Eine neue Ära der Astrophysik
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Welt der Wissenschaft: Gravitationswellen Eine neue Ära der Astrophysik Das Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie hat begonnen Der 14. September 2015 wird in die Geschichte eingehen. An jenem Tag gelang der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen – 100 Jahre, nachdem Albert Einstein sie vorhergesagt hatte. Damit öffnet sich ein völlig neues Fenster zur Beobachtung des Universums. Insbesondere enge Doppelsysteme aus Neutronensternen und Schwarzen Löchern werden im Fokus dieser neuen Forschungsrichtung stehen. Von Uwe Reichert In Kürze ó Mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen am meldung erhielt. Die Rechner hatten aus der das Signal sah. Der ita- den Rohdaten ein »Ereignis« herausge- lienische Postdoktorand fischt. Das bedeutete: Die beiden LIGO-De- saß am 14. September 2015 tektoren in den USA hatten zeitgleich ein an seinem Arbeitsplatz am Max-Planck- Signal registriert, bei dem es sich um den Institut für Gravitationsphysik (Albert- lange ersehnten Nachweis einer Gravita­ Doppelsysteme aus Schwarzen Einstein-Institut) in Hannover. Hier über- tionswelle handeln könnte. Löchern stellarer Masse gibt, die wachte er Datenströme, die von LIGO, dem Wie derartige Signaturen aussehen soll- zu einem einzigen Schwarzen Loch Laser Interferometer Gravitational Wave ten, wusste Drago genau. In seiner Doktor- verschmelzen können. 14. September 2015 gelang den beiden Advanced-LIGO-Detektoren eine historische Entdeckung. ó Zugleich wurde damit b ­ estätigt, dass es im Universum enge Observatory in den USA, eintrafen und arbeit an der Universität Padua hatte er ó Sowohl die Gravitationswellen nun hier in Hannover von einem Super- einen Algorithmus entwickelt, mit dem als auch die Schwarzen Löcher rechner ausgewertet wurden. Dieser Com- sich die Rohdaten von Gravitationswel- verhalten sich exakt so, wie es putercluster namens ATLAS ist weltweit lendetektoren wie LIGO rasch auf solche 100 Jahre zuvor Albert Einstein der leistungsfähigste Großrechner, der für Muster hin analysieren lassen. Als er nun und Karl Schwarzschild anhand die Analyse von Gravitationswellendaten auf den Monitor seines Computers blickte, von Lösungen der allgemeinen eingesetzt wird. zeigte dieser ihm ein Signal wie aus dem Relativitätstheorie vorhergesagt hatten. 24 M arco Drago war der Erste, April 2016 Drago telefonierte gerade mit einem Lehrbuch: Nicht verrauscht, wie zu erwar- Kollegen aus Italien, als er von dem auto- ten wäre, sondern klar und deutlich stach matischen Auswertesystem eine Alarm- es aus den Messdaten heraus. Sterne und Weltraum SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Tanz der dunklen Giganten: Zwei Schwarze Löcher umkreisen einander in geringem Abstand. Ihre jeweiligen Aufgefangen hatten die LIGO-Detekto- Personen, die zur Geheimhaltung ver- Gravitationsfelder sind so stark, dass ren das Signal wenige Minuten zuvor, um pflichtet sind, wissen im Vorfeld von sol- sie das Gefüge der Raumzeit extrem 11:50:45 Uhr mitteleuropäischer Sommer- chen Testsignalen. Andererseits liefen die verzerren. Dadurch erscheint das von zeit. In Livingston, Louisiana, wo der eine LIGO-Detektoren noch im Experimental- entfernten Sternen und Galaxien Detektor steht, war es nun 5 Uhr in der betrieb. Während einer rund fünfjährigen kommende Licht in ihrer Umgebung Frühe. In dem 3000 Kilometer weiter nord- Umbauphase waren komplett neue tech- stark abgelenkt. Die Computersimu- westlich gelegenen Hanford, Washington, nische Systeme eingebaut worden, um die lation beruht auf den Daten der LIGO- dem Standort des zweiten Detektors, zeig- Empfindlichkeit der Anlagen zu steigern. Detektoren und zeigt zwei Schwarze ten die Uhren sogar erst 3 Uhr morgens. Sollte dort zu nachtschlafender Zeit jemand Die nötigen Kalibrierungsarbeiten waren Löcher mit der 29- und der 36-fachen erst am 12. September abgeschlossen wor- Sonnenmasse wenige Hundertstel ein künstliches Signal eingespeist haben? den, und die offizielle Einweihung der nun Sekunden vor ihrer Verschmelzung. An sich wäre das nichts Ungewöhn- Advanced LIGO genannten Detektoren liches, denn solche Testsignale dienen sollte erst in vier Tagen, am 18. Septem- dazu, das Betriebs- und Auswerteperso- ber, erfolgen. Es gab also zum fraglichen nal zu trainieren und alle Abläufe von der Zeitpunkt keinen Grund, Test­signale ein- Detektion über die Datenanalyse bis zur zuspielen – und auch noch gar nicht die Fertigstellung einer wissenschaftlichen technische Möglichkeit dafür. Veröffentlichung unter realistischen Be- Drago zog seinen Kollegen Andrew dingungen durchzuspielen. Nur wenige Lundgren hinzu, der ebenfalls als Post- www.sterne-und-weltraum.de Animation der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher: http://bit.ly/1QKCf5R April 2016 25 doktorand Albert-Einstein-Institut den Betrieb der beiden LIGO-Detektoren von Testsignalen verantwortlich war, die forscht. »Zu schön, um wahr zu sein!«, war am zuständig sind, sondern an mehr als 90 Bestätigung erhalten, dass nichts Derarti- auch seine erste Reaktion. Um zu klären, Forschungseinrichtungen in den USA und ges geschehen sei. In der nächsten Status- ob das Signal künstlichen Ursprungs oder 14 weiteren Ländern. Mit zum Forschungs- Telekonferenz teilte Lundgren das seinen die Folge einer wie auch immer gearteten verbund gehört der deutsch-britische Kollegen jenseits des Atlantiks mit. Einer Betriebsstörung oder einer Rauschquel- Gravitationswellendetektor in der Teilnehmer erinnert sich, wie Alan le sein konnte, riefen die beiden jungen der Nähe von Hannover. Dieser wird vom Weinstein, der die LIGO-Datenanalyse- Wissenschaftler in den USA an. In Hanford Albert-Einstein-Institut der Max-Planck- Gruppe am Caltech leitet, noch einmal meldete sich zu dieser Zeit niemand. In Li- Gesellschaft (mit Sitz in Hannover und ganz langsam rückfragte, um sich zu ver- vingston erreichten sie den diensthaben- Potsdam-Golm), der Leibniz Universität gewissern: »Andy, du willst damit sagen, den Operator, William Parker. Von irgend- Hannover und englischen Partneruniver- dass es keine verdeckte Einspeisung gege- welchen Auffälligkeiten im Betriebsablauf sitäten betrieben. Eine enge Zusammen- ben hat?