Nachweis von Gravitationswellen erbracht

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Computersimulation der von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern ausgelösten Gravitationswellen in der Raum-Zeit (Illu.)

Copyright: LIGO

Washington (USA) – Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, Wellen in der sogenannten Raum-Zeit und damit in der Struktur des Universums zu beobachten. Die sog. Gravitationswellen wurden durch das Verschmelzen zweier weit entfernter Schwarzer Löcher zu einem einzigen ausgelöst, wie es zuvor ebenfalls nur theoretisch für möglich gehalten – bislang jedoch nie beobachtet werden konnte. Ihr Nachweis bestätigt eine der wichtigsten Vorhersagen, die Albert Einstein als Folge seiner allgemeinen Relativitätstheorie vor rund 100 Jahren machte und öffnet der Wissenschaft nun gänzlich neue Einblicke in den Kosmos.

Gravitationswellen tragen in sich Informationen über ihren wahrhaft gewaltigen Ursprung und damit über die Natur der Gravitation, wie sie auf andere Weise niemals gewonnen werden könnten.

Wie das internationale Wissenschaftlerteam am gestrigen Donnerstag auf eine Pressekonferenz berichtete, gelang die Ortung der Gravitationswellen bereits am 14. September 2015 um 9:15 Uhr  (UTC) mit den Zwillingsinstrumenten des „Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory“ (LIGO) in Livingston im US-Bundesstaat Louisiana und Hanford, Washington.

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02110Jedes der beiden Observatorien besteht aus einem 4 Kilometer langen, L-förmigen Interferometer (s.Abb.l.) – einem Instrument, in dem Laserlicht in zwei Strahlen aufgespalten wird und entlang der beiden Arme innerhalb eines fast perfekten Vakuums hin und her reist. Mit Hilfe dieser Strahlen wird fortwährend die Distanz zwischen Spiegeln an den jeweiligen Enden der Arme gemessen, da sich diese Entfernung – laut Einsteins Vorhersage – beim Passieren von Gravitationswellen in nahezu unendlich kleinste Weise verändert. Diese Veränderung kann dann mit hochsensiblen Detektoren gemessen werden, die noch Längenunterschiede von dem Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons (10-19 Meter).

Zur Entdeckung der Gravitationswellen haben auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und Potsdam und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH) in mehreren Schlüsselgebieten entscheidend beigetragen.

Die jetzt detektierten Signale stimmen fast genau mit den zuvor von den Wissenschaftler vorherberechneten Signalen von Gravitationswellen überein, wie sie von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern hervorgerufen werden sollten: „Seit Jahren arbeiten wir daran, die Gravitationswellen zu modellieren, die von einem der extremsten Ereignisse im Universum ausgestrahlt werden: Paare Schwarzer Löcher, die einander umrunden und dann miteinander verschmelzen. Und genau dieses Signal haben wir nun gefunden“, erläutert Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm. „Es ist überwältigend zu sehen, wie genau Einsteins Relativitätstheorie die Realität beschreibt (s. Abb.). GW150914 stellt eine bemerkenswerte Gelegenheit dar, Gravitation unter Extrembedingungen zu untersuchen.“

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Die gemessenen Signale von Hanford (o.) und Livingston (m.) stimmen mit den zuvor vorhergesagten Signalkurven (dünne Linien), sowie miteinander (u.) fast genau überein.

Copyright: LIGO

Anhand der beobachteten Signale schließen die Wissenschaftler, dass die beiden Schwarzen Löcher jeweils 29 und 36 Sonnenmassen beinhalteten und vor 1,3 Milliarden Jahren miteinander zu einem einzelnen rotierenden massereichen Schwarzen Loch (mit der Bezeichnung GW150914) verschmolzen. Bei diesem Vorgang wurde unter Freisetzung des 50-fachen der Energie des gesamten Universums eine Masse von rund drei Sonnen innerhalb eines Sekundenbruchteils in Gravitationswellen verwandelt. Da der Detektor in Livingston das Signal sieben Millisekunden vor dem in Hanford gemessen hatte, schlussfolgern die Forscher, dass sich das Ereignis in der südlichen Hemisphäre ereignet hatte.

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Computersimulation der beiden Schwarzen Löcher (Illu.).

Copyright: LIGO/Caltech

Laut der allgemeinen Relativitätstheorie verlieren sich einander umkreisende Schwarze Löcher durch die Abgabe von Gravitationswellen Energie, wodurch sie sich über einen Zeitraum von vielen Milliarden Jahren immer mehr einander annähern und schlussendlich miteinander zu einem einzigen verschmelzen. Hierbei wandeln sie – ganz gemäß Einsteins bekannter Formel: E=mc2 – einen Teil ihrer gemeinsamen Masse in Energie um. Es ist diese Energie, die dann als starker Ausstoß von Gravitationswellen freigesetzt wurde, wie sie jetzt von den LIGO-Instrumenten geortet wurden.


Die Visualisierung zeigt die beiden 29 und 36 Sonnenmassen schweren schwarzen Löcher zunächst aus einer Entfernung von etwa 30.000 Kilometern. Man erkennt die abgestrahlten Gravitationswellen (orange); um die schwarzen Löcher herum ist das starke Gravitationsfeld dargestellt, das beim Zoom genauer zu sehen ist. Die Stärke des Gravitationsfeldes nimmt von innen (grün) nach außen hin (rot) ab. Beim Herauszoomen werden wieder die Gravitationswellen sichtbar. Bei den nun auftretenden hellorangen Strukturen handelt es sich um die besonders starken Gravitationswellen, die entlang der Rotationsachse (senkrecht zur Umlaufbahn) ausgesendet werden. Am Ende verschmelzen die schwarzen Löcher miteinander. Im Schlusszoom sieht man das resultierende schwarze Loch – es besitzt 62 Sonnenmassen – und das starke Gravitationsfeld (keine Wellen).
Copyright: MPG

„Diese Entdeckung ist der Beginn einer neuen wissenschaftlichen Ära. Der Ära der Gravitationswellen-Astronomie“, erklärte die Sprecherin der LIGO Scientific Collaboration, Prof. Gabriela González von der Louisiana State University. „Jetzt können wir uns an die Erforschung der gekrümmten Seite des Universums begeben“, fügt Kip Thorne, einer der Initiatoren der LIGO-Instrumente hinzu und führt weiter aus: „Jetzt können wir damit beginnen, Objekte und Phänomene zu erkunden, die aus gekrümmter Raum-Zeit bestehen. Kollidierende Schwarze Löcher und die von ihnen ausgelösten Gravitationswellen sind erst die ersten schönen Beispiele.“

Von einem Netzwerk weiterer Detektoren erhoffen sich Wissenschaftler nun zukünftig weitere Entdeckungen: „Hoffentlich wird diese erste Beobachtung den Ausbau eines weltweiten Netzwerks von Detektoren beschleunigen, mit dem wir dann die genauen Quellen zukünftiger Beobachtungen bestimmen können.“

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