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Wellen aus den Tiefen des Universums

Lydia Bieri
Zwei sich umkreisende schwarze Löcher erzeugen Gravitationswellen (Computersimulation). (Bild: Getty)

Zwei sich umkreisende schwarze Löcher erzeugen Gravitationswellen (Computersimulation). (Bild: Getty)

Wissenschaft Informationen aus den Tiefen des Weltalls rieseln auf die Erde, und zwar in Form von sogenannten Gravitationswellen. Diese Wellen durchwandern unser Universum. Zum ersten Mal überhaupt konnten diese Wellen im September 2015 durch das Experiment «Advanced Ligo» in den USA ­gemessen werden. Das war ein wis­senschaftlicher Durchbruch, gar eine ­Revolution, deren Bedeutung den Anfängen des Teleskopes in der Astronomie gleichkommt. Dieser Erfolg wurde im Oktober 2017 mit dem Nobelpreis in Physik für die US-Wissenschaftler Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne belohnt.

Zuvor konnte man «nur» durch Teleskope ins All blicken. Solche Daten sind elektromagnetische Wellen. Neu nehmen wir in den Gravitationswellen-­Detektoren sozusagen den Puls des Universums selbst. Dies ist der Beginn einer neuen Ära, in welcher Gravitationsstrahlung Informationen liefert über ihre Quellen und damit auch aus Regionen, in die kein Teleskop sehen kann. Wir können uns diese Wellen vorstellen als Wogen im Universum.

Am Anfang war Einsteins Relativitätstheorie

Aber wie werden denn diese Wellen produziert? Die Antwort liefert die Allgemeine Relativitätstheorie (ART), die um 1915 von Albert Einstein eingeführt und seitdem in viele Richtungen weiterentwickelt wurde. In der ART sind Raum, Zeit und Gravitation vereint zu einer gekrümmten Raumzeit. Das ist eine Einheit, die alle Masse und Energie nicht nur enthält, sondern durch eben diese auch strukturiert wird. Es gibt also nichts «Absolutes», in welchem Gegenstände, Planeten oder Sterne sich bewegen, sondern alles ist Teil dieser Gesamtstruktur, die wir Raumzeit nennen.

Wenn wir an den Sternenhimmel schauen, so sind einige der von Auge als Lichtpunkte wahrnehmbaren vermeintlichen Sterne in Wirklichkeit zwei Sterne, die sich umkreisen. Gemäss der ART verlieren zwei Körper, die sich umkreisen, Energie. Diese wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt.

Aber wohin werden denn diese ­Gravitationswellen abgestrahlt? In die Raumzeit selber. Das heisst: Gravitationswellen ändern die Struktur des Alls. Ein abgesandtes Wellenpaket reist durch das Universum von der Quelle zu uns und weiter. Diese Gravitationsstrahlung ist aber sehr schwierig nachzuweisen. Deshalb hat es auch so lange gedauert.

Je mehr Energie abgestrahlt wird an der Quelle, umso besser sollten wir ­diese Wellen messen können. Typische Quellen für Gravitationswellen finden wir deshalb in schwarzen Löchern oder Neutronensternen, die sich vereinen, oder während einer Supernova (Explosion eines Sterns am Ende seiner Lebenszeit).

Die ersten Messungen von Gravitationswellen gehen zurück auf das Verschmelzen von schwarzen Löchern. Das sind Regionen, in denen die Gravitation so stark ist, dass nicht einmal Licht entfliehen kann.

Im August 2017 feierte man gleich nochmals einen Durchbruch von «Advanced Ligo» in den USA zusammen mit dem Detektor Virgo in Italien: die erste Messung von Gravitationswellen aus dem Verschmelzen von Neutronensternen. Das ist von gleich grosser Bedeutung wie der allererste Nachweis dieser Strahlung. Denn es war möglich, gleichzeitig Signale in Teleskopen aufzuzeichnen. Erstmals wurde also ein kosmisches Ereignis gleichzeitig beobachtet durch Gravitationswellen und Licht. Damit­ ­öffnete sich ein Tor zu einer Fülle neuer Resultate. Im Rahmen der ART mit ­Mathematik und Physik werden weitere Geheimnisse des Universums erforscht. Es bleibt spannend.

Lydia Bieri

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