• Was sind Gravitationswellen und wodurch entstehen sie?
  • Wie können Gravitationswellen indirekt über Beobachtung von Neutronensternen nachgewiesen werden?
  • Wie konnte das LIGO Gravitationswellen erstmals direkt nachweisen?
  • Was ist ein Interferometer und wie funktioniert es?
  • Welche anderen Gravitationswellendetektoren gibt es bzw. sind in Planung?
  • Was bedeutet diese Entdeckung für die Zukunft der Astronomie?

Titelbild: ESO/L. Calçada (CC BY 4.0)

Anfang des Jahres 2016 stieß die Verkündung einer direkten Messung von Gravitationswellen des Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (kurz LIGO) auf großes mediales Echo. Gravitationswellen sind eine der ersten Vorhersagen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Dennoch dauerte es 100 Jahre bis zum experimentellen Nachweis. Hier soll ein kurzer Einblick in die Natur und Beobachtung von Gravitationswellen gegeben werden.

Was sind Gravitationswellen?

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt unter anderem aus, dass Massen die Raumzeit krümmen. Das ist in der Regel kein statischer Prozess, nachdem sich Massen ja bewegen können. Zum Beispiel können zwei Massen umeinander kreisen. Dann kommt es zu einer Krümmung der Raumzeit, die einer Streckung und Stauchung entspricht. Es breiten sich Wellen in der Raumzeit aus, die man Gravitationswellen nennt. Gravitationswellen treten im Allgemeinen auf, wenn Massen beschleunigt bewegen, breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und betreffen die Raumzeit selbst. Sie bewegen sich nicht in der Raumzeit fort, sondern sind eine Streckung und Stauchung der Raumzeit selbst.

In anderen Gravitationstheorien wirkt die Gravitationskraft instantan. In der Newton'schen Gravitationstheorie zum Beispiel spürt eine Masse die Gravitation einer anderen Masse in einer gewissen Entfernungsort. Das steht im Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie, wonach sich Informationen höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das nicht mehr der Fall, wie man auch am Beispiel der Gravitationswellen sehen kann. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Gravity Waves StillImageKünstlerische Darstellung von Gravitationswellen verursacht durch zwei umeinander kreisende Massen. Bild: LIGO/T. Pyle

Binärpulsare und der erste indirekte Nachweis

Eine Welle trägt immer Energie, und auch die Gravitationswellen sind hier keine Ausnahme. Da aber Energie nicht aus dem Nichts erzeugt werden kann, muss diese irgendwo herkommen. Diese Tatsache wurde genutzt, um erstmals einen indirekten Nachweis von Gravitationswellen zu liefern. 1974 wurde das erste System von Binärpulsaren entdeckt. Das sind zwei Pulsare, die sich um den gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Der Theorie zufolge müssten diese Gravitationswellen abstrahlen. Die damalige Messtechnik erlaubte es aber nicht, diese direkt nachzuweisen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt aber auch voraus, woher die Energie kommen muss, die von den Gravitationswellen transportiert wird: Wenn dieses Binärsystem Gravitationswellen abstrahlt, muss die Energie aus der kinetischen Energie der Pulsare kommen. Die Umlaufzeit muss demnach abnehmen. Diese Abnahme der Umlaufzeit konnte erstmals an diesem System gemessen werden. Damit wurde der erste indirekte Nachweis für Gravitationswellen geliefert. Diese Entdeckung wurde 1993 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Gravitationswellen am LIGO

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen gelang dem Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) im Jahr 2015. Es konnte gemessen werden, dass der Raum durch eine Gravitationswelle gestaucht und gestreckt wurde. Dafür wurde ein großes Interferometer verwendet. Es besteht aus zwei gleich langen Armen, die L-förmig angeordnet sind: Ein Laserstrahl wird über einen Strahlungsteiler auf die zwei Arme aufgeteilt. In den Armen befinden sich weitere teildurchlässige Spiegel, die den Strahl im Arm oft hin und her laufen lassen. Nach durchschnittlich 75 Durchläufen durch den Arm, kommt der Strahl wieder zurück zum Strahlungsteiler. Dort trifft jeweils Licht aus beiden Armen zusammen und überlagert sich. Das Interferenzmuster wird über Photodetektoren aufgenommen.