« Als Lundgren bestätigte, wurde war ihm nichts bekannt. arbeit gibt es mit der Virgo Collaboration, den Gesprächsteilnehmern bewusst, dass Die Aufregung der beiden Postdokto- die den französisch-italienischen Detektor die Forschungsgruppe wissenschaftliches randen in Hannover wuchs. Die von den Virgo in der Nähe von Pisa betreibt. Virgo Neuland betreten hatte. Rechnern herausgefischte Signatur äh- wird gegenwärtig – wie bereits zuvor LIGO nelte genau derjenigen, die man von der in den USA – mit empfindlicherer Technik senschaftler Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher umgerüstet; die Inbetriebnahme ist für Anstatt im experimentellen Betrieb der erwartete, die sich gewissermaßen in ei- Ende 2016 vorgesehen. Detektoren weitere Veränderungen und GEO600 In der Folge mussten die LIGO-Wisihre Pläne modifizieren. nem Todeskuss vereinigen und dabei das Naturgemäß dauerte es nur wenige Anpassungen vorzunehmen, galt es nun, Raumzeit-Gefüge erzittern lassen. Wellen- Stunden, bis die Nachricht von einem die bestehende Konfiguration besser zu form, Frequenzverlauf, Zeitdauer – alles Ereignis jeden innerhalb dieser großen verstehen und insbesondere das Rausch- passte. War tatsächlich ein Gravitations- Gruppe erreicht hatte. GW150914 laute- verhalten detaillierter zu untersuchen. wellensignal ins Netz gegangen? te die Bezeichnung im Laborjargon – GW Dies erforderte einige Tage. Parallel dazu steht für gravitational wave, also Gravita- lief die Auswertung des Signals GW150914 tionswelle, während die Ziffernfolge das weiter. Und die Forscher standen vor dem Datum angibt (Jahr, Monat, Tag). Doch die Problem, einerseits Kollegen aus der beob- Um sicherzustellen, dass sie nicht einer Bedeutung, die diesem nüchternen Kürzel achtenden Astronomie um Nachbeobach- Fehlinterpretation aufsaßen, fragte Dra- für die Gravitationswellenforschung zu- tungen in möglichst vielen verschiedenen go per Rundmail bei allen Mitgliedern kommt, erschloss sich den Wissenschaft- Bereichen des elektromagnetischen Spek- der LIGO Scientific Collaboration nach, ob lern erst nach und nach. Schließlich trug trums zu bitten, andererseits aber ein un- jemand etwas von der Einspeisung eines GW150914 trotz der verräterischen Signa- kontrolliertes Brodeln der Gerüchteküche künstlichen Signals wüsste. Niemand be- tur nicht den Aufdruck »Ich bin ein Gra- zu verhindern. Nichts konnten die Wissen- jahte. Aber nun wussten alle, dass etwas vitationswellensignal«, sondern es galt schaftler jetzt weniger gebrauchen als von registriert worden war, das offenbar nicht nun, in bewährter wissenschaftlicher Me- außen ausgeübten Druck, doch endlich auf ein absichtlich eingebrachtes Signal thodik zunächst alle Fehlerquellen auszu- die Entdeckung eines Gravitationswellen- zurückzuführen war. Die Aufmerksamkeit schließen. Bahnbrechende Entdeckungen signals bekannt zu geben. Schließlich gab war geweckt. kommen selten in Form eines spontanen es gerade in der jüngsten Vergangenheit Der LIGO Scientific Collaboration ge- Durchbruchs, sondern schleichen sich oft mehrere Beispiele, wo Wissenschaftler hören weltweit rund 1000 Wissenschaft- in einem langsamen, arbeitsintensiven Er- viel zu früh, ohne ausreichende Prüfung ler an. Sie sitzen nicht nur am California kenntnisprozess ins Bewusstsein ein. und Begutachtung ihrer Ergebnisse, mit Das Ereignis GW150914 elektrisiert die Forscher Institute of Technology (Caltech) in Pasa- In der Zwischenzeit hatten Drago und dena und am Massachusetts Institute of Lundgren in Hannover von dem kleinen ckungen über Pressekonferenzen an die Technology (MIT) in Cambridge, die für Team, das für die verdeckte Einspeisung Öffentlichkeit gegangen waren. Eine sol- vermeintlich bahnbrechenden Entde- Gravitationswellen: 100 Jahre von der Vorhersage bis zur Entdeckung 1915 1916 1958 allgemeine Relativitätstheorie Albert Einstein die Existenz Weber an der University of von Gravitationswellen ab. Maryland, Gravitationswellen Karl Schwarzschild be- mittels Resonanzdetektoren schreibt Größe und Verhal- nachzuweisen Albert Einstein präsentiert seine Aus seiner Theorie leitet Erste Versuche von Joseph ten eines Schwarzen Lochs 26 April 2016 Sterne und Weltraum Gravitationswellen – Kräuselungen der Raumzeit G ravitationswellen sind eine wichtige Vorhersage von Albert Aber anhand der Analogien können wir ein Verständnis für die Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Dieser Theorie Ausbreitung von Gravitationswellen entwickeln. zufolge wird die Gravitation vermittelt durch Verformungen der Betrachten wir ein einfaches geometrisches Modell, und vierdimensionalen Raumzeit. Griffig ausgedrückt: Unter dem zwar einen Querschnitt durch eine Gravitationswelle, senk- Einfluss von Massen (oder Energie) wird die Raumzeit verzerrt; recht zu ihrer Ausbreitungsrichtung: Stellen wir uns zunächst diese Krümmung gibt wiederum materiellen Körpern und Licht- einen Kreis vor, auf dem eine beliebige Anzahl von punktförmi- strahlen vor, wie sie sich in Raum und Zeit zu bewegen haben. gen Testmassen liegt; diese Testmassen sollen frei beweglich Die Verformbarkeit der Raumzeit ermöglicht die Ausbreitung im Raum schweben und durch keinerlei Kräfte miteinander von Wellen. Immer dann, wenn Massen beschleunigt werden, verbunden sein (siehe Grafik a). Eine Gravitationswelle, die nun verursachen sie Kräuselungen der Raumzeit, die sich mit Licht- senkrecht durch die Papierebene läuft, verformt diesen Kreis geschwindigkeit ausbreiten. Einstein selbst folgerte die Existenz zu einer Ellipse: In einer Richtung wird der Kreis gedehnt, in der solcher Gravitationswellen aus einer mathematischen Lösung Richtung senkrecht dazu gestaucht (siehe Grafik b). Beim weite- der Feldgleichungen seiner Relativitätstheorie. Damit gelangte ren Durchgang der Welle biegt sich die Ellipse wieder zurück zu er zu einer völlig neuen Vorstellung von der Schwerkraft, denn einem Kreis, und in der nächsten Halbschwingung wird der Kreis nach