{"id":22663,"date":"2016-02-08T07:00:37","date_gmt":"2016-02-08T06:00:37","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2016\/02\/08\/der-direkte-nachweis-von-gravitationswellen\/"},"modified":"2025-05-14T16:16:47","modified_gmt":"2025-05-14T14:16:47","slug":"der-direkte-nachweis-von-gravitationswellen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2016\/02\/08\/der-direkte-nachweis-von-gravitationswellen\/","title":{"rendered":"Der direkte Nachweis von Gravitationswellen"},"content":{"rendered":"

Die Ger\u00fcchte \u00fcber den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen werden immer intensiver. Eigentlich bringt es nicht viel, \u00fcber Ger\u00fcchte zu berichten. Aber in diesem Fall sind sie mittlerweile sehr konkret und haben es auch schon auf die Homepage von „Science“ geschafft<\/a>. Es lohnt sich daher, ein wenig genauer hinzuschauen. Vor allem aber kann man zumindest ein wenig dar\u00fcber lernen, worum es bei all der Aufregung eigentlich geht.<\/p>\n

(Nachtrag:<\/b> Am 11. Februar 2016 wurde offiziell best\u00e4tigt: Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist gelungen. Und warum das wirklich<\/i> eine enorm gro\u00dfe Sache ist, habe ich hier erkl\u00e4rt<\/a>)<\/p>\n

\"\u00dcberall<\/a>
\u00dcberall Wellen im Raum – oder doch nicht? (K\u00fcnstlerische Darstellung: Henze, NASA<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Was sind Gravitationswellen?<\/b><\/p>\n

Gravitationswellen sind eine Vorhersage aus Albert Einsteins Allgemeiner Relativit\u00e4tstheorie und eines der wenigen Ph\u00e4nomene, das noch nicht direkt nachgewiesen worden ist. Laut Einstein kr\u00fcmmen Massen die Raumzeit und diese Kr\u00fcmmung beeinflusst die Bewegung von Himmelsk\u00f6rper. Wir nehmen diese Beeinflussung als Gravitationskraft<\/i> wahr. So weit, so klar und diese Aussage wurde schon vor fast 100 Jahren und seitdem immer wieder im Experiment nachgewiesen.<\/p>\n

Ein wichtiger Punkt bei Einsteins Theorie ist die Geschwindigkeit, mit der sich Ver\u00e4nderungen der Kr\u00fcmmung ausbreiten. Oder anders gesagt: Die Geschwindigkeit der Gravitation. In der alten Theorie von Newton wurde dazu ja nichts festgelegt; laut Newton war Gravitation unendlich schnell – was aber weder begr\u00fcndet noch logisch sinnvoll war. Einstein konnte zeigen, dass sich auch die Gravitation nur so schnell wie das Licht ausbreiten kann. W\u00fcrde also zum Beispiel pl\u00f6tzlich die Sonne verschwinden, w\u00fcrde sich die Ver\u00e4nderung in der Raumzeitkr\u00fcmmung von dort aus in alle Richtungen ausbreiten und die Erde 8 Minuten sp\u00e4ter erreichen – so lange dauert es, um die 150 Millionen Kilometer Abstand mit Lichtgeschwindigkeit zur\u00fcck zu legen. <\/p>\n

Solche Gravitationswellen<\/i> werden aber nicht nur erzeugt, wenn ein Stern verschwindet. Immer wenn sich Massen beschleunigt bewegen, erzeugen sie Gravitationswellen. Sie sind um so st\u00e4rker, je massereicher und dichter die beteiligten Objekte sind. Wenn zum Beispiel zwei Neutronensterne oder zwei schwarze L\u00f6cher einander umkreisen, dann erzeugen vergleichsweise starke Gravitationswellen. <\/p>\n

