100 Jahre nach Einstein: Forscher beobachten erstmals Gravitationswellen

Albert Einstein hat sie vorhergesagt, nun wurden sie in den USA erstmals direkt nachgewiesen: Gravitationswellen, die sich im All ausbreiten. Zu der bahnbrechenden Entdeckung haben auch deutsche Institute maßgeblich beigetragen.

Simulation der ersten von LIGO beobachteten verschmelzenden Schwarzen Löcher. © S. Ossokine, A. Buonanno, R. Haas/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen oder Sterne explodieren, lassen sie die Raumzeit buchstäblich „erzittern“: Es entstehen Gravitationswellen, die sich im Weltraum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten – ähnlich wie Kräuselungen auf einer Wasseroberfläche. Die Existenz dieser Wellen hat Albert Einstein vor rund 100 Jahren in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Bislang konnten Gravitationswellen jedoch nur indirekt beobachtet werden: Die Verzerrungen der Raumzeit sind so winzig, dass sie sich kaum nachweisen lassen.

Forscher am Gravitationswellendetektor GEO600 bei Hannover © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/H. Lück

Jetzt haben Forschende am Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) in den USA erstmals direkt Signale von Gravitationswellen gemessen, die offenbar aus einem System von zwei Schwarzen Löchern stammen. Das hat die LIGO-Kollaboration am 11. Februar 2016 bekanntgegeben. An dem internationalen Forschungsprojekt sind mehrere deutsche Forschungseinrichtungen beteiligt: das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam-Golm und Hannover, die Leibniz Universität Hannover und die Universität Hamburg.

Der Nachweis gelang im ersten Beobachtungslauf der beiden „Advanced LIGO“-Detektoren in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) – einer neuen Generation von Messinstrumenten. Derzeit sind sie etwa viermal empfindlicher als ihre Vorgänger; in den kommenden Jahren soll die Empfindlichkeit weiter bis auf das Zehnfache gesteigert werden. Dann werden die Detektoren ein tausendfach größeres Volumen im Universum beobachten können.

Für den ersten Beobachtungslauf von LIGO hat das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik mehr als 40 Prozent der Rechenkapazität zur Verfügung gestellt.
Für den ersten Beobachtungslauf von LIGO hat das MPI für Gravitationsphysik mehr als 40 Prozent der Rechenkapazität zur Verfügung gestellt. © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/H. Lück

Zu diesem Fortschritt haben Forscherinnen und Forscher aus Deutschland maßgeblich beigetragen: In beiden LIGO-Detektoren stecken präzise Hochleistungslaser, die vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover entwickelt und am deutsch-britischen Gravitationswellendetektor GEO600 bei Hannover erstmals getestet wurden. Zudem steuert das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik effiziente Methoden für die Datenanalyse und die Signalmodellierung bei. In der Astrophysik arbeiten Experimentalisten und Theoretiker eng zusammen. Um diese Gemeinschaftsarbeit zu stärken, hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) von 2002 bis 2014 einen Zusammenschluss aus mehreren Universitäts- und Max-Planck-Instituten im Sonderforschungsbereich „Gravitationswellenastronomie“ gefördert.

„Diese Entdeckung öffnet ein neues Fenster zum Universum, das uns den Blick bis zurück zum Urknall erlaubt. Das ist eine Jahrhundertentdeckung und ein grandioser Erfolg für die Grundlagenforschung. Deutsche Forschungsgruppen haben zu dieser Entdeckung  maßgeblich beigetragen – das zeigt die herausragende Position Deutschlands als Wissenschaftsstandort“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka anläßlich der LIGO-Pressekonferenz, die parallel in Washington und Hannover stattfand.

Bisher stützen sich astronomische Beobachtungen fast ausschließlich auf Teleskope, die elektromagnetische Wellen aus dem All empfangen – etwa Radiowellen, sichtbares Licht oder energiereiche Gammastrahlung. Die Gravitationswellen eröffnen den Astronomen nun ein völlig neues Beobachtungsfenster, mit dem sie bis zurück zu den Anfängen des Universums blicken können.

100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie

Die Mitmach-Ausstellung „Einstein inside“ erinnert an die Entstehung der Allgemeinen Relativitätstheorie vor 100 Jahren. Bis heute liefert Einsteins Theorie Stoff für faszinierende Forschung und neue Entdeckungen. Das Bundesforschungsministerium fördert diese Ausstellung, die seit dem 1. Februar 2016 im Astronomiemuseum der Sternwarte Sonneberg zu sehen ist. Veranstalter ist das Institut für Astronomie und Astrophysik der Eberhard-Karls-Universität Tübingen.