der bis dahin anerkannten Gravitationstheorie von Isaac in die andere Richtung gedehnt beziehungsweise gestaucht Newton würde sich die Wirkung der Gravitation ohne Zeitver- (siehe Grafik c). Nach einer vollständigen Schwingungsperiode lust im gesamten Universum bemerkbar machen. haben sich alle Teilchen erneut in eine Kreisform begeben. Es besteht eine gewisse Analogie zwischen Gravitationswel- Für einen äußeren Beobachter (wie wir als Leser, die den Kreis len und elektromagnetischen Wellen (wie zum Beispiel Licht auf der Papierebene betrachten) sieht es so aus, als würde sich oder Radiostrahlung). Beschleunigte elektrische Ladungen der Abstand der Teilchen, die auf dem Kreis liegen, rhythmisch senden elektromagnetische Strahlung aus. Das ist uns von der ändern. Dies ist unmittelbarer Ausdruck der Veränderung der Rundfunktechnik her vertraut: Oszillierende Elektronen in einer lokalen Geometrie durch die Gravitationswelle. Antenne strahlen die zu übertragende Information als Radio- Stellen wir uns nun viele hintereinanderliegende Kreise vor, so erhalten wir einen Schlauch, dessen Oberfläche wellenförmig Gravitationsstrahlung. Und beide Wellenarten breiten sich mit zusammen- und auseinandergezogen wird (siehe Grafik d). Lichtgeschwindigkeit aus, und zwar als Transversalwellen: Die Eine Animation dieser Wellenbewegung, die Markus Pössel Ausbreitung erfolgt senkrecht zur Schwingungs- beziehungs- vom Haus der Astronomie in Heidelberg erstellt hat, ist über weise Verzerrungsrichtung. Ansonsten gibt es grundsätzliche den beistehenden QR-Code per Smartphone oder Unterschiede zwischen Gravitations- und elektromagnetischen Tabletcomputer abrufbar. M. Pössel / www.einstein-online.info wellen ab. Auf ähnliche Weise emittieren beschleunigte Massen Wellen, da sie auf verschiedenen fundamentalen Wechselwirkungen beruhen. Da die Schwerkraft um viele Größenordnungen schwächer ist als die elektromagnetische Kraft, sind Gravitationswellen erheblich schwieriger nachzuweisen als Lichtwellen. SuW-Grafik d a b Visualisierung einer ebenen Gravitationswelle konstanter Frequenz: http://bit.ly/1OOuTgn c 1974 1975 1979 Taylor entdecken den ersten Astrophysik in München tions­wellen: Hulse und Taylor zeigen, Pulsar in einem Doppelsystem: beginnt als erste Gruppe dass das Doppelsternsystem mit PSR 1913+16 umkreist einen weltweit mit Forschungen zur dem Pulsar PSR 1913+16 durch Neutronenstern auf enger Gravita­tionswellen-Detektion Abstrahlung von Gravitationswellen Bahn in 7,75 Stunden mit Interferometern Energie verliert Russell Hulse und Joseph www.sterne-und-weltraum.de Das Max-Planck-Institut für Indirekter Nachweis von Gravita­ April 2016 27 Quellen von Gravitationswellen S Deshalb haben nur die energiereichsten Quellen im Univer- tets dann, wenn Massen beschleunigt werden, erzeugen sie Gravitationswellen. Theoretisch lösen wir bereits mit sum eine Chance, messbare Wellen in der Raumzeit auszulösen. jeder Handbewegung solche Schwingungen der Raumzeit aus. Selbst der Umlauf von großen Planeten um ihr Zentralgestirn Auch wenn wir eine Metallkugel auf und ab bewegen oder sie reicht für detektierbare Gravitationswellen nicht aus (siehe Bild wie beim Hammerwerfen im Kreis herumschleudern, sollte die Mitte). Gute Kandidaten sind hingegen Supernova-Explosionen, Raumzeit erzittern (siehe Bild links). Doppelsysteme aus Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, Allerdings sind die Gravitationswellen, die wir mit einem die sich auf engen Bahnen umkreisen, sowie Verschmelzungen Hammerwurf erzeugen, vernachlässigbar klein. Die im Kasten solch kompakter und massereicher Himmelskörper (siehe Bild »Gravitationswellen – Kräuselungen der Raumzeit« gezeigten rechts). Doch auch die von solchen Quellen verursachten Erschütte- Grafiken illustrieren zwar die Wellenbewegung, aber sie stellen die Amplitude stark übertrieben dar. In Wahrheit ist die Raum- rungen der Raumzeit sind äußerst winzig. Wenn zum Beispiel in zeit nämlich äußerst steif und deswegen kaum verformbar. unserem Milchstraßensystem zwei Neutronensterne verschmel- Dies mag ein Vergleich mit gewöhnlichen Stoffen verdeutli- zen – was nur alle paar Millionen Jahre geschehen dürfte –, chen: Elastisches Gummi zum Beispiel hat einen Elastizitätsmo- dann sind die durch die Gravitationswellen erzeugten relativen dul um 0,05 Giga­pascal. Demgegenüber beträgt dieser Material­ kennwert für Stähle rund 200 Giga­pascal. Stahl ist somit etwa Längenänderungen am Ort der Erde nur in der Größenordnung von 10–20. Der Abstand Erde – Sonne, der rund 150 Millionen Ki- 4000 Mal steifer als Gummi. Die Raumzeit ist jedoch nochmals lometer beträgt, würde sich dann nur um etwa den Durchmes- um 22 Größenordnungen steifer – ihr lässt sich ein Elastizitätsmodul von rund 1024 Gigapascal zuschreiben. ser eines Atoms verändern. Dies stellt extreme Anforderungen MPIfR / M. Kramer SuW-Grafik fotolia / Salome (M) an die Empfindlichkeit eines Gravitationswellendetektors. Ein Hammerwerfer dürfte beim Ein Planet in einer Umlaufbahn strahlt Gute Kandidaten sind Doppelsysteme Schwung­holen wohl kaum daran den- bereits stärkere Gravitationswellen ab. aus kompakten Neutronensternen, die ken, dass er mit der kreisenden Metall- Die Erde wandelt aber nur 200 Watt aus sich innerhalb weniger Stunden umrun- kugel Gravitationswellen im Gefüge der ihrer Bahnbewegung in Gravitationswellen Raumzeit auslöst. Der Effekt ist freilich um, der Riesenplanet Jupiter immerhin den. Der Doppelpulsar PSR J0737-3039 beispielsweise strahlt rund 1047 Watt in um viele Größenordnungen zu klein, als 5300 Watt. Auch dies ist für eine messbare Form von Gravitationswellen ab – das ist dass er gemessen werden könnte – egal Erschütterung der Raumzeit um viele Grö- fast so viel, wie alle Sterne im Univer- wie stark sich der Athlet anstrengt. ßenordnungen zu klein. sum im sichtbaren Licht aussenden. 