Das sagt zumindest die Theorie. Direkt beobachtet hat man solche Gravitationswellen bis jetzt noch nicht. Indirekt daf\u00fcr aber schon: Im Jahr 1974 haben die beiden Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor zwei einander umkreisende Neutronensterne<\/a> entdeckt und konnten beobachten, dass sie einander immer n\u00e4her kommen. Sie m\u00fcssen also irgendwie Bewegungsenergie verlieren – und die Menge und Rate mit der sie das tun entspricht genau dem, was man erwartet, wenn sie diese Energie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verlieren w\u00fcrden. F\u00fcr diesen ersten indirekten Nachweis haben die beiden immerhin 1993 den Nobelpreis f\u00fcr Physik bekommen. Aber noch besser w\u00e4re es nat\u00fcrlich, wenn man die Gravitationswellen auch direkt<\/i> beobachten k\u00f6nnte.<\/p>\n

Wie beobachtet man Gravitationswellen?<\/b><\/p>\n

Das Problem beim direkten Nachweis von Gravitationswellen ist die St\u00e4rke des Effekts. Die Raumzeit stellt man sich ja gerne als „Gummituch“ vor; in Wahrheit ist sie aber extrem<\/i> schwer verformbar. Das Ma\u00df, das in der Physik angibt wie gut sich ein Material verformen l\u00e4sst, hei\u00dft „Elastizit\u00e4tsmodul“. Bei Gummi sind das zum Beispiel 0,1 Gigapascal. Holz ist 100 Mal schwerer zu verformen und hat einen Elastizit\u00e4tsmodul von 10 Gigapascal. Stahl ist 2000 Mal st\u00e4rker als Gummi – die Raumzeit aber ist viel, viel steifer. Hier betr\u00e4gt der Elastizit\u00e4tsmodul 1024<\/sup> Gigapascal; sie ist also 10 Quadrillionen mal schwerer zu verformen als Gummi.<\/p>\n

Jetzt wird auch klar, wieso man bei diesem Thema immer wieder auf schwarze L\u00f6cher oder Neutronensterne trifft. Nur solche extrem dichten und massereichen Objekte k\u00f6nnen die Raumzeit so sehr verformen, dass wir \u00fcberhaupt eine Chance haben, davon etwas mitzubekommen. Um Gravitationswellen zu messen, braucht man einen Detektor. Kommt dann von au\u00dfen aus dem Weltraum eine solche Welle auf uns zu und l\u00e4uft durch die Erde und damit den Detektor hindurch, dann wird der gesamte Raum rhythmisch komprimiert und gestreckt. Vereinfacht gesagt: Der Detektor wird abwechselnd ein wenig l\u00e4nger und k\u00fcrzer. Mit ihm aber auch der gesamte Rest der Raumzeit, weswegen es ein wenig knifflig ist, diesen Effekt nachzuweisen.<\/p>\n

\"N\u00f6rdliche<\/a>
N\u00f6rdliche LIGO-R\u00f6hre – recht unscheinbar f\u00fcr ein so dramatisches Experiment (Bild: Umptanum<\/a>, CC-BY-SA 3.0<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Momentan benutzt man bei den Experimenten sogenannte Interferometrische Detektoren<\/i>. Das empfindlichste Ger\u00e4t ist derzeit LIGO (Laser-Interferometer-Gravitationsobservatorium) in den USA. Die Anlage besteht aus zwei vier Kilometer langen R\u00f6hren, die im rechten Winkel zueinander angeordnet und am Ende miteinander verbunden sind. Im Kreuzungspunkt steht ein Laser, der einen Strahl gleichzeitig in beide R\u00f6hren schickt. An deren Enden sind Spiegel montiert, die den Laserstrahl zur\u00fcckwerfen. Das Licht wird mehrmals hin und her reflektiert, so dass es insgesamt eine deutlich gr\u00f6\u00dfere Strecke als nur die vier Kilometer zur\u00fcck legt. Die Anlage ist so gebaut, dass die Strecken in den beiden Armen exakt gleich lang ist. Am Ende sollte also das Licht auch aus beiden Armen wieder exakt gleichzeitig am Ausgangspunkt eintreffen. Modifiziert man die Position der Spiegel, kann man das System aber auch so einstellen, dass ein Strahl ein winzig bisschen fr\u00fcher\/sp\u00e4ter ankommt als der andere. Treffen beide im Detektor zusammen, trifft ein Wellenberg der einen Lichtwelle auf ein Wellental der anderen und beide l\u00f6schen sich aus. Dank dieser Interferenz<\/i> misst der Detektor im Idealfall also gar kein Licht mehr. <\/p>\n

