Einsteins vollendete Symphonie

Die Entdeckung der Gravitationswellen

Am 11. Februar dieses Jahres ging die Meldung von einem Jahrhundert-Ereignis durch die Medien. Auf der Pressekonferenz des National Press Club Washington DC war es kurz vorher weltweit verkündet worden: „Wir haben Gravitationswellen nachgewiesen, wir haben es geschafft.“ Prof. Dr. Udo Strohbusch, Professor am Institut für Experimentalphysik (DESY) in Hamburg und Mitglied von NEW GENERATION, hält zu diesem Thema am 26. Oktober 2016 einen Vortrag im NewLivingHome (s. S. 23) und erklärt im folgenden die aufsehenerregende Entdeckung.

s gibt sie also, die von Einstein vor hundert Jahren vorausgesagten Gravitationswellen. Auf einer Sitzung der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin hat er sie im Frühjahr 1916 als Konsequenz seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorgestellt: Sie sollen immer dort entstehen, wo große Massen beschleunigt werden wie etwa bei der Explosion ferner Sterne oder der Kollision von Himmelskörpern, um sich dann als Beben des Raumzeitgefüges mit Lichtgeschwindigkeit ungebremst durchs Universum auszubreiten. Das klingt sehr geheimnisvoll, aber die Wirkung ist Realität: Auf dem Weg einer vorbeiziehenden Gravitationswelle werden Längen und Abstände der Gegenstände in Schwingung versetzt. Der zu erwartende Effekt ist allerdings so schwach, dass Einstein selbst nicht daran glaubte, dass seine Gravitationswellen jemals nachgewiesen werden könnten.

Der Weg bis zum Erfolg erwies sich – ganz Einsteins Erwartung gemäß – als überaus schwierig. Erste Versuche mit tonnenschweren Metallzylindern als Antennen scheiterten. Man hatte gehofft, dass sie durch Gravitationswellen zu messbaren Vibrationen angeregt würden ähnlich wie Stimmgabeln unter der Wirkung von Schallwellen in Schwingung geraten. Heute weiß man, dass die Empfindlichkeit solcher Systeme entschieden zu klein ist. Sie hätten allenfalls auf sehr starke Sternexplosionen innerhalb unserer Heimatgalaxie reagiert. Den Gefallen einer solchen Katastrophe zur rechten Zeit tat die Milchstraße den Forschern aber nicht.

Parallel zur Zylindertechnik wurde ein neues Verfahren zum Nachweis von Gravitationswellen verfolgt, das eine um viele Zehnerpotenzen höhere Empfindlichkeit und damit auch eine viel größere Blickweite in die Tiefe des Universums versprach. Statt der Metallzylinder werden hier Spiegel eingesetzt, deren Abstände mit Hilfe von Laserlicht gemessen und überwacht werden. Nach abermals jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit mündeten diese Bemühungen schließlich in die Errichtung des „Laser Interference Gravitational Wave Observatory“ in den USA, kurz LIGO genannt. Und hier gelang endlich das große Meisterstück des ersten Nachweises einer Gravitationswelle, das vermutlich noch in diesem Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wird.

Das Jahrhundertereignis überraschte die Forscher am 14. September 2015: An diesem Tag raste die Front einer Gravitationswelle über unseren Planeten und fand das Observatorium zum Glück im Zustand voller Empfangsbereitschaft vor. Die Welle versetzte dort ein Spiegelsystem in Schwingung, die mit Hilfe des genannten äußerst genauen optischen Verfahrens aufgezeichnet wurde. Der Verlauf des Bebens erzählt den Wissenschaftlern Verblüffendes von dem Ursprung der Welle: Es ist der Todestanz zweier Schwarzer Löcher, die sich in immer enger werdender Spirale umkreisen, bis sie ineinander stürzen und zu einem schwabbelnden schwarzen Monster verschmelzen.

Schwarze Löcher sind sterneschluckende Ungetüme, die im Laufe ihrer Evolution zu so riesigen Massen angewachsen sind, dass selbst Licht ihrer Schwerkraft nicht entrinnen kann. Deswegen bleiben sie selbst unseren besten herkömmlichen Teleskopen verborgen. Auch der Prozess der Verschmelzung wäre nie beobachtet worden, gäbe es nicht die Gravitationswellen. Das Spektrum ihrer Quellen ist sehr groß. Welche Überraschungen der Gravitationswellen-Kosmos noch parat hat, lässt sich zurzeit kaum ermessen. Mit dem gelungenen Nachweis der Gravitationswellen, die anders als Licht und die anderen Formen elektromagnetischer Wellen keine materiellen Hindernisse kennen, wurde ein Fenster zum dunklen Universum geöffnet und es beginnt die neue Ära der Gravitationswellenastronomie. Romantiker formulieren das so: „Dort wo bisher nur Lichterglanz zu sehen war, bekommen wir jetzt auch die Musik des Universums zu hören und wir werden Erstaunliches über die Instrumente seines Orchesters erfahren“.

„Einstein’s unfinished symphony“ lautet der Titel eines sehr lesenswerten Buchs der Wissenschaftsautorin Marcia Bartusiak, für das sie vielfach ausgezeichnet wurde. Sie schrieb das Buch im Jahr 2008, als die Entwicklungsarbeiten für LIGO noch in vollem Gange waren. Nun ist sie vollendet, die Symphonie. Sie schließt mit den von LIGO aufgezeichneten Tönen der Raum-Zeit, einem etwas sonderbaren „chirp“ (im Internet nachzuhören). Für den beteiligten Wissenschaftler ist das verheißungsvolle, wenn auch ungewohnte Musik.

Prof. Dr. Udo Strohbusch, Institut für Experimentalphysik und DESY / Mitglied von NEW GENERATION