Daneben müssen noch viele andere Details in der Konstruktion brücksichtigt werden. Der verwendete Laser kann zum Beispiel allein nicht genügend Leistung liefern, um in den Interferenzmuster die Genauigkeit zu erreichen, die nötig ist, um die äußerst schwachen Signale von Gravitationswellen zu messen. Daher wird ein weiteres System von teildurchlässigen Spiegel verwendet, um so viel Licht wie möglich in den Armen zu halten. Dadurch ist die Leistung in den Armen hoch genug, um Signale ausreichend genau messen zu können. Diese Konstruktion werden von LIGO als power recycling mirrors bezeichnet.

LigoVereinfachte Darstellung der Interferometer des LIGO Experiments.
Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at) nach Menner (CC BY SA 4.0)

Die Spiegel an den Enden der Arme werden so eingestellt, dass es zu einer destruktiven Interferenz kommt, das heißt dass sich die Lichtwellen aufheben. Man sieht dann am Photodetektor ein Nullsignal. Passiert nun eine Gravitationswelle das Interferometer, wird ein Arm gestreckt und der andere gestaucht. Es kommt nicht mehr zur destruktiven Interferenz. Dadurch können Interferometer schon kleinste Abweichungen nachweisen, wie sie hier gemessen werden sollen. Die Änderung der Armlänge bei der ersten Gravitationswelle betrug nur ca. 10-19 m. Diese kleine Änderung muss man im Verhältnis zu den Armlängen des Interferometers sehen (2 bzw. 4 km). Das erklärt auch, warum es Jahrzehnte dauerte, bevor man diese Präzision erreichen konnte und Gravitationswellen direkt nachweisbar wurden.

ligo livingston aerial 02LIGO Observatorium in Livingston (USA). Die beiden Arme des Versuchsaufbaus sind gut zu erkennen. Bild: Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory

Das LIGO Projekt besteht aus zwei Detektoren, welche ungefähr 3000 km voneinander entfernt sind. Die Signale wurden an den beiden Detektoren zeitverzögert gemessen. Dadurch konnte man nachweisen, dass sich die Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Auch können damit lokale Störungen als Ursprung der Signale ausgeschlossen werden. Aus den Signalen konnte man schließen, dass die Gravitationswellen von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt wurden.

ligo20160211aMessdaten der ersten direkten Detektion von Gravitationswellen. Die glatten Linien stellen die theoretische Vorhersage des Signalverlaufs dar. Das Bild zeigt die Signale an den unterschiedlichen Observatorien, im letzten Bild wurde die Zeitverzögerung des Signals schon berücksichtigt. Bild: Caltech/MIT/LIGO Lab

Da die Frequenz der Wellen gemessen wurde, können diese Frequenzen auch als Ton wiedergegeben werden. Dies wurde zur Veranschaulichung vom LIGO gemacht und ist im folgenden Video zu sehen und zu hören. Zuerst wird zweimal die Frequenz wiedergegeben, die wirklich gemessen wurden. Danach ist das gleiche Ereignis zu hören. Allerdings wurden die Frequenzen so verschoben, dass sie für menschliche Ohren besser zu erkennen sind. Die Dauer des Signals wurde nicht verändert.

Gravitationswellenastronomie

Die direkte Messung von Gravitationswellen eröffnet neue Möglichkeiten der Astronomie. Lange Zeit konnten Astronomen nur sichtbares Licht für ihre Beobachtungen verwenden. Erst im 20. Jahrhundert konnte nach und nach das gesamte elektromagnetische Spektrum genutzt werden. So wurde zum Beispiel der erste Pulsar mittels Radioteleskopen beobachtet. Mittlerweile ist auch noch Astronomie durch Detektion von kosmischer Strahlung bzw. Neutrinos möglich. Die Astronomie durch Beobachtung von Gravitationswellen stellt eine weitere Methode dar, unser Universum zu beobachten und dadurch mehr darüber zu verstehen.

