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Gravitationswellen - Der Kosmos bebt

Der Kosmos bebt

Der Kosmos bebt

Wie Forscher nach Gravitationswellen lauschen
Kosmische Kollision: Tanzen Schwarze Löcher umeinander und stoßen sie auch noch zusammen, werden Gravitationswellen produziert (Computersimulation). Bild vergrößern
Kosmische Kollision: Tanzen Schwarze Löcher umeinander und stoßen sie auch noch zusammen, werden Gravitationswellen produziert (Computersimulation). [weniger]

TEXT HELMUT HORNUNG

Isaac Newton wandelte nicht im Paradies, sondern in einem englischen Park. Dennoch kam ihm ein Apfel in die Quere, genauer: Er knallte Newton auf den Kopf. Oder kullerte er ihm vor die Füße? Schwer zu sagen. Ob die Geschichte vom Fall des Apfels überhaupt einen wahren Kern besitzt, darf bezweifelt werden. Aber wie die meisten Legenden ist auch sie zumindest gut erfunden. Henry Pemberton erzählt sie erstmals 1728 in seiner Biografie über den berühmten Physiker.

Tatsache ist, dass die Universität Cambridge von 1665 bis 1666 wegen der Pest geschlossen war und der Professor viel Zeit zum Nachdenken hatte. Der Obsttag jedenfalls hatte Newton befruchtet. Er soll ihn auf die Idee gebracht haben, dass hinter der Bewegung eines in die Höhe geworfenen Steins, der Bahn des Mondes um die Erde oder eben eines zu Boden fallenden Apfels ein und dasselbe physikalische Phänomen steckt: die Schwerkraft.

So beginnt Mitte des 17. Jahrhunderts die Geschichte der Gravitation – der Kraft, die bis in die letzten Winkel des Universums reicht und die Welt zusammenhält. Präziser formuliert: „Zwei Punktmassen ziehen sich an mit einer Kraft, die in die Richtung ihrer Verbindungslinie zeigt, dem Produkt ihrer Massen direkt und dem Quadrat ihres Abstands indirekt proportional ist.“ Das Newtonsche Gravitationsgesetz verträgt sich wunderbar mit unserem Alltag. Es erklärt in gleicher Weise, warum die Erde um die Sonne läuft und Handys (natürlich immer die teuersten!) zu Boden fallen und kaputt gehen. Soweit wäre alles gut, gäbe es nicht einen Makel: Das Gravitationsgesetz gilt nicht uneingeschränkt.

Einsteins Gedanken

Im Jahr 1907 denkt ein „Experte II. Klasse“ am Berner Patentamt intensiv über die Schwerkraft nach. Zwei Jahre zuvor hat er bei der Zeitschrift Annalen der Physik fünf Arbeiten eingereicht, eine davon mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. In dem Aufsatz rüttelt der Freizeitforscher ebenso an den Grundfesten der Physik wie in dem dreiseitigen Nachtrag „Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?“

Die beiden Arbeiten werden später Spezielle Relativitätstheorie genannt. Der geniale Autor heißt Albert Einstein, 1905 gilt als sein annus mirabilis (Wunderjahr). Am 20. Juli feiert er die Arbeiten mit seiner Frau Mileva. In einer Postkarte an den Freund Conrad Habicht beschreibt er das Ende des ausgelassenen Festes: „Total besoffen leider beide unterm Tisch.“

Die Spezielle Relativitätstheorie bricht unter anderem mit Newtons Dogma von der absoluten Zeit und widerlegt die Behauptung, Geschwindigkeiten würden sich stets direkt addieren. Außerdem soll nach der Newtonschen Theorie die Änderung in der Gravitationswirkung eines Körpers unverzüglich im gesamten Universum spürbar sein. Das heißt: Die Schwerkraft wirkt überall sofort. Das vertrug sich nicht so recht mit Einsteins Aussage, wonach es für die Ausbreitung von Krafteinflüssen jeglicher Art ein natürliches Tempolimit gibt – die Lichtgeschwindigkeit (c = 300 000 km/s).

So ging der Physiker daran, die Gesetze der Gravitation auf eine neue Grundlage zu stellen. Später erinnert er sich: „Es war 1907, als mir der glücklichste Gedanke meines Lebens kam ... Das Gravitationsfeld hat nur eine relative Existenz, weil für einen Beobachter, der frei vom Dach eines Hauses fällt – zumindest in seiner Umgebung – kein Gravitationsfeld existiert. Tatsächlich bleiben alle von diesem Beobachter fallen gelassenen Gegenstände im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, unabhängig von ihrer chemischen oder physikalischen Natur.“

Universum in Unruhe

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist letztlich eine Feldtheorie – wie die Maxwellsche Elektrodynamik auch. In seinen Gleichungen verknüpft der schottische Physiker und Mathematiker James Clerk Maxwell elektrisches und magnetisches Feld mit Ladungen und Strömen. Die Konsequenzen der Elektrodynamik erleben wir heute wie selbstverständlich: Rundfunk und Fernsehen bringen sie uns ins Haus – als elektromagnetische Wellen. Sie entstehen durch die Beschleunigung von elektrischen Ladungen. Obwohl in vielen Punkten unterschiedlich, haben Allgemeine Relativitätstheorie und Elektrodynamik einige formale Gemeinsamkeiten.

