Dellen in Raum und Zeit

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02 / 2016 − FEBRUAR & MÄRZ 2016

E I N E P U B L I K AT I O N V O N

Gravitationswellen in der Simulation Zwei massereiche Himmelskörper sind ineinander gestürzt und haben damit die Raumzeit ringsum zerknittert – eine kaum messbare Irritation, die sich jedoch mit Licht­geschwindigkeit durchs All ausbreitet.

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PHYSIK

Auf der Suche nach Einsteins

Dellen in Raum und Zeit

FOTO: MICHAEL KOPPITZ/AEI/ZIB

Vor hundert Jahren errechnete Albert Einstein das wahre Wesen der Schwerkraft. Seither haben sich mehrere Forschergenerationen an seiner Theorie abgearbeitet. Jetzt stehen Wissenschafter kurz davor, die vorhergesagten Gravitationswellen tatsächlich nachzuweisen und für die Ergründung des Universums zu nutzen. Eine Forschungsreise durch vier Dimensionen.

Text: Gottfried Derka

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PHYSIK

N 1: LISA Pathfinder im All Auf verschlungenen Pfaden Richtung Sonne unterwegs. Die Sonde soll neue Tech­ niken zur Vermessung der Gravitation testen. 2: Sonde im Trockendock An Bord sind die wahr­ scheinlich sensibelsten Instrumente, die je ins All geschossen wurden.

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I E GA B E S e in Raumschiff, das un­ gewöhnlicher war: Die Sonde LISA Path­

finder, seit zwei Monaten unterwegs im All, trägt das empfindlichste Messinstrument an Bord, das jemals auf die Startrampe eines Welt­ raumbahnhofs geschoben wurde. „Da saß das Ding auf diesem Haufen Sprengstoff“, erinnert sich Projektleiter Karsten Danzmann vom Max-PlanckInstitut für Gravitationsphysik in Hannover mit leichtem Schauder an den 3. Dezember 2015 – an jenen letzten Augenblick, bevor die Triebwerke der 145 Tonnen schweren Vega-Rakete zündeten. Dann flog das Ding in die Luft – und dar­ über hinaus, genau so, wie sich das die Ingenieure im Kontrollzentrum der Europäischen Welt­raum­ organisation (European Space Agency; ESA) in Fran­ zösisch-Guayana vorgestellt hatten: Vega durch­ maß samt ihrer fragilen Fracht an der Spitze die Erdatmosphäre und erreichte das All. Nach sie­ben Minuten zündete die vierte und letzte Raketen­ stufe und jagte den Rest von Vega in eine ellip­ tische Bahn um die Erde. Plangemäß erlosch jetzt das Triebwerk, das Raum­ fahrzeug stürzte Richtung Erde, wurde schneller, um­ rundete den Planeten in na­ her Umlaufbahn. Wieder feuerte der Raketenmotor, nur kurz, und wieder ent­ fernte sich die Sonde von der Erde, weiter als davor. Fünfmal wiederholten die Ingenieure das Manöver, nach der sechsten Erd­ umrundung war LISA (die Abkürzung steht für Laser Interferometer Space Antenna) endlich schnell genug, um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen – und um Kurs zu nehmen auf die Sonne. Das war der Stand der Mission zu Redakti­ onsschluss. Anfang Fe­ bruar sollte die Sonde

abbremsen und beim Lagrange-Punkt L1 auf eine Kreisbahn um die Sonne einschwenken – jenem Ort, an dem die Anziehungskräfte von Sonne und Erde einander fast aufheben. Hier, in annähernd perfekter Schwerelosigkeit, soll das Experiment be­ ginnen, für das LISA die 1,5 Millionen Kilometer zwischen sich und Französisch-Guayana gebracht hat. Im Zen­trum: zwei Würfel aus Gold und Pla­ tin, Seiten­länge jeweils 46 Millimeter. Für die beteiligten Forscher wird das ein wichtiger Meilenstein: LISA Pathfinder ist eine Vorabmission, in deren Verlauf die Wissenschaf­ ter Technologien erproben, die in rund 20 Jahren eine neue Art der Himmelsvermessung ermög­ lichen sollen. Instrumente, wie sie an Bord von LISA durchs All fliegen, werden die gewaltigsten