Wenn jetzt nun aber eine Gravitationswelle die Anlage durchl\u00e4uft, dann wird sie komprimiert bzw. gestreckt. Die Strecke, die das Licht durchlaufen muss, \u00e4ndert sich. Und da die beiden R\u00f6hren im rechten Winkel zueinander stehen, werden sie von der Gravitationswelle unterschiedlich stark gestaucht bzw. gestreckt und das Licht legt unterschiedliche Strecken zur\u00fcck. Die Feinabstimmung passt nun also nicht mehr; die Laserstrahlen l\u00f6schen sich bei der Ankunft nicht mehr aus. Es gibt ein Signal und Nobelpreise f\u00fcr alle.<\/p>\n

So einfach ist die Sache aber leider nicht. Wie gesagt: Der Effekt ist sehr gering und man muss mit extremer Genauigkeit arbeiten. Was man auch tut; bei LIGO schafft man es, L\u00e4ngenunterschiede in den beiden Armen zu messen, die 1000 Mal kleiner sind als der Durchmesser eines Protons! Aber das reicht gerade mal, um die st\u00e4rksten Gravitationswellen zu detektieren und birgt nat\u00fcrlich auch jede Menge M\u00f6glichkeiten, andere Dinge zu messen. Zur Sicherheit hat LIGO daher auch noch eine zweite Anlage in 3000 Kilometer Entfernung eingerichtet. Eine Gravitationswelle, die sich ja nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, kommt dort ein klein wenig sp\u00e4ter an. Messen beide Observatorien die gleiche L\u00e4ngen\u00e4nderung und passt auch noch der Abstand zwischen den Signalen, dann kann man sich ziemlich sicher sein, tats\u00e4chlich etwas beobachtet zu haben.<\/p>\n

Hat man etwas beobachtet?<\/b><\/p>\n

Und hat man nun etwas beobachtet? Seit Wochen machen entsprechende Ger\u00fcchte im Internet die Runde. Es ist auf jeden Fall nicht unwahrscheinlich. LIGO sollte zumindest prinzipiell in der Lage sein, Gravitationswellen zu beobachten. Wenn die Vorhersagen der Relativit\u00e4tstheorie stimmen, dann m\u00fcsste der Detektor ausreichend sensibel sein, um zumindest die st\u00e4rksten Ereignisse zu messen, die zum Beispiel bei der Kollision zweier schwarzer L\u00f6cher entstehen. Au\u00dferdem hat man erst letztes Jahr im Herbst<\/a> die Genauigkeit des Observatoriums noch einmal erh\u00f6ht. Es spricht also nichts dagegen, dass man dort erfolgreich ist und die Wissenschaftler rechnen nat\u00fcrlich auch damit.<\/p>\n

Ebenfalls letztes Jahr im Herbst hat der Physiker Lawrence Krauss<\/a> in einem Tweet<\/a> behauptet, es g\u00e4be Hinweise auf eine erste Beobachtung. Im Januar 2016 twitterte er erneut<\/a> und gab bekannt, dass er eine Best\u00e4tigung der Hinweise erhalten hatte. Aber Ger\u00fcchte sind eben Ger\u00fcchte und von offizieller Seite gab es keine Aussage.<\/p>\n

Vor ein paar Tagen wurde dann schlie\u00dflich die Email von Clifford Burgess<\/a>, eines anderen Physikers ver\u00f6ffentlicht<\/a>. Darin erkl\u00e4rt er ein wenig detaillierter, was man bei LIGO beobachtet haben will und weist darauf hin, dass die Entdeckung am 11. Februar 2016 offiziell bekannt gegeben werden soll. <\/p>\n

