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Wenn die Raumzeit erzittert

Der Physiknobelpreis wird für den experimentellen Nachweis von Gravitationswellen verliehen. Von Martin Koch

Es gehört zu den viel bewunderten Fähigkeiten von Naturwissenschaftlern, Phänomene vorherzusagen, die oft erst Jahre oder Jahrzehnte später im Experiment nachgewiesen werden. So geschehen bei den elektromagnetischen Wellen, deren Existenz der britische Physiker James Clerk Maxwell bereits 1864 aus den Gleichungen der Elektrodynamik abgeleitet hatte. 22 Jahre später gelang dem deutschen Physiker Heinrich Hertz der experimentelle Nachweis der unsichtbaren Wellen. Hätte es damals schon den Nobelpreis gegeben, Hertz wäre zweifellos ein heißer Kandidat gewesen.

Im Jahr 1916 folgerte Albert Einstein aus den Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, dass auch die Schwerkraft einer wellenförmigen Ausbreitung fähig ist. Gravitationswellen selbst werden als Verzerrungen der Raumzeit beschrieben, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen und dabei vorübergehend den Raum strecken bzw. stauchen. Für den Nachweis solcher Veränderungen sind höchst empfindliche Geräte vonnöten, die es lange Zeit schlicht nicht gab. Erschwerend kam hinzu, dass sich detektierbare Gravitationswellen nicht im Labor erzeugen lassen. Physiker versuchten daher, die von beschleunigten kosmischen Massen abgestrahlten Wellen zu messen. Nach vielen erfolglosen Anläufen, die so manchen resignieren ließen, gelang einer Forschergruppe im September 2015 der Durchbruch. Zwar hatten zwei US-Astronomen schon 1974 aus der sich verändernden Umlaufzeit von Neutronensternen einen indirekten Beleg für die Existenz von Gravitationswellen erbracht. Doch nun konnten solche Wellen erstmals direkt nachgewiesen werden.

Für diese Leistung erhielten drei der daran beteiligten Forscher jetzt den Physiknobelpreis. Nach Mitteilung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften geht eine Hälfte des Preises an den in Deutschland geborenen US-Physiker Rainer Weiss, der am Massachusetts Institute of Technology (MIT) tätig ist. Die andere Hälfte teilen sich Barry C. Barish und Kip S. Thorne vom California Institute of Technology. Der Preis ist in diesem Jahr pro Sparte mit neun Millionen schwedischen Kronen (etwa 940 000 Euro) dotiert.

Die drei Laureaten gehören der sogenannten LIGO/VIRGO-Kollaboration an, einer internationalen Vereinigung von über 1000 Forschern, die seit Jahren nach kosmischen Gravitationswellen fahndet. Und zwar unter Anwendung eines gigantischen Interferometers, das vornehmlich Rainer Weiss entwickelt hatte. Später wurde er dabei von Kip Thorne unterstützt. Der von beiden konzipierte Detektor mit dem Namen LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) teilt einen Laserstrahl zunächst in zwei gleich starke Teilstrahlen, die durch zwei rechtwinklig angeordnete, vier Kilometer lange Röhren laufen. An deren Enden werden sie an Spiegeln reflektiert und zum Zentrum zurückgeworfen, wo sie sich, wenn keine Störungen auftreten, gegenseitig auslöschen. Passiert nun eine Gravitationswelle den Detektor, ändern sich die relativen Längen der durchlaufenen Strecken in der Größenordnung eines Protonendurchmessers, so dass ein abweichendes Interferenzmuster entsteht. Erwähnt sei noch, dass die Idee zu einem solchen Experiment die sowjetischen Physiker Michail Gerzenschtein und Wladislaw Pustowoit schon 1962 hatten, damals aber niemanden fanden, der sie realisierte.

Am 14. September 2015 registrierten die LIGO-Forscher erstmals ein Gravitationswellensignal, das seinen Ursprung in der Kollision zweier Schwarzer Löcher vor rund 1,3 Milliarden Jahren hatte. So lange waren die Schwerkraftwellen bis zur Erde unterwegs. Am 26. Dezember 2015 durchquerte ein zweites Signal den Detektor. Kurz darauf wurde die Entdeckung von Gravitationswellen öffentlich verkündet. Anfangs gab es natürlich erhebliche Zweifel, denn ein so geringer Interferenzeffekt könnte auch durch irdische Störungen bewirkt worden sein.

Diese Zweifel gelten inzwischen als ausgeräumt. Am 14. August 2017 wurde auch am französisch-italienischen Gravitationswellendetektor VIRGO, der mit den beiden LIGO-Detektoren in den USA ein Netzwerk bildet, ein Gravitationswellensignal aufgezeichnet. Gleiches geschah zur selben Zeit an den LIGO-Detektoren. Diese Koinzidenz von zwei so weit voneinander entfernten Ereignissen überzeugte wohl auch die vorsichtigen Nobel-Juroren, den Preis an die Gravitationswellenjäger zu verleihen.

»Vor 400 Jahren richtete Galileo Galilei erstmals ein Teleskop auf den Himmel. Ich glaube, wir tun heute etwas ähnlich Wichtiges. Wir eröffnen eine neue Ära«, hatte LIGO-Direktor David Reitze nach dem ersten Nachweis von Gravitationswellen erklärt. Tatsächlich sind solche Wellen ein universelles Werkzeug zur Erforschung des Universums. Denn die meisten kosmischen Objekte bleiben für uns unsichtbar, da sie keine Strahlung im elektromagnetischen Spektrum aussenden. »Aber alles unterliegt der Schwerkraft. Alles, was Strukturen bildet und eine Masse hat, erzeugt Gravitationswellen«, sagt Karsten Danzmann vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover. »Wir hoffen, mit diesen Wellen einen Zugang zum dunklen Teil des Universums zu bekommen.«

Was sich in diesem Jahr an der Schwedischen Akademie der Wissenschaften ereignete, geschieht dort nur höchst selten: Die Kandidaten, die im Vorfeld als haushohe Favoriten auf den Nobelpreis gehandelt worden waren, erhielten diesen tatsächlich. Experten hatten mit der Ehrung der Gravitationswellenforscher allerdings schon 2016 gerechnet. Damals gehörte dem Trio noch der Brite Ronald Drever an, der im März dieses Jahres verstarb. Und an Verstorbene darf der Nobelpreis nicht verliehen werden. In Deutschland hegten daraufhin manche die Hoffnung, dass Karsten Danzmann auf den frei gewordenen Platz nachrücken werde. Immerhin hatte er im Rahmen des deutschen Projekts zum Nachweis von Gravitationswellen (GEO600) entscheidend an der Entwicklung der Hochtechnologie für Detektoren mitgewirkt. »Die meisten Leute wissen gar nicht, dass deutsche Forscher zu den Pionieren auf diesem Gebiet gehören«, erklärte der Gravitationsexperte Walter Winkler auf einer Veranstaltung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Allein das Nobel-Komitee entschied anders und erwählte einen weiteren US-Amerikaner: Barry Barish. Ihm gebührt das Verdienst, das LIGO-Projekt von der Finanzierung über den Bau der Interferometer bis hin zur Organisation der internationalen Kollaboration gegen manche Widerstände durchgesetzt zu haben. Somit ist auch er ein würdiger Preisträger.

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