Im Inneren der Sonde befinden sich zwei kleine Würfel aus Gold im freien Fall. So helfen sie, das All neu zu vermessen. Ereignisse im Universum beobachten, etwa den Zusammenprall zweier Galaxien samt ihren jewei­ ligen Schwarzen Löchern. Außerdem könnten sie einen Lauschangriff auf den Urknall starten und so Antworten liefern auf die Frage, was genau in den ersten Momenten des Universums passiert ist. Der Rohstoff für diese hochfliegenden Träu­ me sind Gravitationswellen, schwer fassbare Erschei­ nungen in Raum und Zeit, deren Existenz sich aus Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ableitet. Diese Wellen werden von bewegten Mas­ sen ausgelöst – etwa von zwei Sternen, die umein­ ander kreisen – und wabern in der Folge durch Raum und Zeit; vergleichbar mit Wellen auf ei­ nem Teich, die sich kreisförmig ausbreiten, nach­ dem ein Stein ins Wasser geplumpst ist. Wichtig dabei: Gravitationswellen bewir­ ken kurzzeitige Stauchungen und Dehnungen des Raums – umso mehr, je massereicher die bewegten Objekte sind. Allerdings ist der Effekt denk­

LISA Pathfinder Wie die Schichten einer Zwiebel umhüllt die Sonde ihre Fracht. Nur so können die beiden Würfel unbehelligt von äußeren Einflüssen frei durch das All fallen. Die Sonde „folgt“ deren Pfad.

Solarmodul

Würfel aus Gold, 38 Zentimeter voneinander entfernt Laservermessungseinheit Gehäuse mit Messgeräten

neuartige Bauteile, für LISA maßgeschneidert

Zylinder – er isoliert die Fracht vom Rest der Sonde

FOTOS: ESA/ATG MEDIALAB, WWW.PICTUREDESK.COM

Computer- und Diagnosesysteme, zusammengebaut in Ottobrunn, Deutschland

vierte Antriebsstufe

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Die Reise von LISA Pathfinder Start: Dezember 2015 Anreise: Eine Vega-Rakete schoss die 1,9 Tonnen schwere Sonde von Französisch-Guayana aus ins All.

L1 Ziel erreicht: 1,5 Millionen Kilo­ meter von der Erde entfernt kreist LISA auf einer Umlauf­ bahn um die Sonne.

Das Schleudermanöver: Die Sonde flog in immer weiteren Bahnen um die Erde. Nach zwei Wochen und sechs Umrundungen überwand sie die Anziehungskraft des Heimatplaneten.

Ziel der Mission ist es, neue Technologien für ein völlig neuartiges Himmelsobservatorium zu entwickeln. LISA wird an einem Ort arbeiten, an dem sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne beinahe vollständig aufheben.

Schwere Köpfe Was ist Schwerkraft, und woher kommt sie? Darüber haben sich die führenden Denker ihrer Zeit den Kopf zerbrochen.

Aristoteles (384–322 v. Chr.) Der große griechische Philosoph meinte, dass alles unterhalb der Laufbahn des Mondes zum Mittel­ punkt der Erde streben würde. Weiter entfernte Himmelskörper wären von dieser Kraft nicht betroffen.

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Anbremsen: Kurz vor der Ankunft am Ziel bremsen Raketen die Sonde ab. Anreise: Sechs Wochen lang raste die Sonde auf die Sonne zu.

bar schwach. Die Gravitationswellen von zwei ein­ ander umkreisenden Schwarzen Löchern würden ein Lineal von einer Million Kilometer Länge um den Durchmesser eines Atoms verlängern. Kein Wunder also, dass bis heute niemand Gravitations­ wellen messen und sie damit direkt nachweisen konnte. Sie sind das letzte von Einstein auf Grund­ lage theoretischer Überlegungen vorher­ gesagte Natur­phänomen, das noch unbewiesen ist. Wissenschafter in aller Welt sind sich jedoch ziemlich sicher, dass Einstein recht hatte. Sie wis­ sen, dass ein Nobelpreis demjenigen winkt, der die berühmte Theorie beweisen kann. Entsprechend angestrengt arbeiten die Wellenjäger. Teams in den USA, in Europa und Japan rittern einerseits gemeinsam, andererseits aber auch gegeneinander darum, das Phänomen endlich dingfest zu machen. Von Goldwürfeln im All und einem Rennen um den ersten Nachweis von Gravitationswellen war im Jahre 1907 noch längst keine Rede. Einstein war Beamter in Bern und prüfte P ­ atentanträge. Zum Genie wurde er erst nach Dienstschluss. Da streifte ihn der „glücklichste Gedanke meines Le­ bens“. Dem folgte eine Kette von Schlussfolgerun­ gen, die die Forscher bis heute in Atem halten. Doch der Reihe nach. Einsteins Gedanke lau­ tete zunächst schlicht: Wenn ein Mann vom Dach