Zusammenstoß zweier Neutronensterne Bild vergrößern
Zusammenstoß zweier Neutronensterne

So ergeben sich in der Elektrodynamik aus der Ladungsverteilung die Felder, die ihrerseits die Ladungsteilchen beeinflussen, die wiederum auf die Felder wirken. In der Allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt die Materieverteilung die Geometrie der Raumzeit, die sich auf die Materieverteilung auswirkt, was schließlich die Geometrie verändert. In den beiden Theorien steckt noch eine weitere Gemeinsamkeit: Bei Maxwell entfernen sich Störungen in elektromagnetischen Feldern mit Lichtgeschwindigkeit von ihrem Entstehungsort, zum Beispiel einer elektrischen Ladung. Bei Einstein führt die beschleunigte Bewegung von Massen im Gravitationsfeld zu Störungen, die sich lichtschnell durch den Raum bewegen. In beiden Fällen kann man das Wort Störungen durch ein anderes ersetzen: Wellen.

Wer auf dem Trampolin auf und ab hüpft, verliert Energie (nicht nur in Form von Kalorien!) und schlägt in der Raumzeit Wellen. Nun besitzt ein Mensch eine geringe Masse und hüpft vergleichsweise langsam. Daher sind die von ihm ausgesandten Gravitationswellen unmessbar klein. Im All dagegen findet man große Massen – und sogar ein Trampolin: die Raumzeit. Darin ist alles in Bewegung, weil kein einziger Himmelskörper in Ruhe an einem Ort verharrt. So beult die Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne den Raum aus und strahlt dabei Gravitationswellen mit einer Leistung von 200 Watt ab. Aber auch diese Gravitationswellen sind noch zu schwach, als das man sie mit einem Detektor aufspüren könnte.

Ameisen im Gleichschritt

Dazu schneidern wir in Gedanken ein Gummituch, das zwei Experimentatoren – nennen wir sie Albert und Isaac – jeweils an den gegenüber liegenden beiden Ecken festhalten. Jetzt ziehen Albert und Isaac gleichzeitig an dem Tuch, indem sie zwei oder drei Schritte zurücktreten. Während sie sich voneinander entfernen, bleiben die Arme am Körper angelegt. Das Gummituch wird länger und gleichzeitig schmäler.

Als nächstes gehen Albert und Isaac wieder aufeinander zu, wobei sie die Arme vom Körper wegstrecken: Das Gummituch wird kürzer und gleichzeitig breiter. Zum Schluss kehren die beiden Experimentatoren in die Ausgangsposition zurück. Während des Versuchs würde sich ein auf das Gummituch aufgemaltes Porträt von Albert Einstein genau so dehnen und stauchen, als hätte eine von unten nach oben durch die Ebene des Gummituchs laufende Gravitationswelle den Raum verzerrt.

Vom Jahr 2013 an sollen drei identische Satelliten 50 Millionen Kilometer hinter der Erde herfliegen und dabei ein Dreieck mit fünf Millionen Kilometern Seitenlänge aufspannen. Dieses Weltraum-Laserinterferometer wird millionenfach empfindlicher sein als erdgebundene Detektoren. Bild vergrößern
Vom Jahr 2013 an sollen drei identische Satelliten 50 Millionen Kilometer hinter der Erde herfliegen und dabei ein Dreieck mit fünf Millionen Kilometern Seitenlänge aufspannen. Dieses Weltraum-Laserinterferometer wird millionenfach empfindlicher sein als erdgebundene Detektoren. [weniger]

In einem zweiten Versuch malen wir auf das Gummituch zwei möglichst weit voneinander entfernte Kreise. Den einen nennen wir Start/Ziel, den anderen Wendepunkt. Dann organisieren wir einen Trupp gut dressierter Ameisen. Wir setzen alle in den Kreis Start/Ziel und lassen eine nach der anderen in regelmäßigem zeitlichen Abstand zum Wendepunkt und wieder zurück laufen. Weil die Ameisen mit konstanter Geschwindigkeit unterwegs sind, erreichen sie den Zielkreis alle in demselben Takt und Abstand wie sie ihn beim Start verlassen haben.

Nun dehnen Albert und Isaac das Gummituch um das Doppelte. Dadurch wird auch die Marschformation des Ameisentrupps auseinandergezogen, die Abstände der Ameisen aufeinander wachsen: Die Ameisen kommen in doppelt so großem zeitlichen Abstand wieder im Ziel an. Diese Zeitverzögerung tritt allerdings nur vorübergehend auf, denn es betrifft ja nur jene Ameisen, die gerade auf der Strecke sind. Bleibt das Tuch um den Faktor zwei gespannt, kehren die startenden Ameisen auch wieder im Takt zurück. Die (simulierte) Gravitationswelle bewirkt, dass die Ameisen mal etwas schneller, mal etwas langsamer aufeinander folgen als erwartet.

