Der Vermessung von Gravitationswellen – der Beginn einer neuen Ära in der Astrophysik

Der 13. Dezember 1888 war ein historischer Tag, ohne dass wir dieses Datum in den Geschichtsbüchern finden. An diesem Donnerstag vor mehr als 125 Jahren unterrichtete der Physiker Heinrich Hertz die Berliner Akademie der Wissenschaften in seinem Forschungsbericht „Über Strahlen elektrischer Kraft“, darüber, dass es ihm im Experiment gelungen war, elektromagnetischer Wellen von einem Sender zu einem Empfänger zu übertragen. Hertz’ Ergebnisse lieferten die Grundlage für zahlreiche Technologien, die das 20. Jahrhundert prägen sollten, wie die drahtlose Telegrafie oder das Radio und Fernsehen. Seine Experimenten waren eine Sternstunde der experimentellen und angewandten Physik – sowie der theoretischen: Denn knapp 25 Jahre zuvor hatte James Clark Maxwell in seiner Jahrhundertarbeit „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field“ die Gleichungen formuliert, die das universelle Verhalten elektrischer und magnetischer Felder beschreiben, und welche heute seinen Namen tragen. Und Maxwell erkannte sogleich, dass bestimmte Lösungen seiner Gleichungen die Existenz von schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern voraussagen, die sich durch den leeren Raum bewegen. Sie waren es, die Hertz messen sollte.

Der zweite Donnerstag des Februars 2016 ist ein Tag, der sich in seiner Bedeutung dem zweiten Donnerstag des Dezember 1888 gleichsetzen lässt. An diesem 11. Februar gaben Forscher der internationalen LIGO-Virgo-Kollaboration bekannt, dass sie erstmals Gravitationswellen direkt gemessen haben. Die Bedeutung dieser Entdeckung ist mit derjenigen des Higgs-Bosons im Juli 2012 zu vergleichen (was wohl auch ein wenig die Spannung für die Verkündigung des Physik-Nobelpreisvergabe im Herbst 2016 herausnimmt). Auch die Gravitationswellen wurden von der theoretischen Physik vorhergesagt, und zwar von der Theorie, der erst kürzlich ihren 100. Geburtstag feierte: Albert Einsteins allgenmeine Relativitätstheorie. Somit wird wohl auch der 11. Februar 2016 als Sternstunde in die Geschichte sowohl der experimentellen als auch der theoretischen Physik eingehen. Dieser Tag lässt uns mal wieder eindrucksvoll die Fähigkeit der Wissenschaft erkennen, die Welt, in der wir leben und die naturgesetzlichen Grundlagen, auf der sie basiert, mit Mitteln der Mathematik sowie experimenteller Kreativität zu erfassen. Und wie die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen eine neue Ära in der Physik einleiten sollte, so wird mit der Detektion der Gravitationswellen wohl der Beginn einer neuen Ära der Astronomie sein.

Doch machen wir einen Schritt 100 Jahre zurück: In seiner allgemeinen Relativitätstheorie formulierte Einstein, dass die Wirkung der Gravitation nicht durch eine räumlich wirkende und zeitlich unabhängige Kraft gegeben ist, sondern durch eine Beeinflussung der Raum-Zeit-Struktur selbst. Mit anderen Worten, die Schwer-‚Kraft‘ ergibt sich als Konsequenz der durch Massen verursachten Veränderung in der geometrischen Struktur der vierdimensionalen Raum-Zeit anstatt durch ein abstraktes zeitloses Wirkungsvermögen wie noch in der Physik Newtons. Damit vereinigte Einstein, was in der klassischen Theorie noch scharf getrennt war: Raum und Kraft, Geometrie und Gravitation. Massen treten nicht mehr durch Kräfte in Verbindung, sondern sie verändern die Struktur der Raum-Zeit, indem sie diese verbiegen oder „krümmen“, was wiederum Massen „gravitativ“ beeinflusst. In mathematischer Form: Die Einstein-Gleichungen beschreiben einen direkten Zusammenhang zwischen der Massenverteilung der Körper (dargestellt durch ein mathematisches Objekt namens „Energie-Impuls-Tensor“ auf einer Seite der Gleichung) und den geometrischen Eigenschaften, der sogenannten „Metrik“, der Raum-Zeit (dargestellt durch den „Krümmungstensor“ auf der anderen Seite der Gleichung). Physikalisch formuliert: Der Raum ist nicht Behälter der physikalischen Welt, die Zeit nicht innerer Parameter der Bewegung, sondern beide sind integrierter Gegenstand der Physik mit einer eigenen Dynamik. Oder, wie es der Physiker John Archibald Wheeler einmal knapp auf den Punkt brachte: “ Materie sagt dem Raum, wie er sich krümmen soll. Der Raum sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll.“ Und eine direkte Konsequenz der Einstein’schen Theorie war, dass jedes System beschleunigter Massen, wie beispielsweise Körper, die umeinander kreisen, wie ein Doppelsternsystem oder um die Sonne kreisende Planeten, wellenartige Verformungen der Raumzeit erzeugen, ähnlich wie beschleunigte elektrische Ladungen elektromagnetische Wellen abstrahlen. Diese so genannten „Gravitationswellen“ sind also Wellen der Raumzeit selbst, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie führen dazu, dass Abstände des Raumes (und der Zeit), die sie durchqueren, vorübergehend gestaucht und gestreckt werden.