fällt, spürt er im Fallen sein eigenes Gewicht nicht mehr. Zweiter Schritt: Würde sich der Mann in einem geschlossenen Raum aufhalten, der sich im freien Fall befindet (etwa in einem abstürzenden Fahrstuhl), so wüsste er nicht, ob er schwerelos ist oder fällt. Und weiter: Würde der Fahrstuhl durch die Schwerelosigkeit des Alls reisen und durch einen Antrieb stetig (Richtung Kopf) beschleunigt werden, so hätte der Fahrgast eine authentische Wahrneh­ mung von Schwerkraft: Seine Füße würden zum Boden der Kabine gedrückt. Also, so Einstein: Be­ schleunigung und Schwerkraft wirken ident! Damit hatte er die Türe geöffnet für einen weiteren Gedankengang. Wir sind wieder beim Mann im kosmischen Fahrstuhl. Ein Lichtstrahl fällt in die Kabine, durch ein kleines Fenster, einen Meter über dem Boden. Der Fahrstuhl beschleu­ nigt weiter, der Lichtstrahl durchquert die Kabine und erreicht die gegenüberliegende Wand – wegen der Beschleunigung der Kabine aber nicht einen Meter über dem Boden, sondern ein wenig tiefer. Der Mann im Fahrstuhl bemerkt: Die Schwerkraft (oder die Beschleunigung, das ist ja egal) hat den Lichtstrahl „verbogen“. Das glaubte zunächst einmal kaum jemand. Ein Beweis musste her. Auftritt Wellenjäger Num­ mer eins: Erwin Freundlich, Astronom in Berlin.

PHYSIK

Das Prinzip der Nachfolgemission Start: in rund 20 Jahren Das Prinzip ist simpel, die Technologie ist es gar nicht. Drei Satelliten treiben im Formationsflug durchs All. Sie sind mehrere Millionen Kilometer voneinander entfernt und messen ihren Abstand mit Laserstrahlen. Wenn eine Gravitationswelle den Abstand verändert, schlagen die Sonden Alarm. Astronomen könnten aus diesen Daten die Richtung bestimmen, aus der die Wellen heranbrandeten. Das ließe Aufschlüsse über gewaltige, aber anders nicht beobachtbare Ereignisse im All zu, etwa das Verschmel­ zen zweier Schwarzer Löcher.

FOTOS: WWW.PICTUREDESK.COM, ESA ATG MEDIALAB; ILLUSTRATION: DENIS MUJAKOVIC

Er stattete eine Expedition auf die Halbinsel Krim aus, denn dort wurde am 21. August 1914 eine Sonnenfinsternis erwartet. Freundlich wollte das Himmelsspektakel nützen, um nachzuweisen, dass die Schwerkraft der Sonne tatsächlich das Licht weit entfernter Sterne beugt. Einstein bot 2.000 Mark aus seinen Ersparnissen zur Unterstützung,

Eine simples Gedankenexperiment öffnete Einstein die Tür zu einer völlig neuen Erklärung von Raum und Schwerkraft. so viel war ihm an dem Nachweis gelegen. Freundlich kam zwar auch ohne diese Spende bis auf die Krim, dann aber nicht mehr weit: Österreich und Ungarn sowie Deutschland hatten Russland den Krieg erklärt. Freundlich wurde als feindlicher Ausländer verhaftet, seine Gerätschaften konfisziert. Erst Wochen später kam er wieder frei, da war die Sonnenfinsternis längst vorbei. Mehr Glück hatte schließlich der britische Astronom

