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Interview Gravitationswellen: "Die Messungen sind wie ein Wunder"

Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Vor über hundert Jahren wurden sie postuliert, über fünfzig Jahre lang wurden sie gesucht und wie durch ein Wunder wurden sie kürzlich experimentell nachgewiesen: Gravitationswellen. Ein Interview mit Prof. Dr. Ewald Müller über das Intergalaktische Signal, welches wir fast verpasst hätten.

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Computersimulation zweier kollidierender Schwarzer Löcher basierend auf der LIGO-Messung von 2015.
Computersimulation zweier kollidierender Schwarzer Löcher basierend auf der LIGO-Messung von 2015.
(Bild: SXS, the Simulating eXtreme Spacetime project http://www.black-holes.org)

Prof. Dr. Ewald Müller vom Max-Plack-Institut für Astrophysik spricht mit der ELEKTRONIKPRAXIS über Gravitationswellen und deren Bedeutung für die Menschheit.

Gravitationswellen sind seit ihrem experimentellen Nachweis in aller Munde. Seit wann beschäftigen Sie sich schon mit dem Thema

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Ich beschäftige mich schon seit 1982 mit Gravitationswellen. Damals habe ich im Rahmen meiner Doktorarbeit Supernova-Simulationen gemacht. Das waren im Wesentlichen nur Simulationen vom Kollaps des Zentralgebiets massereicher Sterne. Dabei habe ich mir Sterne angeschaut, die schnell rotierten – wie ist die Dynamik und wie verändert sich die Explosionsdynamik. In Chicago kam ich mit einem Kollegen, Mike Turner, in Kontakt. Er schaute sich die Daten an und sagte: „Diese Modelle machen Gravitationswellen.“ Gravitationswellen (GW) waren mir ein Begriff, aber ich hatte nicht daran gedacht.

Auch bei uns Max-Planck-Institut für Astrophysik gab es damals eine Gruppe, die Gravitationswellendetektoren entwickelt hat. Das war die Gruppe von Prof. Billing. Zuerst arbeiteten sie mit kleinen tischartigen Geräten, dann entwickelten sie die ersten Interferometer mit einer Armlänge von 30 Meter, die hier auf dem Gelände aufgebaut waren.

Die Gruppe wurde später ins Max-Planck-Institut für Quantenoptik ausgelagert. Später hat das zusammen mit anderen Forschungseinrichtungen zur Installation von GEO600 in der Nähe von Hannover geführt. GEO600 ist nicht so sensitiv wie die großen Detektoren, aber viele Entwicklungen für GEO600 wurden in den LIGO-Detektoren in den USA verwendet.

Gab es weitere Forschungsaktivitäten in Deutschland?

Ja, aufgrund dieser Aktivitäten wurde 2003 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft ein Sonderforschungsbereich gegründet. Dieser hieß „Gravitationswellenastronomie“ und lief zwölf Jahre. Hier wurden die verschiedensten Aspekte untersucht: die Simulation von verschmelzenden Objekten (Schwarze Löcher oder Neutronensterne), die Explosion von Sternen, die Entwicklung von Detektoren, die Verbesserung der Sensitivität oder die Entwicklung neuer Technologien.

Am Ende des Forschungsprojekts waren Modelle und Theorien gut entwickelt, man war so weit, dass man etwas messen könnte – und dann hat es nur noch ein Jahr bis zur ersten Messung von Gravitationswellen gedauert!

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SFB Gravitationswellenastronomie

Von 2002 bis 2014 hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft den Sonderforschungsbereich/Transregio 7: Gravitationswellen-Astronomie: Methoden – Quellen – Beobachtungen gefördert. Es waren mehrere Institute von deutschen Universitäten und von der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt.

  • Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam-Golm und Hannover
  • Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching
  • Leibniz Universität Hannover
  • Friedrich-Schiller-Universität Jena
  • Eberhard Karls Universität Tübingen

Zweck des SFB ist die abgestimmte Forschung der beteiligten Gruppen auf dem Gebiet der theoretischen und experimentellen Astrophysik.

Können Sie in einfachen Worten erklären, was Gravitationswellen sind?

Das ist nicht so einfach. Um sie richtig zu verstehen, benötigt man viel Mathematik. Aber ich versuche es anhand einer Analogie:

Die meisten kennen elektromagnetische Wellen, z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Licht oder Röntgenstrahlen. Diese Wellen werden durch elektrische Ladungen erzeugt, die sich beschleunigt, also mit veränderlicher Geschwindigkeit bewegen. Diese Wellen breiten sich im Raum aus. Analog dazu sind die Gravitationswellen: Diese entstehen durch beschleunigte Massen. Aber es sind keine Wellen die sich im Raum ausbreiten, sondern Störungen der Raum-Zeit, die sich ausbreiten.