1983 1984 1989 Quantenoptik in Garching baut den USA vereinbaren den Bau Forschergruppen beschließen einen interferometrischen des interferometrischen den gemeinsamen Bau eines Gravitationswellendetektor mit Gravitationswellendetektors interferometrischen Gravi­ta­ 30 Meter Armlänge LIGO tions­wellen­detektors Das Max-Planck-Institut für 28 April 2016 Das Caltech und das MIT in Deutsche und britische Sterne und Weltraum che Peinlichkeit wollte und musste man David Reitze, der Leiter des LIGO-Experi- Kasten »Prinzip eines Laserinterferome- unbedingt vermeiden. ments, an jenem 11. Februar 2016 vor die ters«, S. 30). Das LIGO-Experiment in den Advanced LIGO beendete schließlich Kameras trat, machte er keine langen Um- USA besteht aus zwei identischen Inter- die erste wissenschaftliche Datenaufnah- schweife: »We have detected gravitational ferometern, die allerdings im Detail weit me nach vier Monaten, am 12. Januar 2016. waves – we did it!«, verkündete er stolz. komplizierter aufgebaut sind als die ur- In dieser Zeit war die Empfindlichkeit der Aber was genau hatten die LIGO-Detek- sprüngliche Version von Michelson. In Detektoren drei bis vier Mal so hoch wie toren registriert? Und welche Informatio- beiden Anlagen wird Laserlicht durch zwei vor dem Umbau, und die Forscher lernten, nen konnten die Wissenschaftler aus dem jeweils vier Kilometer lange, L-förmig die Eigenheiten und das Verhalten der An- Signal GW150914 herauslesen? Um diese angeordnete Vakuumröhren geschickt. lagen besser zu verstehen. Am 21. Januar Fragen zu beantworten, schauen wir uns Aufgabe des Laserstrahls ist es, die Posi- reichten die LIGO Scientific Collaboration zunächst die Messtechnik näher an. tion von Spiegeln an den Röhrenenden und die Virgo Collaboration, die das Sig- hochpräzise zu vermessen. Dies geschieht nal gemeinsam ausgewertet hatten, eine Modernste Detektortechnologie Fachpublikation bei dem renommierten Gravitationswellen sind winzige Erschüt- der beiden Teilstrahlen, welche die beiden Journal »Physical Review Letters« ein. terungen der Raumzeit (siehe Kasten Interferometerarme mehrfach durchque- Nach Durchlaufen des Gutachterprozesses »Gravitationswellen – Kräuselungen der ren. Im Normalbetrieb wird die Anlage erschien der Aufsatz am 11. Februar. Raumzeit«, S. 27). Um sie zu messen, be- so eingestellt, dass sich die überlagerten Für diesen Tag wurden zeitgleich meh- dienen sich Forscher des Prinzips eines Teilstrahlen am Ort des Empfängers, einer rere Pressekonferenzen in verschiedenen Interferometers, wie es bereits Ende des Fotodiode, auslöschen. Ländern anberaumt, um die Medien und 19. Jahrhunderts von Albert Michelson Durchläuft nun eine Gravitationswelle die Öffentlichkeit zu informieren. Als und Kollegen entwickelt wurde (siehe den Detektor, verzerrt dies nach Einsteins H1 in Hanford. Während der Signaldauer von 0,2 Sekunden stieg die Frequenz von 35 auf 250 Hertz, und die Spitzenamplitude erreichte 10–21. Wie die Überlagerung der beiden Messungen zeigt, sind Wellenform und Frequenzverlauf identisch. Genau ein solches Signal sagen relativistische Modelle vorher, welche die Verschmelzung von zwei H1 beobachtet L1 beobachtet H1 beobachtet (korrigiert) 0,5 0,0 -0,5 -1,0 1,0 0,5 0,0 -0,5 Zeile). Die Parameter eines solchen Systems -1,0 lassen sich aus der gemessenen WellenFrequenz in Hertz Livingston, Louisiana (L1) 1,0 Schwarzen Löchern beschreiben (mittlere form ermitteln. Hanford, Washington (H1) relativistisches Wellenformmodell relativistisches Wellenformmodell rekonstruiert (Wavelet-Funktion) rekonstruiert (Wavelet-Funktion) rekonstruiert (astrophysikalisches Modell) rekonstruiert (astrophysikalisches Modell) 512 8 256 6 128 4 64 32 2 0 0,30 0,35 0,40 Zeit in Sekunden 0,45 0,30 0,35 0,40 Zeit in Sekunden 1994 1995 1997 Gravitationswellendetektoren britischen Gravitationswellen- Collaboration, der LIGO und LIGO in Hanford, Washington, detektor GEO600 in Ruthe bei GEO600 angehören und Livingston, Louisiana Hannover Baubeginn für die beiden www.sterne-und-weltraum.de Baubeginn für den deutsch- 0,45 Normierte Amplitude und 6,9 Millisekunden später im Detektor Relative Längenänderung (10-21) traf zuerst im Detektor L1 in Livingston ein Caltech / MIT / LIGO Lab Das Gravitationswellensignal GW150914 durch interferometrische Überlagerung Gründung der LIGO Scientific April 2016 29 Prinzip eines Laserinterferometers G Spiegelaufhängung rundlage eines Gravitationswellendetektors ist ein Interferometer. Darin wird ein Laserstrahl zunächst an einem Strahlteiler in zwei senkrecht Testmasse Testmasse Teilstrahlen laufen die beiden Interferometerarme zu den Spiegeln S 1 und S2 entlang (siehe Grafik). Von dort werden sie zurück zum Strahlteiler reflektiert, Spiegel S2 Spiegel S1 wo sie sich überlagern und dann als Signalstrahl auf eine Foto­diode treffen. Die Helligkeit des Signal- Strahlteiler strahls hängt davon ab, in welcher relativen Phase die Teilstrahlen interferieren. Die Anlage wird so eingestellt, dass die beiden Strahlen in Ruhe genau um eine halbe Wellenlänge versetzt aufeinandertreffen und sich auslöschen (destruktive Interferenz). Fotodiode Alle optischen Elemente sind über spezielle Aufhängungen von der Umgebung entkoppelt; auf M. Pitkin et al., 2011 / SuW-Grafik zueinander stehende Lichtwege aufgeteilt. Die Laser sie wirken also keine Kräfte. Wenn nun eine Gravi­ta­ tions­welle die Anlage durchläuft, ändert sie nicht die LIGO Hanford, Washington Lage der Testmassen, sondern deren Eigenabstand. (Die Spiegel verhalten sich wie die Testmassen im Kasten »Gravitationswellen – Kräuselungen der Raumzeit«.) Da die Lichtgeschwindigkeit konstant LIGO Scientific Collaboration ist, benötigt das Licht nun zum Durchlaufen des einen Arms mehr Zeit als für den anderen. Dadurch löschen sich die überlagerten Teilstrahlen nicht mehr vollständig aus, und die Fotodiode misst ein Signal. Mit hinreichend frequenzstabilem Laserlicht lassen sich auf diese Weise Verschiebungen von winzigen Bruchteilen einer Lichtwellenlänge bestimmen. Die Messempfindlichkeit eines solchen Detek- LIGO Livingston, Louisiana tors steigt mit der Länge der Interferometerarme. Im Fall der beiden Advanced-LIGO-Detektoren sind sie jeweils vier Kilometer lang. Mit verschiedenen Modifikationen des ursprünglichen InterferometerLIGO Scientific Collaboration prinzips ließ sich die Empfindlichkeit weiter steigern. So wurden zusätzliche Spiegel eingebracht, die mit den Spiegeln S 1 beziehungsweise S2 einen Resonator bilden, in dem die Laserstrahlen vielfach hin und her laufen. Damit erhöht sich die verfügbare Lichtleistung (Power-Recycling), und das Rauschen im Signalstrahl wird reduziert (Signal-Recycling). 