und Einstein-Versteher Arthur Eddington. Er reiste Ende Mai 1919 auf die Insel Príncipe vor der Westküste Afrikas; er konnte eine Sonnenfinsternis beobachten und auch dass die Sonne das Licht ferner Sterne zu verbiegen scheint. Und zwar genau so, wie Einstein das vorhergesagt hatte. Und der wurde damit über Nacht zum Star. Nun bekommt auch seine 1915 veröffentlichte Allgemeine Relativitätstheorie die verdiente Aufmerksamkeit. Schwerkraft, so steht da sinngemäß, ist gar keine Kraft, sondern eine Krümmung des Raumes. Illustriert wird das gern mit einer schweren Kugel, die auf einer weichen Matratze liegt und hier eine Delle verursacht. Genau so würde zum Beispiel die Sonne die Raumzeit „ein­drücken“. Und die Planeten, die um einen Stern kreisen? Die segeln – laut Einstein – eigentlich schnurgerade durch den Raum. Weil aber der Raum so krumm ist, ist auch die Planetenbahn krumm – sie tanzen auf einer Kreisbahn um die Sonne. Wenn nun zwei große Massen in Bewegung zueinander geraten, dann verursachen sie nicht nur „Dellen“ in der Raumzeit, sondern Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese Wogen, meinte Einstein, hätten aber für menschliche Begriffe derart geringe Auswirkungen, dass er ihren Nachweis wohl nicht mehr erleben werde.

Galileo Galilei (1564–1642) Er beschrieb den freien Fall als gleichmäßige Beschleunigung, die unabhängig ist von der Masse des beschleunigten Gegenstands. Dass er seine Theorie durch Fall­ experimente vom Schiefen Turm von Pisa erprobte, ist allerdings eine Legende.

Isaac Newton (1642–1726) Noch eine Legende: Ein Apfel sei dem britischen Gelehrten auf den Kopf gefallen. Ganz sicher hat Newton jedoch zuverlässige Gravitationsgesetze formuliert, die etwa die Bewegung von Planeten sehr genau beschreiben.

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Aufnahme des HubbleWeltraumteleskops Weit entfernte, punktförmige Lichtquellen erscheinen bei genauer Betrachtung von der Erde aus als kurze Bögen oder Kreise, wenn die Lichtstrahlen von massereichen Objekten dazwischen gekrümmt wurden. Solche Bilder belegen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie.

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Beobachtung 1 Der Gravitationslinseneffekt Große Massen biegen die Raumzeit – und damit auch das Licht. Zunächst gelang es, diesen Effekt bei der Beobachtung von Sonnenfinsternissen nachzuweisen: Sternenlicht, das die Sonne passiert, wird gekrümmt. 1936 warf Einstein die Idee auf, statt der Sonne ganze Cluster von Galaxien auf ihre Beugungskräfte hin zu untersuchen. Es zeigte sich ein deutlicher Linsen­ effekt (u.): Das Licht von der Galaxie (r.) wird durch Galaxien dazwischen auf seinem Weg zur Erde bogenförmig gebeugt.

Auch mit dieser Prognose sollte das Physik­ genie recht behalten. Die Gravitationswellen blie­ ben reine Theorie, bis in den 1970er-Jahren eine neue Generation von Wellenjägern auf die Bühne trat: Die US-Astronomen Joseph Hoorton Taylor und Russell Alan Hulse beobachteten mit dem Ra­ dioteleskop von Arecibo in Puerto Rico ein Stern­ system, genannt PSR 1913+16. Sie stellten fest, dass dort zwei Himmelskörper – jeder mit dem etwa Eineinhalbfachen der Sonnenmasse – in einer wil­ den Polka um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. Detaillierte Messungen zeigten: Die beiden schienen an Schwung zu verlieren und sich dabei anzunähern. Doch wohin sollte die Energie ver­ loren gehen? Taylor und Hulse besannen sich auf Einsteins Theorie und rechneten nach. Alles passte zusammen: Den Sternen geht die Luft aus, weil sie Gravitationswellen ins All senden. Die Kollegen­ schaft war beeindruckt, 1993 teilten sich Hulse und Taylor den Physik-Nobelpreis. Dabei hatten sie die Gravitationswellen erst indirekt nachgewiesen.