Für die Entstehung von messbaren Gravitationswellen, werden riesige Massen und hohe Geschwindigkeiten benötigt. Ein Beispiel dafür sind zwei umeinander kreisende Schwarze Löcher. Je näher sie sich kommen, desto schneller werden sie. Wenn sie kurz vor der Verschmelzung sind, umkreisen sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit. Je größer die Massen und Geschwindigkeiten sind, desto größer ist das Signal.

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Raum-Zeit-Kontinuum

Raumzeit: Raumzeit oder Raum-Zeit-Kontinuum bezeichnet die Vereinigung von Raum und Zeit in einer einheitlichen vierdimensionalen (die drei Raumrichtungen und die Zeit als vierte Dimension) Struktur. Sie ist in der Relativitätstheorie dargelegt.

Der Mensch erlebt im Alltag Ort und Zeit als zwei verschiedene Gegebenheiten. Bei Bewegungsgeschwindigkeiten, wie sie im Alltag auftreten, ist diese Unterscheidung sinnvoll. Sie findet sich in der gesamten klassischen Physik und größtenteils in der Technik. Bei Geschwindigkeiten von der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit zeigt sich jedoch, dass Zeit und Ort eines Ereignisses sich stets gegenseitig bedingen.

Dass man Gravitationswellen messen kann, wurde kürzlich bewiesen. Aber wie funktioniert das und wann misst man sie?

Der Detektor ist ein Michelson-Interferometer – und man hofft, dass eine Gravitationswelle über es „hinwegrauscht“. Wenn das passiert, wird der eine Arm des Interferometers gestreckt und der andere verkürzt. Diese Längenänderung kann man messen.

Da die Gravitation im Vergleich zur elektrischen Kraft oder den Kernkräften sehr viel schwächer ist, sind die Störungen, die von der Gravitation verursacht werden sehr, sehr klein. Die relative Längenänderung die man vorhergesagt und dann gemessen hat liegen in der Größenordnung 10-20, 10-21. Das entspricht der Änderung des Abstands Erde-Sonne um einen Atomdurchmesser. Dazu kommt Rauschen, verursacht z.B. durch die verwendeten Laser oder dem Wackeln der Spiegel, das so gut wie möglich minimiert werden muss.

Im konkreten Fall kam das Signal von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, eines mit 36, das andere mit 29 Sonnenmassen und die Quelle war über eine Milliarde Lichtjahre entfernt. Das heißt, die zwei Schwarzen Löcher sind vor über einer Milliarde Jahre verschmolzen und gerade jetzt läuft der Detektor! Es ist wie ein Wunder, dass das Signal gemessen werden konnte.

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GEO600

GEO600 ist ein erdgestützter interferometrischer Gravitationswellendetektor in der Nähe von Hannover und wird von einer Kollaboration aus Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut, AEI), Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, Leibniz Universität Hannover, Laser Zentrum Hannover, der Universität von Glasgow und der Universität von Cardiff betrieben. Die Finanzierung stammt von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Science and Technology Facilities Council (STFC).

GEO600 ist Teil eines weltweiten Netzes von Gravitationswellendetektoren und arbeitet mit dem französisch-italienischen Virgo-Projekt innerhalb des EGO-Konsortiums zusammen (European Gravitational Observatory). Zudem ist GEO 600 Teil der LIGO Science Collaboration (LSC), in der verschiedenen Arbeitsgruppen zum Upgrade der LIGO-Observatorien (advanced LIGO) zu Gravitationswellendetektoren der zweiten Generation beitragen. Innerhalb der LSC werden die Messdaten zwischen den Detektoren frei ausgetauscht. GEO600-Wissenschaftler haben zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover (LZH) die Laser für Advanced LIGO gebaut.

Woher weiß man, dass zwei Schwarze Löcher die Gravitationswellen verursacht haben?

Es ist schwierig ohne ein optisches Pendant die Quelle zu identifizieren. Im Fall der ersten Messung, wo es zwei Schwarze Löcher waren, ist die Sache eindeutig, denn 1990 begann man, die Bewegung von Schwarzen Löchern numerisch zu simulieren, was sehr schwierig ist, weil die Gleichungen der Relativitätstheorie sehr komplex sind.