Nun sind die Gravitationswellen, die beispielsweise die Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne erzeugt, unmessbar schwach (ihre gesamte abgestrahlte Leistung beträgt gerade einmal 300 W). Man braucht für die Messung von Gravitationswellen also wesentlich intensivere Quellen: heftige Supernova-Explosionen oder in geringem Abstand einander umkreisende oder zusammenstossende Neutronensterne, noch besser Schwarze Löcher. Doch ist aufgrund der grossen Entfernung derartiger Ereignisse von uns die Wirkung dieser Wellen, wenn sie schliesslich die Erde erreichen, sehr gering (wir sollten uns vielleicht glücklich schätzen, denn eine Nähe zu diesen Ereignissen würde uns niemals mehr in die Lage versetzen, auch nur irgendetwas zu messen). Nun hat das LIGO-Virgo-Observatorium ein gewaltiges Ereignis dieser Sorte eingefangen: zwei Schwarze Löcher mit 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen, die einander gerade noch ein Dutzend Mal umrunden sollten, bevor sie schliesslich zu einem massereicheren Schwarzen Loch mit rund 60 Sonnenmassen verschmolzen. Während dieser letzten wenigen Orbits vor dem Crash ineinander waren die mit ihrer Bewegung verbundenen Schwingungen der Raumzeit derart stark, dass sie noch heute in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren messbar sind. Das Signal dauert allerdings nur ca. eine halbe Sekunden, denn die Schwarzen Löcher umkreisten sich zu diesem Moment bereits annähernd mit Lichtgeschwindigkeit (und setzen dabei in diesem kurzen Zeitraum 50-mal mehr Energie frei als alle Sterne des Universums zusammen).

Nichtsdestotrotz war für die Messung dieser Wellen höchste Experimentierkunst notwendig. Denn auf einer Länge der Messröhren (so genannter Interferometer) von vier km musste eine Längenänderung von der Grössenordnung eines geringen Bruchteils eines Atomdurchmessers vermessen werden. Und um Zufälle auszuschliessen, mussten diese Messungen an zwei verschiedenen, in ca. 3000 km Entfernung gelegenen Orten in einem genau bestimmten exakten zeitlichen Abstand gemessen werden. Und genau dies ist jetzt wohl gelungen, und das Ergebnis lässt sich mit entsprechenden theoretischen Modell in sehr gute Übereinstimmung bringen. Dass dabei auch ein wenig Glück im Spiel war, geben die Physiker gerne zu: Denn die Gravitationswellen hatten zufällig genau die Frequenzen (bestimmt durch die Massen der Schwarzen Löcher), bei denen die Detektoren gerade zehn Mal empfindlicher sind, als es noch kürzlich vor einem Umbau waren.

Es könnte der Anfang einer neuen Ära sein. Denn nun machen sich die Physiker daran, die Messgenauigkeit der Detektoren auch bei höheren Frequenzbereichen weiter zu verfeinern, um regelmässig Signale von Doppelsystemen mit stellaren Schwarzen Löchern in unterschiedlichen Entfernungen und damit aus unterschiedlichen Epochen einzufangen. Damit ist den Physiker ein Werkzeug in die Hand gegeben, mit dem sie die Gesetze der Gravitation auch unter extremen Bedingungen, wie sie in der Umgebung von schwarzen Löchern herrschen, untersuchen können. Zudem erhalten sie damit einen Zugang zu den 99 Prozent des Universums, die sich nicht durch Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum (Licht, Radio- Röntgen-, Gammastrahlung) erfassen lassen. Ob sich analog zur „Elektrotechnik“ Anwendungen im Sinne einer „Gravitationstechnik“ ergeben, ist zurzeit noch kaum vorstellbar. Aber konnte sich Hertz 1888 ausmalen, wohin sich die Elektrotechnik in den ihm folgenden 100 Jahren entwickeln sollte?