FOTOS: WWW.PICTUREDESK.COM; ILLUSTRATION: ANDREAS LEITNER

Schon der indirekte Nachweis von Gravitationswellen brachte einen Nobelpreis. Nun soll das Phänomen exakt vermessen werden. Ginge das nicht noch genauer? Der US-­ Astronom Marc Kamionkowski und sein Team berechneten 1997, dass jene Gravitationswellen, die kurz nach dem Urknall durch das junge Uni­ versum rauschten, Spuren hinterlassen haben müs­ sen, die bis heute nachweisbar sind – mit speziali­ sierten Teleskopen, die nicht etwa sichtbares Licht einfangen, sondern Mikrowellenstrahlung, die be­ reits seit 13 Milliarden Jahren das All durchdringt. Sehr gute Bedingungen dafür herrschen am Süd­ pol, wo trockene, staubfreie Luft einen besonders klaren Blick in den Himmel erlaubt. Sie sammel­ ten Daten, analysierten. Nutzten ein zweites Tele­ skop. Ein Jahr lang prüften sie ihre Messresultate,

Albert Einstein (1879–1955) Seine Überlegung zur Raumzeit führt zu dem Schluss, dass Schwerkraft und Beschleunigung äquivalent sind, daher können sie beide das Licht beugen. Arthur Eddington (1882–1944) Dem britischen Astronom gelang der erste Nachweis, dass Licht tatsächlich so gekrümmt wird wie von Einstein vorausgesagt.

und am 17. März 2014 trat man an die Öffent­ lichkeit: In der Mikrowellenstrahlung hätten sie Muster entdeckt, wie sie nur Gravitationswellen verursacht haben können. Der Theoretiker Kami­ onkowski war begeistert: „Wenn diese Entdeckung bestätigt wird, dann ist der Nobelpreis fällig.“ Allein: Er hatte sich zu früh gefreut. Die ver­ meintliche Sensation zerfiel bereits nach wenigen Monaten zu kosmischem Staub. Das entdeck­ te Muster war nicht durch Gravitationswellen, sondern durch Partikel von Sternenstaub im All zustande gekommen – das bewiesen Messungen der europäischen Weltraumsonde Planck, die im Jänner des Vorjahres präsentiert wurden. „Gravi­ tationswellen bleiben weiterhin schwer fassbar“, titelten die Europäer süffisant. „Wir sind alle nur Menschen“, entschuldigte sich der leitende US-­ Forscher vom Südpol.

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Beobachtung 2 Die Pulsar-Polka

Joseph H. Taylor (*1941) Der Radioastronom suchte eigentlich nach damals noch wenig erforschten Pulsaren. Er fand einen, allerdings in Be­ gleitung eines zweiten Sterns. Russell A. Hulse (*1950) Für ihn waren Pulsare lediglich Stoff für seine Abschlussarbeit. Am Ende fand er einen Beweis für die Allgemeine Relativitätstheorie. Und gewann damit den Nobelpreis.

Die Jagd nach den Wellen geht also weiter, und zwar mit erstaunlichem Aufwand. In den USA, Europa und Japan stehen vier Observatorien, die alle demselben Prinzip folgen: Forscher jagen Laserstrahlen durch kilometerlange Tunnel und darin zwischen Spiegeln hin und her. Wird die Anlage von einer Gravitationswelle getroffen, verändert das geringfügig die Distanz, die der Strahl zurücklegt. 440 Millionen Dollar haben die USA in zwei solcher Anlagen investiert, eine davon steht mitten in einem entlegenen Forst in Louisiana. Das Problem: Da werden Bäume gefällt. Die dadurch verursachten Erschütterungen störten die sensiblen Apparaturen. 900 Wissenschafter mühten sich fast zehn Jahre lang, eine Gravitations­welle fingen sie nie. Also wurden die Observatorien um weitere 200 Millionen verbessert. Nunmehr sind die Messgeräte robuster und erheblich genauer als zuvor. Wie genau, das versuchen die Forscher mit einem Vergleich zu illustrieren: Würde man den Laser statt durch die vier Kilometer langen Tunnel zum 4,3 Lichtjahre entfernten Stern Alpha Centauri jagen, dann könnten sie eine Längenveränderung feststellen, die so klein ist wie der Durchmesser eines menschlichen Haares. Im September 2015 begann ein dreimonatiger Testlauf, und sofort tauchten Gerüchte auf, dass erste Gravitationswellen beobachtet worden seien. Derzeit werden die Messgeräte nachgeschärft, im Herbst wollen die Amerikaner wieder detektieren. Spätestens für dann wird allgemein ein Erfolg erwartet. Der Wettlauf der Wellenjäger wäre nach etwas über 100 Jahren endlich entschieden. Noch davor, bereits Anfang Februar, erreicht die Sonde LISA ihre Parkposition zwischen Erde und Sonne. Jene Klammern, die bis dahin die goldenen Würfel in ihrer Position gehalten haben, werden zurückgezogen, damit sie völlig unbeeinflusst im perfekten freien Fall durchs All fliegen können. Die Aufgabe der Sonde besteht von da an darin, die Flugbahn der Würfel vor Sonnenwinden oder Magnetfeldern abzuschirmen. Sensoren detektieren, wenn einer der Würfel sich der Riesen-Radioteleskop Arecibo in Puerto Rico Die Schüssel reflektiert mit ihren über 300 Metern Durch­ messer Radiosignale aus dem All zur Antenne. Deren Position bestimmt, welcher Winkel des Alls abgehört wird.