Elektromagnetisch SpektrumDas elektromagnetische Spektrum. Sichtbares Licht macht nur einen kleinen Teil davon aus. In der Astronomie werden elektromagnetische Wellen verschiedener Wellenlängen genutzt, um mehr über das Universum zu lernen.
Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), (CC-BY-SA 4.0)

Um die Position von den Objekten zu bestimmen, benötigt man mindestens drei Observatorien, die alle dasselbe Signal messen müssen. Wenn man die Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Messungen kennt, kann man auf den Ort der Quelle des Signals schließen. Im August 2017 hat zusätzlich zu den zwei Detektoren des LIGOs auch der Detektor VIRGO in Italien seine Arbeit aufgenommen.

Schon kurz nach Messbeginn wurde erstmals das Verschmelzen zweier Neutronensterne beobachtet. Durch die drei Detektoren war es möglich, den ungefähren Ort des Verschmelzens zu bestimmen und mit optischen Teleskopen nach der für dieses Ereignis spezifischen Strahlung (die beim Verschmelzen Schwarzer Löcher nicht auftritt) zu suchen. Damit wurde zum ersten mal ein astronomisches Objekt sowohl durch Gravitationswellen als auch durch ein optisches Signal beobachtet. Neben dem optischen Signal konnte man auch messen, welche Elemente in einer solchen Kollision entstehen (unter anderem Gold und Platin) und erstmals experimentell nachweisen, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Die unterschiedlichen Observatorien können nur Gravitationswellen in einem bestimmten Frequenzbereich messen. Der Frequenzbereich des LIGOs und ähnlicher Detektoren ist im Bereich von wenigen Hertz bis 1000 Hertz. Dadurch lassen sich Gravitationswellen aus dem Verschmelzen von kompakten Objekten (Schwarze Löcher, Neutronensterne) und durch Supernovae verursachte Gravitationswellen messen.

Mit den aktuellen Detektoren können nur die stärksten Gravitationswellen gemessen werden. Es wird aber auch schon an einer weiteren Generation von Detektoren gearbeitet. Ein Projekt, welches sich in Planung befindet, ist das Einstein-Teleskop. Dabei handelt es sich um mehrere ineinander verschachtelte Interferometer. Es soll unterirdisch gebaut werden. Geplant ist eine starke Kühlung der Messinstrumente auf 10 K und eine Armlänge von 10 km. Die verschiedenen Interferometer sollen auf verschiedene Frequenzbereiche von Gravitationswellen abgestimmt sein.

Ein weiterer geplanter Detektor ist die evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA). Es handelt sich hier ebenfalls um ein Interferometer. Es besteht aber aus drei Satelliten, die mit der Erde die Sonne umrunden. Die Armlänge soll ca. 2,5 Millionen km betragen. Eine erste Mission zum Test der verschiedenen benötigten Techniken (LISA Pathfinder) wurde zwischen 2015 und 2017 durchgeführt. Der Start der eLISA Mission ist für 2034 geplant. Mit diesem Detektor soll es möglich sein, niederfrequente Gravitationswellen (0,1 mHz und 1 Hz) zu beobachten, wie sie zum Beispiel beim Verschmelzen von supermassiven Schwarzen Löchern mit anderen kompakten Objekten entstehen.

Frequenz DetektorenDer Frequenzbereich des geplanten Projekts eLISA unterscheidet sich von dem des LIGO-Projekts (hier als aLIGO - advancedLIGO bezeichnet). Mit eLISA sollte es möglich werden, auch Gravitationswellen aus anderen Systemen beobachten zu können.
Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at) - Adaption von Moore, Cole, Berry (CC BY SA 1.0)

  • Ausführlicher Blogeintrag über die Detektion von Gravitationswellen (deutsch)
  • Detaillierte Beschreibung des Interferometers des LIGO-Experiments

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