2001 2002 2007 Gravitationsphysik (Albert- LIGO und GEO600 französisch-italienischen Das Max-Planck-Institut für Erster Koinzidenz-Testlauf von Inbetriebnahme des Einstein-Institut) in Potsdam Gravitationswellendetek- übernimmt in Hannover tors Virgo in Italien die Aktivitäten des MPI für Quantenoptik 30 April 2016 Sterne und Weltraum Die Quelle, die das Signal GW150914 erzeugte, lässt sich am südlichen Sternhimmel verorten. Die farbigen Kurven repräsentieren unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten (in Schritten von zehn Prozentpunkten), mit denen die Position eingegrenzt werden kann. Mit einer Wahrscheinlichkeit von zehn Prozent kam das Signal aus der durch die innerste gelbe Kurve umschlossenen Region. Die äußere Kurve (lila) markiert eine 600 Quadratgrad große Region, aus der das Signal mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 Prozent stammt. In diesem Areal gibt es rund 100 000 Galaxien, die in dem von Advanced LIGO zugänglichen Entfernungsbereich liegen. Die Große Magellansche Wolke scheidet als Quelle aus, weil sie uns Große Magellansche Wolke mit einem Abstand von 170 000 Lichtjahren viel zu nahe liegt. Das Signal erreichte die Erde aus einer Entfernung von 1,3 Milliar- Caltech / MIT / LIGO Lab den Lichtjahren. Kleine Magellansche Wolke allgemeiner Relativitätstheorie die Raum- auf ein kaum vorstellbares Maß gesteigert che mikroseismischen Erschütterungen zeit, wodurch einer der beiden Teilstrahlen werden. Advanced LIGO kann noch erken- sind in der Regel größer als das nachzu- einen etwas kürzeren Weg zu durchlaufen nen, wenn sich die Länge eines der vier weisende Signal. Deshalb wurden in den hat, der andere einen etwas längeren. In Kilometer langen Interferometerarme um vergangenen Jahren Verfahren entwickelt, anderen Worten: Die Längen der beiden mit denen sich die Messstrecken der Gra- Interferometerarme sind nun nicht mehr 0,000 000 000 000 000 000 1 Meter ändert, also um 10 –19 Meter. Dieser Wert ist weit gleich, sondern verändern sich relativ zu- kleiner als der Durchmesser eines Atoms, von ihrer Umgebung entkoppeln lassen. einander. Die Laserstrahlen löschen sich ja sogar noch vier Größenordnungen klei- Aber nicht nur seismische Schwingungen nun nicht mehr vollständig aus, so dass ner als der Durchmesser eines Protons. beeinflussen die exakten Spiegel­posi­tio­ vitationswellendetektoren mechanisch Es liegt auf der Hand, dass bei solch nen – auch thermisches Rauschen oder Der Betrag dieser relativen Längenän- winzigen Längenänderungen die Zahl der Strahlungsdruck der Laserstrahlen derung ist mit einer erwarteten Größenordnung von weniger als 10 –20 äußerst der natürlichen und künstlichen Rausch- sind Störfaktoren, die kompensiert wer- quellen, die ein Gravitationswellensignal den müssen. winzig. Um zumindest die energiereichs- überdecken können, sehr groß ist. Ein Erd- Eine weitere Kategorie von Rauschquel- ten Prozesse im Universum nachweisen zu beben auf der anderen Seite der Erdkugel, len ist mit der Sensorik verknüpft. Dazu können, die Gravitationswellen auslösen, die Brandung der Wellen an der Atlantik- gehören zum Beispiel das Schrotrauschen musste die Messempfindlichkeit der De- küste, das Vorbeifahren eines Zuges oder der Fotodiode, das auf die Bewegung der tektoren durch ausgeklügelte Techniken eines Autos in der Nähe der Anlage – sol- einzelnen Ladungsträger zurückzuführen 2010 2011 Gemeinsame Messkampagne Erster direkter Nachweis Advanced LIGO beginnt von GEO600 und Virgo. Im von Gravitationswellen mit Anschluss beginnt der Umbau Advanced LIGO die Fotodiode ein Lichtsignal registriert. Der Umbau von LIGO zu 14.9.2015 von Virgo zu Advanced Virgo www.sterne-und-weltraum.de April 2016 31 ist, die Instabilitäten des Laserstrahls und 14. September 2015, um 09:50:45 Uhr das unvermeidliche Rauschen in der Aus­ Weltzeit, registrierten die Detektoren H1 stieg von 35 Hertz auf 250 Hertz an, und die Spitzenamplitude erreichte 10 –21. Im lese­elek­tro­nik. in Hanford und L1 in Livingston das nun Detektor L1 in Livingston traf das Signal Mit großem Ideenreichtum haben die GW150914 genannte Signal (siehe Bild zuerst ein; 6,9 Millisekunden später er- Wissenschaftler und Ingenieure in den S. 29). Dieser zeitgleiche Nachweis in ver- reichte es den Detektor H1 in Hanford. vergangenen Jahren die Messempfind- schiedenen Detektoren – in der Fachspra- Aus diesem Laufzeitunterschied schlos- lichkeit der interferometrischen Gravita- che Koinzidenz genannt – ist ein wichtiger sen die Wissenschaftler, dass die Quelle tionswellendetektoren verbessert und die Beleg für ein reales Ereignis. Hätte nur des Gravitationswellensignals am südli- Einflüsse von Rauschquellen vermindert. einer der Detektoren das Signal empfan- chen Sternenhimmel liegt. Mit zwei De- Die deutsch-britische Anlage GEO600 bei gen, wäre es mit hoher Wahrscheinlich- tektoren lässt sich der Herkunftsort zwar Hannover fungierte hierbei als Vorreiter keit auf eine Störquelle zurückzuführen nicht genau ermitteln, aber immerhin auf und Prüfstand. Wesentliche Neuerungen gewesen und deshalb von den Auswerte- einen ringförmigen Streifen am Himmel wurden unter Leitung des Albert-Einstein- programmen gleich aussortiert worden. eingrenzen. Weitere Faktoren wie etwa die Instituts, der Leibniz Universität Hanno- Koinzidenz bedeutet hierbei, dass sich die sich verändernde Signalstärke in den De- ver und des Laser Zentrum Hannover e.V. Ankunftszeiten der Signale in den beiden tektoren schränken den Bereich zusätzlich entwickelt. Hierzu zählen unter anderem Detektoren um nicht mehr als zehn Mil- ein (siehe Bild S. 31). spezielle Spiegelaufhängungen und fre- lisekunden unterscheiden dürfen. Dieser Die grundlegende Form des Signals quenzstabilisierte Hochleistungslaser. Wert entspricht der Lichtlaufzeit zwischen GW150914 weist auf die Verschmelzung