit schicken, ähnlich wie ein Boot Wellen über einen See sendet. Das sind Gravitationswellen. Zieht eine vorbei, dehnt sie den Raum in einer Richtung und staucht ihn in der anderen, immer wieder, mit Lichtgeschwindigkeit.

Der Effekt ist winzig. Selbst eine Welle von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern verändert den Abstand zwischen Erde und Sonne um weniger als die Breite eines Atoms. Nur die heftigsten Ereignisse im Universum erzeugen Wellen, die wir überhaupt messen können.

Von der Vorhersage zum Beweis

Einstein errechnete 1916, dass es Gravitationswellen geben müsse, hielt sie aber für viel zu schwach, um sie nachzuweisen. Jahrzehntelang stritten viele Physiker sogar darüber, ob sie real sind.

Ein indirekter Beweis kam 1974, als Russell Hulse und Joseph Taylor ein Paar einander umkreisender Neutronensterne fanden. Über die Jahre schrumpfte ihre Umlaufbahn genau in dem Maß, das man erwartet, wenn sie Energie in Form von Gravitationswellen verlieren. Die Entdeckung brachte 1993 den Nobelpreis für Physik.

Eine Welle direkt auf der Erde einzufangen, dauerte weitere 40 Jahre und erforderte einige der empfindlichsten Instrumente, die je gebaut wurden.

Wie LIGO, Virgo und KAGRA funktionieren

LIGO, das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, betreibt zwei Detektoren in den USA, in Hanford im Bundesstaat Washington und in Livingston in Louisiana. Jeder hat die Form eines L mit etwa 4 km langen Armen.

Ein Laserstrahl wird geteilt, durch beide Arme geschickt, an Spiegeln reflektiert und wieder zusammengeführt. Normalerweise löschen sich die beiden Strahlen aus. Dehnt eine Gravitationswelle den einen Arm und staucht den anderen, geraten die Strahlen leicht aus dem Takt, und ein Lichtflackern erscheint. Die Längenänderung beträgt weniger als ein Zehntausendstel eines Protonendurchmessers.

Mehrere weit voneinander entfernte Detektoren helfen, lokale Erschütterungen wie Lastwagen oder Erdbeben auszuschließen, und ermöglichen es, eine Quelle am Himmel zu orten. LIGO arbeitet mit Virgo in Italien und KAGRA, einem unterirdischen Detektor in Japan, zusammen. Gemeinsam bilden sie ein weltweites Netz.

Der erste Nachweis

Am 14. September 2015 zeichneten beide LIGO-Detektoren ein kurzes Signal auf, ein ansteigendes Zirpen von nur einem Bruchteil einer Sekunde. Es stammte von zwei Schwarzen Löchern mit etwa 36 und 29 Sonnenmassen, die sich in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung umeinander spiralten und verschmolzen.

In diesem letzten Augenblick wurden etwa drei Sonnenmassen in Gravitationswellenenergie umgewandelt. Das Ergebnis wurde im Februar 2016 verkündet, und 2017 erhielten Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne für ihre Rolle bei LIGO den Nobelpreis für Physik.

Bis zum Ende des vierten Beobachtungslaufs Ende 2025 hatte das Netz mehr als 300 Signalkandidaten registriert. Die meisten sind Verschmelzungen Schwarzer Löcher, eine kleinere Zahl betrifft Neutronensterne.

Was uns Gravitationswellen verraten

Im August 2017 fingen die Detektoren Wellen von zwei kollidierenden Neutronensternen auf. Binnen Sekunden registrierten Weltraumteleskope einen Gammastrahlenausbruch, und Observatorien in aller Welt verfolgten danach das verblassende Leuchten, eine sogenannte Kilonova. Die Trümmer enthielten schwere Elemente, ein starker Hinweis darauf, dass solche Kollisionen einen Großteil des Goldes und Platins im Universum schmieden.

Gravitationswellen machen Schwarze Löcher sichtbar, die sonst unsichtbar blieben, und zeigen, dass es sie in einer größeren Massenbandbreite gibt als erwartet. Sie erlauben es, die Allgemeine Relativitätstheorie dort zu testen, wo die Schwerkraft am stärksten ist, und bieten sogar einen unabhängigen Weg, die Expansionsrate des Universums zu messen.

Weil die Wellen Staub und Gas fast ungehindert durchdringen, bringen sie Informationen direkt aus dem Herzen von Ereignissen, die das Licht nicht zeigen kann.

Lauschen aus dem All: LISA

Detektoren am Boden hören hohe Töne von vergleichsweise kleinen Objekten. Um die langsamen, tiefen Wellen verschmelzender supermassereicher Schwarzer Löcher in Galaxienzentren einzufangen, braucht ein Detektor viel längere Arme als jeder auf der Erde.

Die Europäische Weltraumorganisation hat die gemeinsam mit der NASA gebaute Mission LISA 2024 offiziell beschlossen. Drei Raumsonden werden in einem Dreieck mit etwa 2,5 Millionen km Seitenlänge fliegen, durch Laser verbunden und der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne folgend. Stand 2026 ist der Start für etwa 2035 geplant.

Unterdessen nutzen Radioastronomen Pulsar-Timing-Arrays, die das gleichmäßige Ticken vieler Pulsare überwachen, und meldeten 2023 Hinweise auf ein leises Hintergrundbrummen sehr langer Gravitationswellen. Mit einem Teleskop kann man Gravitationswellen nicht sehen, aber öffentliche Alarmdienste teilen neue Nachweise, oft innerhalb von Minuten.