In der Email von Burgess steht:<\/p>\n

Hi all, the LIGO rumour seems real, and will apparently come out in Nature Feb 11 (no doubt with press release), so keep your eyes out for it. Spies who have seen the paper say they have seen gravitational waves from a binary black hole merger. they claim that the two detectors detected it consistent with it moving at speed c given the distance between them, and quote an equivalent 5.1 sigma detection. the bh masses were 36 and 29 solar masses initially and 62 at the end. Apparently the signal is spectacular and they even see the ring-down to kerr at the end.<\/p>\n

Woohoo! (I hope)<\/p><\/blockquote>\n

Wie gesagt. Es gibt immer noch keine offizielle Best\u00e4tigung, aber am 11. Februar wissen wir hoffentlich mehr. Bis dahin ist es aber ganz interessant sich anzusehen, was da im Detail behauptet wird und wie eine echte Detektion von Gravitationswellen aussehen k\u00f6nnte.<\/p>\n

Was kann man beobachten?<\/b><\/p>\n

In der Email geht es um einen sogenannten „binary black hole merger“, also eine Verschmelzung von zwei schwarzen L\u00f6chern. Dass zwei schwarze L\u00f6cher einander umkreisen w\u00e4re eigentlich nichts ungew\u00f6hnliches. Wir wissen, dass die Mehrheit der Sterne Teil von Doppel- oder Mehrfachsternsystemen ist. Ob ein Stern am Ende seines Lebens zu einem roten Riesen, einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch wird, h\u00e4ngt nur von dessen Masse ab. Unsere Sonne wird ein roter Riese werden; schwerere Sterne k\u00f6nnen schwarze L\u00f6cher werden. Wenn nun zwei schwere Sterne Teil eines Doppelsternsystems sind, k\u00f6nnen sie irgendwann als einander umkreisende schwarze L\u00f6cher enden. Wir haben schon einige Mehrfachsysteme entdeckt, in denen einander Sterne, schwarze L\u00f6cher und Neutronensterne umkreisen; eines mit zwei schwarzen L\u00f6chern war allerdings noch nicht dabei. Aber geben m\u00fcsste es sie eigentlich und wenn es sie gibt, dann sind sie ideale Kandidaten f\u00fcr den Nachweis von Gravitationswellen.<\/p>\n

So wie beim Doppelpulsar von Hulse und Taylor w\u00fcrden auch die schwarzen L\u00f6cher Gravitationswellen abstrahlen und dabei Energie verlieren. Sie w\u00fcrden einander immer n\u00e4her kommen, miteinander kollidieren und schlie\u00dflich zu einem einzigen schwarzen Loch verschmelzen. Wie das genau abl\u00e4uft, kann man zumindest theoretisch berechnen und\/oder am Computer simulieren und auch die Art der Gravitationswellen die dabei ausgestrahlt werden, l\u00e4sst sich vorhersagen. <\/p>\n

Entsprechende Facharbeiten gibt es genug, zum Beispiel eine, die Anfang Januar 2016 publiziert worden ist („Music from the heavens – Gravitational waves from supermassive black hole mergers in the EAGLE simulations“<\/a>). Darin findet man auch eine sch\u00f6ne Grafik, die demonstriert, was laut Ger\u00fccht angeblich bei LIGO beobachtet worden sein soll:<\/p>\n

\"Bild:<\/a>
Bild: Salcido et al, 2016<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Vereinfacht gesagt erkennt man hier die St\u00e4rke und Rate, mit der die Raumzeit schwingt. Zuerst umkreisen die schwarzen L\u00f6cher einander noch au\u00dferhalb des „Last Stable Circular Orbit (LSCO)“, also der letzten stabilen Bahn. Je n\u00e4her sie aber einander kommen, desto st\u00e4rker werden die Gravitationswellen und desto schneller folgen sie aufeinander; das ist die „Merger“-Phase, in der sie verschmelzen. Danach entsteht ein neues schwarzes Loch, das sich aber erst noch „einrichten“ muss. Kurz nach der Verschmelzung hat es noch nicht die optimale Form. Es befindet sich noch nicht im Gleichgewicht und w\u00e4hrend es dieses Gleichgewicht findet, gibt es weitere Gravitationswellen ab. Das ist die Phase, die im Diagramm als „Ringdown“ bezeichnet wird. Je n\u00e4her das schwarze Loch an der energetisch g\u00fcnstigen Form ist, desto schw\u00e4cher werden die Wellen, bis sie schlie\u00dflich ganz verschwinden.<\/p>\n