den beiden 3000 Kilometer entfernten De- zweier Schwarzer Löcher hin, die sich zu- tektoren. Ein weiterer Beleg für ein reales vor in einem engen Doppelsystem um- Im Zuge der internationalen Koopera­tion Ereignis ist die hohe statistische Signi- kreist hatten. Anhand von relativistischen wurden solche Neuerungen während des fikanz des Signals: Die Wahrscheinlich- Modellen erwarteten Theoretiker genau fünfjährigen Umbaus zu Advanced LIGO keit, dass GW150914 durch Fehlerquellen den Kurvenverlauf, der sich durch die Be- in den US-amerikanischen Detektoren zufällig entstanden sein könnte, ist sehr obachtung bestätigte (siehe Bild unten): Je eingebaut. Nach Abschluss dieser Arbeiten klein – nur einmal in 200 000 Jahren wäre näher sich die Schwarzen Löcher kommen, im September 2015 stehen nun erstmals ein solches Fehlsignal zu erwarten, so die desto kürzer wird ihre Umlaufperiode, die präzisen Technologien zur Verfügung, LIGO-Forscher. was zu einer höheren Frequenz der Gra- Rascher Lohn nach Umbau die man für den Nachweis der schwachen Gravitationswellen braucht. Nur etwa 0,2 Sekunden dauerte das vitationswellen führt. Gleichzeitig nimmt registrierte Signal GW150914. In diesem die Stärke der Wellen, also die Amplitude Zeitraum nahmen sowohl die Frequenz des Signals zu, weil das Gravitationsfeld der Welle als auch die Amplitude der re- immer stärker wird. In jener Phase um- laboration unerwartet schnell ein. Am lativen Längenänderung zu: Die Frequenz runden sich die beiden Schwarzen Löcher Wenn sich zwei Schwarze Löcher auf einer immer enger werdenden Bahn umrunden (oben) nimmt die Frequenz der von ihnen ausgesendeten Gravitationswellen zu (Mitte). Kurz vor dem Kollidieren macht sich auch das zunehmende Gravitationsfeld bemerkbar, was zu einem Anstieg der Wellen- 1,0 amplitude führt. Die Spitzenamplitude wird im Moment des Verschmelzens erreicht. 0,5 Das neu entstandene Schwarze Loch nimmt dann nach wenigen Hundertstel Sekunden 0,0 einen Gleichgewichtszustand an, wodurch das Signal rasch abklingt. In den letzten -0,5 -1,0 Geschwindigkeit Verschmelzung Abklingen 0,6 0,5 0,4 0,2 Sekunden vor dem Verschmelzen nähern sich die Schwarzen Löcher von fünf relativistisches Wellenformmodell auf einen Schwarzschildradius an (unten, 4 Abstand der Schwarzen Löcher in Schwarzschildradien 3 Geschwindigkeit der Schwarzen Löcher (Lichtgeschwindigkeit = 1) 2 1 0,3 0,30 0,35 0,40 0,45 0 Abstand in Schwarzschildradien Relative Längenänderung (10-21) Annäherung der Schwarzen Löcher Caltech / MIT / LIGO Lab Den Lohn für die aufwändigen Umbauarbeiten fuhr die LIGO Scientific Col- schwarze Kurve); dabei nimmt ihre relative Umlaufgeschwindigkeit von etwa 30 auf mehr als 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu (unten, grüne Kurve). Zeit in Sekunden 32 April 2016 Sterne und Weltraum N eutronensterne sind Überreste von massereichen Sternen. konnte. Mit diesem Nach dem Aufbrauchen des Fusionsbrennstoffs kollabiert »Pulsar« genannten die Kernregion eines solchen Sterns, weil nichts mehr die Gravi- Objekt hatten Bell tation kompensieren kann. Dabei werden die Protonen und Elek- und Hewish eine tronen der Materie derart stark zusammengequetscht, dass sie neue Klasse von sich zu Neutronen vereinen. Während der äußere Teil des Sterns Himmelskörpern als Supernova explodiert, bleibt innen ein Neutronenstern zu- entdeckt. Im Jahr rück – eine kompakte Kugel von etwas mehr als einer Sonnen- 1974 erhielt Hewish masse, aber einem Durchmesser von nur rund 20 Kilometern. dafür den Nobelpreis NASA / Fermi / Cruz de Wilde Neutronensterne Das Vorhandensein solch bemerkenswerter Objekte, deren für Physik (er teilte Dichte etwa 100 Billionen mal höher ist als diejenige der Sonne, ihn sich mit Martin wurde bereits Ende der 1930er Jahre diskutiert. Man hielt sie Ryle, dem Direktor freilich für zu lichtschwach, um sie tatsächlich beobachten zu des MRAO, der für können. Im Jahr 1967 erkannte jedoch Franco Pacini von der Eu- die Entwicklung der ropäischen Südsternwarte ESO, dass Neutronensterne elek­tro­ Apertursynthese magnetische Wellen aussenden würden, falls sie rotierten und geehrt wurde; damit ließ sich das Auflösungsvermögen von starke Magnetfelder aufwiesen. Radioteleskopen erheblich steigern, so dass auch die Positionen Tatsächlich entdeckten noch im gleichen Jahr die Doktoran- von Pulsaren bestimmt werden konnten). din Jocelyn Bell und ihr Doktorvater Antony Hewish an der Uni- Schon bald nach der Entdeckung setzte sich die Auffassung versity of Cambridge mit einer neuartigen Antennenanlage des durch, dass Pulsare Neutronensterne sind, die – wie von Pacini Mullard Radio Astronomy Observatory (MRAO) kurze Radiopulse vermutet – tatsächlich schnell rotieren. Dabei senden sie ähnlich extraterrestrischen Ursprungs, die sich mit außerordentlicher wie der Scheinwerfer eines Leuchtturms Strahlung in zwei Regelmäßigkeit alle 1,337 Sekunden wiederholten. Aus der Puls- engen, entgegengesetzten Bündeln aus. Bei jeder Umdrehung, dauer von nur einigen Millisekunden folgte, dass das aussen- wenn die Strahlen die Position der Erde überstreichen, ist ein dende Objekt nicht größer als wenige tausend Kilometer sein kurzer Radiopuls zu empfangen. Schwarze Löcher S chwarze Löcher entstehen wie Neu­tro­nen­sterne; allerdings nichts mehr aus diesem Objekt herausgelangen kann. Der hatten ihre Vorgängersterne weit mehr Masse. Die ehema- Schwarzschild-Radius ist nicht mit der Oberfläche eines Him- lige Kernregion wird dann noch stärker zusammengedrückt als melskörpers gleichzusetzen, sondern gibt nur den Horizont an, beim Neutronenstern. Das Resultat ist ein kollabiertes Objekt, der die Grenze zwischen Sichtbarkeit und Unsichtbarkeit mar- welches das Mehrfache einer Sonnenmasse in sich vereint. kiert. Für ein Schwarzes Loch von einer Sonnenmasse beträgt Wie ein Schwarzes Loch im Innern beschaffen ist, wissen wir nicht. Die uns bekannten Naturgesetze reichen nicht aus, diesen der Schwarzschild-Radius drei Kilometer. Ein Schwarzes Loch ist für sich genommen nur durch sein äu- Zustand zu beschreiben. Was wir aber wissen ist: Kein Teilchen, ßeres Gravitationsfeld zu