Warten auf die Welle : Einsteins letztes Geheimnis

Die Schwerkraft lässt Raum und Zeit schwingen, schrieb Albert Einstein. Er glaubte aber nicht daran, dass man diese Wellen aufspüren kann. Physiker wollen nun endlich die letzte Prophezeiung der Relativitätstheorie beweisen.

Felicitas Mokler
Simulation von Gravitationswellen
Durch Raum und Zeit. Wie sich Gravitationswellen ausbreiten, können Forscher bisher nur in Simulationen zeigen.Abbildung: Nasa

Die Wolken hängen tief, gelegentlich peitscht eine Böe Regentropfen gegen die Windschutzscheibe. Es ist Herbst geworden im hannoverschen Land. Emil Schreiber, Doktorand am Albert-Einstein-Institut, biegt mit dem blauen Dienstbus kurz vor dem Dorf Ruthe in einen Feldweg ein. Vom Eisengatter, das auf das Gelände mit dem Gravitationswellendetektor Geo600 führt, bis zu den Containerbauten mit Büros und Laboren sind es noch 600 Meter. Links säumt eine Apfelbaumplantage den Weg. „Rechts im Straßengraben verläuft eine unserer beiden Messstrecken“, sagt er.

Kurze Zeit später, inmitten des kreativen Chaos der Arbeitsräume, holt Schreiber eine Messkurve auf den Bildschirm: „Hier sieht man die Erschütterung, die wir mit dem Auto verursacht haben.“ Aber eigentlich sind die Forscher mit diesem Experiment auf der Suche nach Gravitationswellen aus den Tiefen des Alls.

Als Albert Einstein vor 100 Jahren die Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte, krempelte er unsere Vorstellung vom Kosmos um. Seitdem sind Raum und Zeit zu einem dynamischen und geometrisch verformbaren Gefüge verwoben. Mehr noch: Zwei Massen treten nicht mehr unmittelbar über die Schwerkraft in Wechselwirkung, wie es einst Isaac Newton beschrieben hat. Vielmehr verformt Materie in ihrer Umgebung die Raumzeit. Gerät ein anderer Körper in die Nähe dieser „Delle“, wird er durch sie abgelenkt und auf eine krumme Bahn gezwungen.

Die Lücke bei der Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie

Und wann immer sich Materie in der Raumzeit beschleunigt bewegt, vermag sie diese sogar in Schwingungen zu versetzen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten (siehe Grafik). Je massereicher und kompakter die Objekte, umso stärker ist der Effekt. Dass solche Gravitationswellen existieren, folgerte Einstein ein Jahr nachdem er die Grundlagen seiner Theorie der Gravitation vorgelegt hatte. Der Physiker glaubte jedoch nicht daran, dass man Schwingungen der Raumzeit jemals aufspüren könnte.

„Die Wechselwirkung zwischen Gravitationswellen und Materie ist extrem schwach. Das macht es so schwierig, sie zu messen“, sagt Karsten Danzmann. Nur selten ist der Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Leiter des Instituts für Gravitationsphysik der Universität Hannover in seinem Büro anzutreffen. Meist reist er um die Welt, um die Zukunft der Gravitationswellenforschung zu planen. Er will gemeinsam mit Kollegen die technischen Voraussetzungen schaffen, um die Schwingungen der Raumzeit zu messen. Wenn dies gelingt, würde das eine wichtige Lücke bei der Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie schließen. Zwar konnten Forscher verschiedene Voraussagen dieser Theorie nachweisen, die Mehrheit erkennt Einsteins Konzept zur Beschreibung der Gravitation als gültig an. Doch es hat auch Grenzen. Und es gibt durchaus alternative Vorschläge, die Schwerkraft zu erklären.

Grafik: Nils Klöpfel

„Die Gravitationswellenastronomie wird uns ein neues Fenster zum Universum auftun“, sagt Danzmann. Bisher seien die Forscher vergleichbar mit Reisenden, die im Dschungel nur sehen, aber nicht hören können. Denn wir beziehen unsere Information über die Vorgänge im All vorwiegend aus elektromagnetischer Strahlung – also Licht unterschiedlichster Wellenlänge. Analog dazu nehmen die Dschungeltouristen vor allem eines wahr: grünes Dickicht. Öffnen sich ihre Ohren, werden sie plötzlich die Vögel hören, die sich in den Baumkronen tummeln, oder das Knacken im Unterholz, wenn sich ein Tiger anschleicht.

Für den indirekten Nachweis gab es bereits einen Nobelpreis

Auch wenn sich die Schwingungen der Raumzeit physikalisch vom Schall unterscheiden: „Wir werden mit unseren Detektoren ins Weltall hinaushorchen und dabei zuhören, wie zwei Neutronensterne oder Schwarze Löcher miteinander verschmelzen oder Sterne explodieren. Das Universum wird sich uns in einer völlig neuen Dimension erschließen“, sagt Danzmann. Bisher müssen sich Forscher mit Computersimulationen begnügen.

Für den indirekten Nachweis von Gravitationswellen gab es bereits 1993 einen Nobelpreis. Die beiden Astrophysiker Russell Hulse und Joseph Taylor hatten in den 1970er Jahren ein besonderes Doppelsternsystem beobachtet. In dem System PSR1913+16 umkreisen sich zwei Neutronensterne in einem Abstand, der nur wenige Male der Distanz Erde-Mond entspricht. Die Sterne sind äußerst kompakt. Sie vereinigen in sich jeweils etwa eine Sonnenmasse – bei einem Durchmesser von wenigen Kilometern! Deshalb ist die Gravitation an ihrer Oberfläche und in ihrer Umgebung besonders stark. Ein perfektes Labor also, um die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Es stellte sich heraus, dass sich die beiden Sterne immer schneller umrundeten und dabei Energie verloren. Der aus den Beobachtungen errechnete Energieverlust entsprach genau jenem Wert, den die Relativitätstheorie aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen vorhersagte. Mittlerweile haben Astronomen rund ein Dutzend ähnlicher Systeme untersucht, mit demselben Ergebnis. Doch nun wollen sie die Wellen endlich direkt aufspüren.

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