So weit die Theorie. Laut der Email von Burgess will man bei LIGO genau so ein Ereignis beobachtet haben. Die beiden schwarzen L\u00f6cher, die miteinander verschmolzen sein sollen, h\u00e4tten die 36fache bis 29fache Masse der Sonne. Am Ende w\u00e4re daraus ein schwarzes Loch mit der 62fachen Sonnenmasse entstanden. Die LIGO-Daten sollen genau den Vorhersagen f\u00fcr so ein Ereignis entsprechen und man h\u00e4tte sogar die „Ringdown“-Phase am Ende der Verschmelzung detektiert. Au\u00dferdem h\u00e4tten beide LIGO-Observatorien die Verschmelzung registriert und zwar genau in dem zeitlichen Abstand der erwartet wird, wenn die Gravitationswellen sich mit Lichtgeschwindigkeit von einem zu anderen bewegen. <\/p>\n

Interessant auch der Unterschied in den Massen. 36 plus 29 ergibt ja 65 und nicht 62. Das bedeutet, dass bei der Verschmelzung der beiden schwarzen L\u00f6cher ganze drei Sonnenmassen verschwunden sein m\u00fcssen. Aber die sind nat\u00fcrlich nicht verschwunden: Das ist genau die Energie, die in den Gravitationswellen steckt. Das macht vielleicht noch einmal besonders deutlich, was<\/i> f\u00fcr ein enorm hochenergetisches Ereignis so eine Verschmelzung schwarzer L\u00f6cher ist…<\/p>\n

Zusammengefasst: Die angebliche Beobachtung von LIGO entspricht genau dem, was LIGO zu beobachten in der Lage sein sollte und was man sich beim LIGO-Experiment erwartet hat. Das bedeutet nat\u00fcrlich noch nicht, dass es auch wirklich beobachtet wurde. Vielleicht handelt es sich wirklich nur um ein Ger\u00fccht, das au\u00dfer Kontrolle geraten ist. Vielleicht handelt es sich um einen internen Test der Detektoren mit einem k\u00fcnstlichen Signal der von Au\u00dfenstehenden falsch verstanden wurde. Vielleicht um etwas ganz anderes. <\/p>\n

\"K\u00fcnstlerische<\/a>
K\u00fcnstlerische Darstellung der Verschmelzung zweier schwarzer L\u00f6cher (Bild: NASA<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Wenn es sich tats\u00e4chlich um den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen handelt, werden wir es bald erfahren. Und wenn nicht? Dann wird es vermutlich trotzdem nicht mehr allzu lange dauern. Es w\u00e4re extrem seltsam, wenn gerade diese<\/i> Vorhersage der allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie nicht stimmen w\u00fcrde. Es w\u00e4re seltsam, wenn nach dem indirekten Nachweis der direkte Nachweis nicht gelingen sollte. Es w\u00e4re seltsam, wenn die Gravitationswellen ausbleiben obwohl alles was wir bisher nachweislich \u00fcber das Universum wissen einstimmig vorhersagt, dass es sie geben muss. Und auch wenn das Universum manchmal seltsam ist<\/i>: In diesem Fall traue ich mich zu behaupten, dass es sich fr\u00fcher oder sp\u00e4ter an die Vorhersagen halten wird. <\/p>\n

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen wird fr\u00fcher oder sp\u00e4ter (wahrscheinlich fr\u00fcher) kommen. Wenn nicht in dieser Woche, dann in naher Zukunft. Und wenn es soweit ist, wisst ihr immerhin schon dar\u00fcber Bescheid, wie LIGO funktioniert und was man sich unter einem „Merger“ und einem „Ringdown“ vorstellen kann \ud83d\ude09<\/p>\n

Weitere Informationen<\/b><\/p>\n

Ich habe fr\u00fcher schon \u00fcber Gravitationswellen geschrieben und wer noch mehr wissen will, wird hier hoffentlich f\u00fcndig:<\/p>\n