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FOTOS: WWW.PICTUREDESK.COM, CORBIS IMAGES; ILLUSTRATION: ANDREAS LEITNER

1974 beobachteten die zwei US-Astronomen Joseph Taylor und Russell Alan Hulse mithilfe eines Radioteleskops in Puerto Rico einen Pulsar – einen extrem schnell rotierenden Neutronenstern, der elektromagne­tische Pulse aussendet – sowie einen zweiten Neutronenstern in un­­mittel­barer Nähe. Die beiden umkreisen einen gemeinsamen Schwerpunkt, doch dabei nähern sie sich immer mehr an – das Doppelsternsystem verliert also Energie. Einzige Erklärung: Das Paar strahlt Gravitationswellen ab. Dafür erhielten Hulse und Taylor 1993 den Nobelpreis für Physik.

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Mit dem Teleskop BICEP schauten US-Forscher vom Südpol aus in den Himmel. Sie studierten, wie die kosmische Hintergrundstrahlung polarisiert ist. Annahme: Die Polarisation müsste von Gravitationswellen verändert worden sein, die bald nach dem Urknall durch das junge Universum wogten. Sie fanden Hinweise und publizierten sie. Und mussten kurz darauf eingestehen, dass sie nur kosmischen Staub aufgezeichnet hatten. Aufgeflogen ist der Irrtum so schnell, weil auch der Satellit Planck die Hintergrund­ strahlung vermessen hat – und das viel genauer. Dabei fanden sich keinerlei Spuren von Gravitationswellen.

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Beobachtung 3 Der schwache BICEP2

Die kosmische Hintergrundstrahlung Diese Aufnahme stammt von der Sonde Planck und zeigt, wie Mikrowellen seit Anbeginn der Zeit das All durchdringen. Spuren von Gravitationswellen gibt es hier keine.

Mikrowellendetektoren am Südpol Resultate von zwei Instrumenten wiesen auf Spuren von Gravitationswellen hin. Ein Messfehler.

Innenwand der Sonde nähert – und die reagiert darauf mit einer Kurskorrektur. Für diese Manöver sind Triebwerke zuständig, „die so schwach sind, dass tausend davon gerade einmal ein Blatt Papier heben könnten“, so Experte Danzmann. LISA ist somit die erste Weltraummission, bei der die Fracht den Kurs des Schiffes bestimmt.

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Marc Kamionkowski Er wähnte sich schon am Höhe­punkt seiner Forscher­ karriere – bis sich in den Daten Messfehler zeigten.

Während der maximal einjährigen Mission werden Laser den Abstand zwischen den beiden Würfeln vermessen. Um Gravitationswellen geht es dabei nur bedingt. „Der Abstand der Würfel ist zu gering, um die Auswirkungen einer solchen Welle zu registrieren“, sagt LISA-Wissenschafter William Weber von der Universität Trient.

FOTOS: LAIF, KEITH VANDERLINDE, JOHN HOPKINS UNIVERSITÄT; ILLUSTRATION: ANDREAS LEITNER

Clement Pryke Der US-amerikanische Wissenschafter prüfte seine Messergebnisse ein Jahr lang – und irrte sich trotzdem.