bemerken. Gelangen jedoch Gaswol- noch nicht einmal Licht kann diesem Gravitationsschlund ent- ken oder Sterne in seinen unmittelbaren Einzugsbereich, dann kommen – es ist, als hätte das Universum hier einen Ausgang stürzt diese Materie nicht direkt hinein, sondern bildet einen erschaffen, in den wie bei einem Badewannenabfluss alles scheibenförmigen Wirbel, eine Akkretionsscheibe, in der sie hineinwirbelt, aber nichts mehr herauszukommen vermag. langsam nach innen durch den Schwarzschild-Horizont spiralt. Dass es massereiche Himmelskörper geben müsse, die sich Durch das Umwandeln von Gravitationsenergie und durch dy- nicht durch eigene Strahlung bemerkbar machen, also dunkel namische Prozesse in der Scheibe heizt sich diese extrem auf, so erscheinen, ist keine Erkenntnis des 20. oder 21. Jahrhunderts. dass wir die Vorgänge darin anhand ihrer elektromagnetischen Bereits der Engländer John Michell erkannte 1784 mit erstaunli- Strahlung – insbesondere im Röntgenbereich – sehen können. cher Weitsicht und auf der Grundlage der newtonschen Gravitationstheorie, dass bei einem genügend großen Stern »alles Licht, Double Negative / O. James et al. das von einem solchen Körper ausgesandt würde, durch seine eigene Schwerkraft gezwungen würde, zu ihm zurückzukehren.« Erst die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein erlaubte ein tieferes Verständnis der Gravitation und somit ein konsistenteres Bild von Schwarzen Löchern. Ihre erste theoretische Beschreibung im Rahmen dieser Theorie lieferte Karl Schwarzschild 1916: Nach ihm ist heute der von der Masse des Schwarzen Lochs abhängige Radius benannt, innerhalb dessen www.sterne-und-weltraum.de April 2016 33 GEO600 LIGO Hanford Virgo KAGRA LIGO Livingston AEI / TerraForma / SuW-Grafik LIGO India Lage sein, die Resonanzfrequenz des Zy- digkeit. Nach dem Verschmelzen dauert es Sternleichen im Walzerwirbel als astrophysikalische Labore einige Hundertstel Sekunden, bis das neu Aus diesen Angaben wird deutlich, dass eindeutige Ergebnisse zu erzielen – auch entstandene Schwarze Loch einen Gleich- den Wissenschaftlern gleich ein ganz be- nicht, als andere Forscher durch verbes- gewichtszustand erreicht hat. In dieser sonderer Fang gelungen ist. Die LIGO-For- serte Ausführungen die Empfindlichkeit Abklingphase, im Englischen ringdown scher haben nicht nur den engen Umlauf der Weberzylinder auf rund das Tausend- genannt, nimmt die Amplitude der Gravi- von zwei Schwarzen Löchern beobachtet, fache steigern konnten. tationswellen rasch ab. sondern auch den Vorgang des Verschmel- Resonanzdetektoren haben neben der Aus dem gemessenen Verlauf des Wel- zens. Noch nie zuvor in der Geschichte war zu geringen Empfindlichkeit einen weite- lenzugs lassen sich nun mit Hilfe von das gelungen. Über den direkten Nachweis ren Nachteil: Selbst wenn sie durch eine aus der allgemeinen Relativitätstheorie von Gravitationswellen hinaus haben die Gravitationswelle zum Schwingen ange- abgeleiteten mit mehr als der halben Lichtgeschwin- linders anzuregen. Es gelang jedoch nie, die Wissenschaftler damit auch ein bisher regt werden, können sie die Wellenform genauen astrophysikalischen Parameter nur theoretisch untersuchtes Phänomen nicht erfassen. Deshalb ist keine Auskunft des Ereignisses ermitteln. Dazu zählen gemessen. Und erneut konnte eine Vor- über die Art der Quelle möglich. die Massen und die Eigendrehungen der hersage von Einsteins allgemeiner Relati- beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher, vitätstheorie präzise bestätigt werden. Wellenformmodellen Mit interferometrischen Detektoren jedoch ist die Wellenform messbar. Pio- die Orientierung des Doppelsystems und Damit schließt sich gewissermaßen nierarbeiten hierzu begannen 1975 am seine Entfernung zur Erde sowie die Masse nach 100 Jahren ein Kreis: Im November Max-Planck-Institut für Astrophysik in und die Eigendrehung des neu entstande- 1915 hatte Albert Einstein der Preußi- München (siehe Zeitleiste in diesem Ar- nen Schwarzen Lochs. schen Akademie der Wissenschaften die tikel). Jetzt, nach 40 Jahren intensiver Wie die Auswertung ergab, hatten die Grundzüge seiner allgemeinen Relativi- Forschung auf diesem Gebiet, führte die beiden kollidierenden Schwarzen Löcher tätstheorie vorgestellt (siehe SuW 11/2015, Beharrlichkeit der Wissenschaftler mit die 36- und 29-fache Masse unserer Son- S. 40). Ein halbes Jahr später, im Juni 1916, der ersten direkten Messung von Gravi- Mit dem Beginn der Gravitationswellenastronomie öffnet sich ein neues Fenster zur Beobachtung des Universums. tationswellen zum lang ersehnten Erfolg. Bisher hatte es nur indirekte Hinweise für die Existenz von Gravitationswellen gegeben. Im Jahr 1974 entdeckten Russell ne. Das resultierende einzelne Schwarze beschrieb er anhand von Lösungen seiner Hulse und Joseph Taylor mit dem Radio­ Loch weist die 62-fache Masse der Sonne Theorie die Entstehung von Gravitations- tele­skop bei Arecibo (Puerto Rico) den ers- auf. Demnach wurde innerhalb eines Se- wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ten Pulsar in einem Doppelsternsystem. kundenbruchteils eine Masse von dem ausbreiten. Einstein glaubte allerdings, Pulsare sind Neutronensterne, die rasch Dreifachen unserer Sonne in Gravitations- dass man diese Wellen nie würde nachwei- rotieren und auf Grund ihrer starken Ma- wellen umgesetzt. Dies bedeutet, dass für sen können, weil sie so schwach sind. gnetfelder elektromagnetische Strahlung einen kurzen Moment rund 50-Mal so viel Andere Wissenschaftler waren da opti- aussenden (siehe Kasten »Neutronenster- Energie in Form von Gravitationswellen mistischer. Zu den frühen Pionieren der ne«, S. 33). In detektivischer Kleinarbeit freigesetzt wurde, wie alle leuchtenden Gravitationswellenforschung gehört der stellte Hulse fest, dass die Pulse ihres Ob- Sterne im Universum im sichtbaren Licht US-amerikanische Physiker Joseph Weber jekts PSR 1913+16 mit einer Periode von abstrahlen. Dieser gewaltige Ausbruch (1919 – 2000). Er verwendete massive Alu- 7 Stunden und 45 Minuten regelmäßig ereignete sich in einer Entfernung von miniumzylinder als