Als erstes wurde ein einzelnes ruhendes Schwarzes Loch simuliert. Die Methoden wurden verbessert und das Loch konnte dann auch bewegt werden. Als nächstes sollten sich zwei Schwarze Löcher umkreisen. Das war schwieriger als gedacht: Es hat 15 Jahre gedauert, bis es möglich war zwei sich umkreisende Schwarze Löcher numerisch stabil zu simulieren!

Seit 2005 werden solche Schwarz-Loch-Simulationen gemacht. Mittlerweile gibt es Simulationen von zwei Schwarzen Löchern mit gleichen oder unterschiedlichen Massen, mit und ohne Drehimpuls, mit unterschiedlich orientierten Drehimpuls und so weiter. Insgesamt gibt es sieben solcher freien Parameter. Für jedes dieser Systeme wurde auch das Gravitationswellensignal berechnet; das Ergebnis nennt man Wellenschablone oder Template. Mittlerweile gibt es eine Bibliothek mit einigen hunderttausend solcher Templates.

Gravitationswellensignal (GW150914): Die rote Linie zeigt das signal, die darüberliegende graufe Fläche die passenden Tempelates. Über dem Signal ist die Verschmelzung der zwei Schwarzen Löcher dartestellt.
Gravitationswellensignal (GW150914): Die rote Linie zeigt das signal, die darüberliegende graufe Fläche die passenden Tempelates. Über dem Signal ist die Verschmelzung der zwei Schwarzen Löcher dartestellt.
(Bild: Figure 2 / B. P. Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 / BY 3.0)

Als 2015 die Gravitationswelle beobachtet wurde, wusste man zunächst nicht welche Objekte mit welchen Massen, Geschwindigkeiten oder Drehimpulsen involviert waren. Um dies herauszufinden, wird das gemessene Signal mit den Templates aus der Bibliothek verglichen und die Templates herausgesucht, welche am besten passen. Aufgrund der gemessenen Signalstärke und dem vorhergesagten Signal kann zudem die Entfernung bestimmt werden.

Bei Neutronensternen ist die Vorhersage viel komplexer, hier muss man ein genaues Modell des Neutronensterns haben. Dieser besteht aus sehr dichter Materie, dichter als Atomkerne. Wie sich Material bei diesen Dichten verhält, weiß man jedoch nicht genau. Man erhofft sich durch die Gravitationswellen etwas über Neutronensterne zu lernen. Deswegen möchte man nicht nur das Signal der Gravitationswellen messen sondern auch ein mögliches optisches Pendant. Dazu muss die Position des Signals bestimmt werden. Die zwei Interferometer des LIGO-Observatoriums sind unterschiedlich ausgerichtet, so kann die Richtung des Ursprungs grob bestimmt werden. Mit einem zusätzlichen dritten Detektor könnte man die Position viel genauer festlegen. Da die gemessenen Ereignisse jedoch sehr weit entfernt sind, müsste die Bestimmung der Position auf einige Bogensekunden genau sein, um das Objekt auch optisch zu identifizieren.

Wie oft rauscht ein Signal über LIGO oder einen anderen Detektor?

Jede Sekunde explodieren circa zehn Supernovae im Universum, allerdings sind die meisten zu weit entfernt, als dass wir sie auf der Erde messen könnten. In unserer Milchstraße passiert so ein Ereignis nur alle 50 bis 100 Jahre.

Um mehr Events messen zu können, werden die Detektoren immer weiter entwickelt. Das GW-Signal hängt wie erwähnt von den Massen, den Drehimpulsen und den Geschwindigkeiten der verursachenden Objekte ab. Da wir auf der Erde einen Untergrund von seismischen Aktivitäten haben, können gewisse Signale mit niedrigen Frequenzen – verursacht von sehr massereichen Objekten – nicht gemessen werden. Das Rauschen ist zu groß.

So entstand die Idee, ein solches Interferometer in den Weltraum zu schießen. Mit eLISA sollen in Zukunft GW im niederfrequenten Bereich messbar sein.

Die verschiedenen Detektoren besitzen also unterschiedliche Beobachtungsfenster (Sensitivität, Frequenz usw.). Toll wäre es, wenn die unterschiedlichen Detektoren gleichzeitig messen könnten. Dann hätten wir, analog zur optischen Beobachtung mit verschiedenen Wellenlängen, eine Bandbreite von GW die wir detektieren können. Das öffnet einen ganz neuen Blick auf unser Universum.

Was bedeutet der Nachweis für die Menschheit? Glauben Sie, dass es irgendwann eine Anwendung der Gravitationswellen gibt, die man auf der Erde nutzen kann?