Wie oben beschrieben, verändert eine Gravitationswelle den Abstand zwischen den im Raum enthaltenen Objekten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Das zu messen, ist äußerst schwierig. Stellen wir uns den GAU in einer benachbarten Galaxie vor: die Explosion eines massereichen Sterns. Die von diesem Kollaps ausgesandten Gravitationswellen würden während weniger Zehntausendstel Sekunden die Distanz zwischen Sonne und Erde (1,5 x 1011 Meter) nur um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms (10-10 Meter) ändern.

GEO600 breitet die Arme aus

In Ruthe bei Hannover streckt GEO600 seine beiden jeweils 600 Meter langen Arme aus. Herzstück ist das Zentralhaus mit dem Lasersystem (vorne links). Bild vergrößern
In Ruthe bei Hannover streckt GEO600 seine beiden jeweils 600 Meter langen Arme aus. Herzstück ist das Zentralhaus mit dem Lasersystem (vorne links). [weniger]

Daher konstruierten die Forscher noch weit empfindlichere Empfänger. Deren Prinzip beruht auf dem Gedankenexperiment mit dem Gummituch. Dazu ersetzen wir den Kreis Start/Ziel durch einen Laser, den Wendepunkt durch einen Spiegel und denken uns die Ameisen als die Wellenberge eines Lichtsignals. Um die winzigen Verzögerungen der Ankunftszeit nachzuweisen, muss senkrecht zum ersten noch ein zweiter Strahlengang angelegt werden, damit sich die Lichtwellen dieser beiden Arme überlagern.

Ein solches Michelson-Interferometer gibt es schon seit 1882; gebaut wurde es ursprünglich, um die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zu prüfen. Ausgerüstet mit modernster Technik eignet es sich ideal zum Nachweis von Gravitationswellen. Die Anlage GEO600, die auf einem Feld in Ruthe bei Hannover steht, funktioniert nach dem Prinzip des Michelson-Interferometers. Das Licht produzieren mehrere Diodenlaser, die jenen in einem CD-Player gleichen. Ein kleiner Kristall verwandelt das Licht in einen infraroten Laserstrahl, dessen Leistung nach der Filterung allerdings nur zehn Watt beträgt – viel zu schwach für sinnvolle Messungen.

Daher arbeiten die Forscher mit „Licht-Recycling“: Ein Spiegel schickt alles nicht benutzte Licht wieder in Richtung Laser, der es erneut auf den Weg ins Interferometer bringt. Dieser Kreislauf wiederholt sich mehrfach und verstärkt nicht nur die umlaufende Lichtleistung auf mehrere 1000 Watt, sondern erhöht auch die Empfindlichkeit des Detektors. Der Laser ist darüber hinaus extrem stabil: über Monate hinweg produziert er Licht von immer gleicher Amplitude und Frequenz.

Die beiden Arme des Interferometers bilden jeweils 600 Meter lange, in Gräben verlegte Röhren. Die Laserstrahlen sollten darin ungestört von äußeren Einflüssen laufen. In der Praxis gilt es, Vibrationen durch Verkehr, Seismik oder Nordseewellen auszuschalten. Seismometer messen die Schwingungen, die dann von Piezoaktuatoren kompensiert werden. Neben diesem aktiven sind alle optischen Teile mit einem passiven System versehen: zweilagige Dämpfer aus Gummi und Edelstahl. Ebenso vibrationsdämpfend wirken Blattfedern und mehrstufige Pendel. Um die thermischen Fluktuationen der Luftdichte innerhalb der Anlage möglichst klein zu halten, wurde das Interferometer in evakuierten Edelstahlröhren untergebracht; Turbomolekularpumpen schaffen ein Ultrahochvakuum besser als 10-11 bar.

GEO600 ist ein bilaterales Projekt, federführend daran beteiligt sind das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und die Universität Hannover auf deutscher sowie die Universitäten Glasgow und Cardiff auf britischer Seite. Die Anlage ist einer von mehreren irdischen Horchposten, die das Konzert der Sterne abhören sollen. Die USA betreiben an zwei 3000 Kilometer entfernten Standorten LIGO – interferometrische Detektoren mit jeweils vier Kilometern Armlänge. Nahe der italienischen Stadt Pisa steht VIRGO, und die Japaner arbeiten mit TAMA 300. Während alle diese Detektoren gerade den Betrieb aufnehmen, denken die Astronomen schon ans Jahr 2013, wenn das Interferometer LISA vom Weltraum aus nach Gravitationswellen lauschen soll. Mal sehen, wer die Botschaft zuerst auffängt.

 
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