Versuch 4 VIRGOS Schenkel Das Gravitationswellenobservatorium nahe Pisa in Italien besteht aus zwei jeweils drei Kilometer langen, im rechten Winkel zu­ einander angeordneten Tunneln, durch die ein Laser gejagt und zusätzlich hin und her reflektiert wird. Die Annahme lautet: Wenn eine Gravitationswelle darüber hinweg­schwappt, dann verkürzt oder verlängert sie die vom Laserstrahl zurückgelegte Distanz so sehr, dass sie anhand der einander überlagernden Schwingungen des Lichts detektiert werden kann. Die erste Messung soll noch heuer gelingen.

Im Grundzustand heben sich die Laserwellen in den Röhren exakt auf.

Verkürzt eine Gravi­ta­ tions­welle eine Röhre, funktioniert die Auf­ hebung nicht mehr.

„Zunächst wollen wir die Technologie verstehen, begreifen, welche technischen Faktoren die Flugbahn wie beeinflussen.“ Für höchstens ein Jahr reicht der Treibstoff, die letzte Reserve wird genutzt, um das Raumschiff auf eine Parkbahn zu bugsieren, wo es samt seinen Würfeln noch ein paar Jahrtausende lang um die Sonne kreisen darf. 400 Millionen Euro kostet der Ausflug, eine astronomisch wirkende Summe, die nur deshalb von der ESA investiert wurde, weil LISA den Weg für noch Größeres bahnen soll: Ihre Technologie soll die Grundlage liefern für ein Weltallobservatorium, das diesen Namen gleich aus

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Observatorium VIRGO außen und innen Laserstrahlen werden durch kilometerlange Tunnel gejagt.

zwei Gründen verdient. Zunächst: Es soll im All installiert werden – wenn alles gutgeht, noch in den späten 2020er-Jahren. Drei Satelliten werden auf einer komplizierten Flugbahn um die Sonne durchs All treiben und dabei – auch mithilfe der bis dahin perfektionierten Minitriebwerke – einen Abstand von mehreren Millionen Kilometern zueinander halten. Sie werden diesen Abstand mit Laserstrahlen ständig vermessen und so besser als jedes Tunnelobservatorium die Auswirkungen von Gravitationswellen registrieren können. „Weil eine solche Welle mehrere Arme des Dreiecks trifft, können wir die Richtung bestimmen, aus der sie gekommen ist“, so Forscher Weber. Die Genauigkeit des Observatoriums sei vergleichbar mit einem Teleskop, dessen Objektiv so groß ist wie der Durchmesser der Umlaufbahn, auf dem sich die drei Satelliten bewegen. „Wir können damit das gesamte Universum nach Quellen von Gravitationswellen absuchen“, schwärmt auch sein Kollege Danzmann. „Das wirklich zu begreifen fällt sogar mir manchmal schwer.“ So wäre es etwa ein Leichtes, eine sich anbahnende Kollision zweier großer Massen zu erkennen. Und wenn es dann wirklich kracht, könnten andere Teleskope längst auf die richtige Stelle im All gerichtet sein. Und dann wäre da noch die Sache mit dem Urknall. Ließen sich jene Gravitationswellen vermessen, die seit Anbeginn der Zeit durchs All unterwegs sind, dann gäbe das Aufschluss über den genauen Ablauf der Ereignisse. Und daraus könnten die Forscher wiederum Erkenntnisse gewinnen über die Naturkräfte, die die kosmische Krabbelstube beherrschten. Das wiederum würde helfen, die Naturgesetze der Quantenphysik mit jenen der Relativitätstheorie zu einer allumfassenden Weltformel zu verschmelzen – ein Kunststück, das bisher noch nicht gelungen ist. Und womit hat all das begonnen? Mit dem glücklichen Gedanken eines Genies – über einen Mann, der vom Dach fällt.

PHYSIK

FOTOS: AEI/ITP/ZIB, EUROPEAN GRAVITATIONAL OBSERVATORY, DR. MATTHEW HEINTZE; ILLUSTRATION: ANDREAS LEITNER

Dichte

Simulation einer Sternkollision Errechnet von einem Supercomputer, zeigt das Bild eines jener Ereignisse, die ein Gravi­tations­ observatorium frühzeitig entdecken könnte.

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