Das glaube ich nicht. Anwendung heißt ja auch, man müsste die Gravitationswellen erzeugen können. Das heißt, im Prinzip kann man sie erzeugen, sie sind dann aber weder nachweisbar noch nutzbar. Dass also Gravitationswellen unmittelbar eine Maschine antreiben, glaube ich nicht.

Ein japanischer Professor hat einen, natürlich nicht ganz ernst gemeinten, Vorschlag gemacht. Züge sollen durch Gravitationswellendetektoren sicherer werden. Man kann sich das so vorstellen: Wenn ein Erdbeben stattfindet, dann entstehen Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Gleichzeitig entstehen die Erdbebenwellen, die sich nur mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Wenn man nun diese GW in einem Zug messen könnte – was man nicht kann, weil sie zu schwach sind – könnte man den Zug abbremsen, bevor die Erde wackelt. Der Vorteil wäre der Bruchteil einer Sekunde. [lacht] Dazu müsste der Detektor auch noch kompakt sein – aber Sie sehen ja, wie groß die Geräte sind.

Der Nachweis der Gravitationswellen bringt für die Menschheit aber einen Erkenntnisgewinn. Die Gravitationswellen, ein Aspekt den Einsteins Theorie vorhergesagt hat, sind jetzt direkt belegt und sie wiederum ermöglichen es uns, die Theorie zu überprüfen – mit der wir bereits leben, denn unser GPS beispielsweise, funktioniert nur mit Einstein, mit der Beachtung relativistischer Effekte.

Nicht vergessen darf man die Nebenprodukte, die während der Entwicklung der Detektoren entstanden sind. Beim Bau der Instrumente hat man viel über Spiegel und Laser gelernt. Es werden Technologien eingesetzt, die vor Jahren noch undenkbar gewesen sind und es gab einen enormen Fortschritt in den Bereichen Materialforschung, Laserphysik und Elektronik. Mittlerweile gibt es auch Lehrstühle an Universitäten, die sich nur mit diesen Themen beschäftigen. Und von diesen Entwicklungen profitiert die Menschheit in jedem Fall.

Welche Fragen werden Gravitationswellen beantworten können

Gravitationswellen sind eine neue Möglichkeit unser Universum zu erforschen. Der ultimative Traum ist es, Gravitationswellen vom Urknall zu messen. Theorien sagen GW aus der inflationären Phase der Entstehung des Weltalls voraus, erzeugt durch sogenannte Quantenfluktuationen. Das Problem ist, dass die Vorhersagen sehr unsicher sind was die Form des Signals, also die Amplitude und Frequenz, angeht. Mit den GW könnte man bis eine Milliardstel, eine Billionstel Sekunde an den Urknall rankommen – was optisch nicht möglich ist. So könnte man etwas über die Quantenfluktuationen lernen und vielleicht die Entwicklung des Universums besser verstehen. Es gibt geplante Missionen, z.B. Big Bang Observer, die versuchen wollen, genau diese Signale zu messen. Aber ob dies gelingen wird, hängt davon ab, wie stark die Amplitude ist und hier sind die Vorhersagen sehr unsicher.

Vielleicht können uns GW helfen, das größte Problem der Physik zu lösen: Wie passen die Gravitationstheorie von Einstein und die Quantenmechanik zusammen? Eventuell geben uns GW einen Hinweis auf die Quanten-Gravitation – und vielleicht gibt es dann Anwendungen, wenn man die Quanten-Gravitation kennt.

Vielen Dank für das sehr interessante Gespräch.

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Prof. Dr. Ewald Müller

Prof. Dr. Ewald Müller ist theoretischer Astrophysiker und Forschungsgruppenleiter im Bereich Stellare Astrophysik am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA). Er studierte Physik an der Technischen Hochschule in Darmstadt (1979). 1982/82 verbrachte er ein Jahr als Fermi-Postdoktorand an der Universität von Chicago und studierte mit Prof. Dave Arnett thermonukleare Supernovae. 1994 habilitierte er an der TU München und lehrt seitdem an dieser Einrichtung.

Er beschäftigt sich mit multidimensionalen hydrodynamischen und magnetohydrodynamischen Simulationen von astrophysikalischen Phänomenen, insbesondere Supernova-Explosionen und relativistischen Jets.

Literatur:

B.P. Abott et al: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016). 10.1103/PhysRevLett.116.061102

LIGO Lab, MIT, Caltech

Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching

(ID:44580359)

Über den Autor

Dr. Anna-Lena Gutberlet

Dr. Anna-Lena Gutberlet

Freiberufliche Autorin