Resonanzdetektoren. schwanken – eine Folge des Umlaufs um 1,3 Milliarden Lichtjahren. Eine starke Gravitationswelle sollte in der einen zweiten Neutronenstern. Da die 34 April 2016 Sterne und Weltraum Ein weltweiter Forschungsverbund beteiligt stein vorhergesagten Gravitationswellen sich an der Suche nach Gravitationswellen. erhielten Hulse und Taylor im Jahr 1993 Denn ein Signal aus dem All gilt nur dann den Nobelpreis für Physik. als eindeutig nachgewiesen, wenn es von Während es noch rund 320 Millionen mindestens zwei Detektoren gleichzeitig Jahre dauern wird, bis PSR 1913+16 mit empfangen wurde. Die Anlage GEO600 in seinem Begleiter kollidiert, sind in der der Nähe von Hannover ist die kleinste; Zwischenzeit weitere Doppelsysteme aus Uwe Reichert ist Astro­ dort wurden aber viele Technologien ent- Neutronensternen bekannt, die noch klei- physiker und Chefredakteur wickelt, die nun in den anderen Detektoren nere Umlaufperioden haben und deshalb von Sterne und Weltraum. zum Einsatz kommen. Die beiden LIGO- früher verschmelzen werden. So wurde Detektoren in den USA wurden technisch 2003 der Doppelpulsar PSR J0737-3039 aufgerüstet und gingen im September entdeckt, dessen Komponenten einander 2015 als Advanced LIGO wieder in Betrieb. in nur 2,4 Stunden umkreisen. Dieses Sys- Virgo in Italien wird nach einer längeren tem wird bereits in 85 Millionen Jahren Umbauphase Ende 2016 den Messbetrieb verschmelzen. wieder aufnehmen. Die Anlagen KAGRA in Japan und LIGO India sind noch im Bau. Solche Zeitskalen werfen natürlich die Frage auf, in welchen Abständen ein Gravitationswellendetektor ein Verschmelzungsereignis nachweisen kann. Das beiden kompakten Körper dabei unge- hängt wesentlich von der Empfindlichkeit wöhnlich hohen Beschleunigungen unter- des Detektors ab, denn je kleiner die Nach- worfen sind, mussten die Wissenschaftler weisgrenze, desto größer ist das Volumen relativistische Effekte berücksichtigen, im Universum, in dem ein bestimmtes Er- um die Bahnparameter und die Massen eignis erfasst werden kann. der beiden Komponenten zu ermitteln. Dies war das erste Mal, dass Einsteins The- Beginn einer neuen Ära orie zur Bestimmung astrophysikalischer Für den Moment bleibt festzuhalten, dass Größen aus Messwerten herangezogen mit dem direkten Nachweis von Gravita- wurde. tionswellen durch Advanced LIGO eine Einer der relativistischen Effekte, die neue Ära der Astrophysik begonnen hat. Taylor und sein Team messen konnten, In der Fachpublikation, in der die Entde- ist die Verschiebung des Periastrons – des ckung von GW150914 veröffentlicht wur- Punktes auf der Umlaufbahn des Pulsars, de, sind nur 16 Tage des Detektorbetriebs an dem er seinem Begleiter am nächsten ausgewertet. Die erste Messphase von Ad- ist. Dieser Effekt entspricht der bekannten vanced LIGO dauerte indessen vier Mona- Periheldrehung des Merkur im Sonnen- te. In dieser Zeitspanne sind weitere Ereig- system, die nach Einstein eine natürliche nisse hinzugekommen, die gegenwärtig Folge der Krümmung der Raumzeit in der ausgewertet werden. Nähe der Sonne ist. Allerdings ist der Ef- Die eigentliche Entdeckungsmeldung fekt bei PSR 1913+16 rund 35 000-mal grö- zog rasch eine Flut von weiteren Veröffent- ßer als bei Merkur. lichungen nach sich. Allein 25 Forscher- Dieser große Unterschied verdeutlicht teams suchten in den Tagen nach dem den besonderen Wert von engen Doppel- 14. September das fragliche Himmels­areal systemen aus kompakten Neutronen- nach elektromagnetischen Signalen ab. sternen oder – noch besser – Schwarzen Solche sind zwar von einem reinen Dop- Löchern als Testobjekte für die Relati- pelsystem aus Schwarzen Löchern nicht vitätstheorie und insbesondere für die zu erwarten, doch durch Wechselwirkun- Untersuchung von Gravitationswellen. gen mit Materie in der Umgebung könn- Anhand des Pulsars PSR 1913+16 ließ sich ten solche Signale entstehen. erstmals zeigen, dass das System durch Auch wenn solche Nachbeobachtungen Abstrahlen von Gravitationswellen Ener- dem momentanen Kenntnisstand zufol- gie verliert, die der Bahnbewegung ent- ge negativ ausgefallen sind, wird sich ihr zogen wird: Pro Umlauf kommen sich der Wert künftig noch erweisen. Denn nach- Pulsar und sein Begleiter um 3,1 Millime- dem sich mit der Gravitationswellenastro- ter näher. Über die entsprechende Ände- nomie ein neues Fenster zur Beobachtung rung in der Umlaufperiode des Pulsars – des Universums geöffnet hat, werden die die sich pro Jahr um 0,076 Millisekunden Astronomen nicht nur das messen, was sie verkürzt – ließ sich dieser Effekt messen. erwartet haben, sondern auch vieles, was Für die indirekte Bestätigung der von Ein- sie sehr überraschen wird. www.sterne-und-weltraum.de Literaturhinweise Abbott, B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration): Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. In: Physical Review Letters 116, 061102, 2016 Belczynski, K. et al.: The Origin and Evolution of LIGO’s First Gravitational-Wave Source. arXiv:1602.04531v1, 2016 diverse Autoren: Einsteins Kosmos. Moderne Astronomie im Licht der Relativitätstheorie. Sterne und Weltraum Dossier 2/2015. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg 2015 Einstein, A.: Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation. In: Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), S. 688 – 696, 1916 Einstein, A.: Über Gravitationswellen. In: Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), S. 154 – 167, 1918 Mokler, F.: Warten auf das große Zittern. Wie Physiker Einsteins Schwingungen der Raumzeit auflauern. In: Sterne und Weltraum 11/2015, S. 28 – 36 Pössel, M.: 100 Jahre und quicklebendig. Die astronomische Bedeutung der allgemeinen Relativitätstheorie. In: Sterne und Weltraum 11/2015, S. 40 – 47 Reichert, U.: Nobelpreis für Physik – indirekter Nachweis von Gravitationswellen. In: Spektrum der Wissenschaft 12/1993, S. 21 – 23 Schwarzschild, K.: Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie. In: Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), S. 189 – 196, 1916 Dieser Artikel und Weblinks im Internet: www.sterne-und-weltraum.de/ artikel/1401529 April 2016 35
