Vor zehn Jahren gelang der endgültige Nachweis von Gravitationswellen. Sie bestätigten Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – und ermöglichen ganz neue Erkenntnisse über das Universum.
Vor genau zehn Jahren, am 11. Februar 2016, gelang ein wissenschaftlicher Durchbruch: Ein internationales Team von mehr als tausend Forschenden veröffentlichte den ersten Nachweis von Gravitationswellen, eine der faszinierendsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Das damals gemessene Signal stammte aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher – ein Ereignis, das Raum und Zeit in Schwingung versetzt.
So entstehen Gravitationswellen
Gravitationswellen entstehen, wenn sehr massereiche Objekte beschleunigen oder kollidieren. Dabei werden Raum und Zeit regelrecht „gestreckt“ und „gestaucht“ – ähnlich wie die kreisförmigen Wellen, die entstehen, wenn ein Stein ins Wasser fällt.
Die US-Wissenschaftler Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne erhielten für ihren ersten direkten Nachweis der Gravitationswellen 2017 den Physik-Nobelpreis.
Signale von Schwarzen Löchern und Neutronensternen
An dem Nachweis von Gravitationswellen waren aber auch deutsche Forschende beteiligt, darunter Karsten Danzmann vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. Inzwischen wurden hunderte Gravitationswellen-Signale nachgewiesen. Viele weitere würden gerade ausgewertet, sagt Danzmann.
Dabei handelt es sich nicht nur um Signale von Kollisionen Schwarzer Löcher. Denn Gravitationswellen entstehen auch, wenn Neutronensterne kollidieren – miteinander oder mit Schwarzen Löchern.
Neutronensterne sind ein Endstadium in der Entwicklung von Sternen und ebenfalls extrem massereich. Ein Teelöffel Neutronenstern-Material würde mehrere Milliarden Tonnen wiegen. In ihrem Kern werden Protonen und Elektronen zu Neutronen zusammengepresst, was ihnen ihren Namen gibt.
Rätsel um Herkunft schwerer Elemente gelöst
Die Verschmelzung zweier Neutronensterne wurde 2017 zum ersten Mal nachgewiesen. Laut Physiker Danzmann gelang in dem Zusammenhang auch die bisher aufregendste Entdeckung der Gravitationswellenforschung: „Seitdem wissen wir, wie die schweren Elemente gemacht werden. Sonst wüssten wir gar nicht, wo das Gold herkommt.“
Schwere Elemente sind zu massereich, um im Inneren eines Sterns „gebrannt“ zu werden oder bei einer Sternexplosion zu entstehen, so wie es bei den leichteren Elementen der Fall ist. Lange war daher unklar, wie diese schweren Elemente entstehen – bis das Gravitationswellensignal dann bestätigte: Das Gold auf der Erde, aber auch Elemente wie Platin und Uran, stammen ursprünglich aus der Verschmelzung von Neutronensternen.
Blick in die Zukunft: Neue Teleskope und Messmethoden
Die Messung von Gravitationswellen ermöglicht also einen neuen Blick auf Vorgänge im Universum, bei denen große Massen im Spiel sind. Künftige Projekte könnten die Forschung noch weiter voranbringen:
Das Einstein-Teleskop:
- Geplante Inbetriebnahme: in etwa zehn Jahren.
- Funktionsweise: Mithilfe von Laserstrahlen werden winzige Verzerrungen von Raum und Zeit gemessen, die durch Gravitationswellen verursacht werden. Ähnlich wie das LIGO-Laserinterferometer – das Messgerät, mit dem die ersten Gravitationswellen gefunden wurden.
- Besonderheit: Das Einstein-Teleskop soll noch einmal zehnmal empfindlicher sein als LIGO. Wo es gebaut wird, ist noch unklar. Auch Deutschland hat sich als Standort beworben.
Das LISA-Projekt:
- Geplante Inbetriebnahme: ebenfalls in etwa zehn Jahren.
- Ziel: LISA soll Gravitationswellen von supermassereichen Schwarzen Löchern messen, die Millionen Mal schwerer sind als die Sonne.
- Besonderheit: LISA ist als Gravitationswellen-Detektor im Weltraum geplant. Dort kann der Detektor erschütterungsfrei betrieben werden und ist deshalb empfindlicher.
Detektion von Gravitationswellen mit Radiopulsaren:
- Funktionsweise: Radiopulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die wie Leuchttürme im All blinken. Allerdings nicht im Bereich des sichtbaren Lichts, sondern im Bereich der Radiostrahlung. Zieht eine Gravitationswelle zwischen dem Radiopulsar und der Erde durch, verändert sich für einen Beobachter auf der Erde die Frequenz des Radio-Blinkens. Auch so werden Gravitationswellen messbar.
Gravitationswellen könnten Spuren des Urknalls zeigen
Physiker Danzmann verknüpft noch eine ganz persönliche Hoffnung mit der künftigen Gravitationswellenforschung: „Was ich persönlich mir wünschen würde, ist, dass wir den Anfang des Universums hören“, sagt er. „Man muss nur so empfindlich werden, dass man so weit raushorchen kann, dass man die Signale von vor 13 Milliarden Jahren detektieren kann. Und wenn wir dem zuhören können, dann hören wir den Urknall – wenn es ihn denn gab.“