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Gravitationswellen: Österreicher simulierten Schwarze Löcher

(c) LIGO Laboratory (HANDOUT)
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Bei der historischen Entdeckung von Gravitationswellen waren auch theoretische Physiker aus Österreich beteiligt. Sie modellierten kollidierende Schwarze Löcher in unterschiedlichen Stadien.

„Wir haben es geschafft“, hieß es am Donnerstagabend, als amerikanische Physiker von der Ligo(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)-Kollaboration die Entdeckung von Gravitationswellen zweier kollidierender Schwarzer Löcher verkündeten. Auch eine Handvoll österreichischer Physiker hatte Grund zum Feiern. Denn sie leisteten wichtige Beiträge zu der spektakulären Entdeckung.

Eine große Herausforderung beim Nachweis von Gravitationswellen ist das meist extrem schwache Signal. Die Forscher müssen sehr genau verstehen, wonach sie eigentlich suchen. Ein möglichst präzises Modell des zu erwartenden Signals ist nötig, um Gravitationswellen nicht nur zweifelsfrei nachzuweisen, sondern letztendlich weitere Information über die Quelle der Wellen zu gewinnen.

 

Wellenmuster vorhersagen

„Dass unser erstes Signal gleich vom Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher stammt, ist ein Traum“, sagt Patricia Schmidt vom California Institute of Technology, „vor allem, wenn man selbst jahrelang an der Modellierung der Wellenformen genau eines solchen Ereignisses gearbeitet hat.“

Gemeinsam mit Sascha Husa von der Universität der Balearen in Mallorca und Michael Pürrer vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Podsdam hat sie Modelle entwickelt, um vorherzusagen, welches Wellenmuster kollidierende Schwarze Löcher erzeugen würden, auf Grundlage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Arbeit half, das gemessene Signal zu verstehen und daraus die Massen der beiden schwarzen Löcher zu bestimmen.

Gernot Heißel ist als Doktorand an der Universität Cardiff ebenfalls mit Simulationen Schwarzer Löcher beschäftigt. Er befasst sich mit der Beschreibung des Zustands vor dem Verschmelzen, also den Anfangsdaten für andere Berechnungen. Das Fachgebiet von Reinhard Prix sind nicht unmittelbar Schwarze Löcher, bei ihm geht es um Neutronensterne, die sehr viel langsamere Signale erzeugen. Er war allerdings an Simulationen des Ausklingens nach dem Verschmelzen der Schwarzen Löcher beteiligt, bei denen seine Methoden ebenfalls anwendbar waren.

 

100 Jahre nach Einstein

Die Messung selbst gelang mit speziell für diesen Zweck gebauten Detektoren, zwei in den USA unter dem Namen Ligo und einer namens Virgo bei Pisa. Im Prinzip handelt es sich um sehr präzise Längenmessungen, sehr ähnlich denen, die vor mehr als 100 Jahren die Grundlage für die Relativitätstheorie gelegt haben, nur ungleich aufwendiger. Gravitationswellen dehnen und stauchen laut Allgemeiner Relativitätstheorie den Raum selbst. Diese Veränderung wird mittels Laserstrahlen in vier Kilometer langen luftleeren Röhren direkt gemessen.

Das Ligo-Projekt arbeitet mit zwei identischen Detektoren, die 3000 Kilometer voneinander entfernt sind. Das genügt, um festzustellen, wo das Signal zuerst eintrifft und so die Richtung des kosmischen Ereignisses festzustellen. Noch dieses Jahr soll Virgo wieder dazustoßen, das gerade umgebaut wird, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Während des Ereignisses, das Ligo gemessen hat, war Virgo offline – bei Ligo hatte man den Umbau schon abgeschlossen. Die Virgo-Kollaboration leistete dennoch wichtige Beiträge. Die Beobachtung der Gravitationswellen gelang bei einem Testlauf, der aber schon mit der nötigen Genauigkeit durchgeführt wurde.

Gravitationswellen stehen deshalb bei den Forschern so hoch im Kurs, weil sie ein völlig neues Fenster zur Beobachtung kosmischer Objekte öffnen. Bisher empfangen wir von fernen Objekten nur Licht, in allen Wellenlängen. Gravitationswellen direkt messen zu können, ist für die Forscher vergleichbar mit dem Gewinn eines neuen Sinnesorgans.
Die Suche nach Gravitationswellen war immer wieder von spektakulären Fehlschlägen gezeichnet. Gab es bereits Zweifel, ob Gravitationswellen vielleicht doch nicht existierten? Reinhard Prix verneint: „Es war immer klar, dass die Chance gering ist, bei der ersten Ausbaustufe von Ligo Gravitationswellen zu finden. Die Genauigkeit war zu gering.“ Pürrer: „Dass es dann gleich so schnell gehen würde, und vor allem die großen Massen, war sehr überraschend.“

 

Muss man ins Ausland gehen?

Auffällig ist: Die vier Physiker und die Physikerin arbeiten nicht in Österreich. Muss man als Österreicher ins Ausland gehen, wenn man an Allgemeiner Relativitätstheorie forschen will? Das wollen Prix und Pürrer so nicht gelten lassen: „In Wien gibt es eine Gruppe für Allgemeine Relativitätstheorie, aber die geht in eine andere Richtung.“ Um dann doch zuzugeben: „Es wäre natürlich schön, wenn Österreich auch beteiligt wäre.“

In Zahlen

1000 Forscher aus 15 Ländern arbeiten in der Ligo Scientific Collaboration zusammen. Die europäische Kollaboration Virgo zählt weitere 250 Forscher. Auch Österreicher waren am Nachweis von Gravitationswellen beteiligt.

1,3 Milliarden Lichtjahre sind die gemessenen Schwarzen Löcher von der Erde entfernt. Zwei Detektoren stehen in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington), 3000 Kilometer voneinander entfernt. Ein weiterer Detektor steht in Pisa, Italien.

7 Millisekunden dauerte das gemessene Signal. Registriert wurde es bereits am 14. September 2015 um 5.51 Uhr US-Ostküstenzeit.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 13.02.2016)