{"id":6630,"date":"2016-05-03T10:25:16","date_gmt":"2016-05-03T08:25:16","guid":{"rendered":"http:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=6630"},"modified":"2016-05-03T10:25:16","modified_gmt":"2016-05-03T08:25:16","slug":"existenz-von-gravitationswellen-nachgewiesen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/existenz-von-gravitationswellen-nachgewiesen\/","title":{"rendered":"Existenz von Gravitationswellen nachgewiesen"},"content":{"rendered":"
\"Numerische<\/a>
Numerische Simulation zweier einander umkreisender Schwarzer L\u00f6cher, die zu einem neuen Schwarzen Loch verschmelzen; Numerische Simulation: C. Reisswig, L. Rezzolla (Albert-Einstein-Institut. Wissenschaftliche Visualisierung: M. Koppitz (Albert-Einstein-Institut & Zuse-Institut Berlin)<\/figcaption><\/figure>\n

Das erste Signal einer Gravitationswelle registrierten die Detektoren des amerikanischen LIGO-Experiments am 14. September 2015 am sp\u00e4ten Vormittag mitteleurop\u00e4ischer Zeit. Da es in den USA noch Nacht war, sahen zwei Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Gravitationsphysik in Hannover das Signal zuerst auf ihrem Bildschirm \u2013 wenige Minuten, nachdem die Detektoren angeschlagen hatten.<\/p>\n

Es war so perfekt, dass sie es zun\u00e4chst f\u00fcr ein Testsignal hielten. Die beiden LIGO-Detektoren waren nach einer l\u00e4ngeren Umbauphase noch im Testbetrieb. Erst wenige Tage sp\u00e4ter sollte der Messbetrieb beginnen. \u201eWenn Sie die Pr\u00e4zision der Messinstrumente erh\u00f6hen, brauchen Sie noch eine Zeit f\u00fcr die Feinabstimmung.<\/p>\n

Das ist, wie wenn Sie bei einem Orchester die Musiker durch noch bessere Musiker ersetzen. Spielt die neue Besetzung zum ersten Mal zusammen, erwarten Sie noch nicht den perfekten Sound\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Luciano Rezzolla vom Institut f\u00fcr Theoretische Physik der Goethe-Universit\u00e4t. Als Theoretiker war er nicht direkt an den Messungen beteiligt, aber auch dank seiner Simulationen wussten die Kollegen am LIGO-Experiment genau, wie das extrem schwache Signal aussehen sollte.<\/p>\n

\u201eDass in dieser fr\u00fchen Phase des Experiments schon ein eindeutiges Signal gemessen wurde, ist fast wie Magie\u201c, strahlt Rezzolla. Die beiden Forscher in Hannover untersuchten die Daten zun\u00e4chst f\u00fcr einige Stunden, bevor sie ihre Kollegen informierten. Erst am 11. Februar 2016 wagte sich das internationale Forscherteam mit der Aufsehen erregenden Meldung an die \u00d6ffentlichkeit:<\/p>\n

\u201eIn den ersten Wochen nach der Entdeckung hatten wir tats\u00e4chlich Bedenken, dass jemand aus Versehen ein k\u00fcnstliches Signal injiziert haben k\u00f6nnte oder vergessen hatte, uns dar\u00fcber zu informieren. Wir haben sehr viel Arbeit investiert, um das ausschlie\u00dfen zu k\u00f6nnen. Doch am Ende stand fest: Das Signal stammt aus dem All.<\/p>\n

Wir sind Zeuge davon geworden, wie in einer fernen Galaxie zwei schwarze L\u00f6cher ineinandergest\u00fcrzt sind!\u201c, erkl\u00e4rte Prof. Bruce Allen vom Max-Planck-Institut f\u00fcr Gravitationsphysik in Hannover wenige Tage nach der Pressekonferenz. Luciano Rezzolla hatte bereits Ger\u00fcchte von der Entdeckung geh\u00f6rt, als er Anfang Februar von der geplanten Pressekonferenz erfuhr.<\/p>\n

\u201eSie fiel genau in meine letzte Vorlesung zur Allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie, in der ich die Gravitationswellen behandeln wollte. Ich habe alle im Physik-Institut in meine Vorlesung eingeladen. Dann habe ich zur festgesetzten Zeit unterbrochen und wir haben uns die \u00dcbertragung der Pressekonferenz aus Washington live angeschaut. Das war f\u00fcr alle ein au\u00dferordentlicher Moment.\u201c<\/p>\n

Was diese Entdeckung f\u00fcr die Physik bedeutet, lie\u00df sich in den Tagen nach der Pressekonferenz an den gl\u00fccklichen Gesichtern und begeisterten \u00c4u\u00dferungen der sonst eher zur\u00fcckhaltenden Forscher ermessen. \u201eZun\u00e4chst einmal wissen wir jetzt, dass wir die letzten 20 Jahre unseres Lebens nicht mit der Suche nach Gravitationswellen vergeudet haben\u201c, sagt Luciano Rezzolla erleichtert.<\/p>\n

\u201eEs ist eine Sache, an etwas zu glauben, und eine andere, sie best\u00e4tigt zu wissen.\u201c Schlie\u00dflich hatte Albert Einstein, der die Existenz von Gravitationswellen vor 100 Jahren als Konsequenz der allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie vorhersagte, selbst nicht erwartet, dass man die schwachen Signale jemals w\u00fcrde nachweisen k\u00f6nnen.<\/p>\n

Was sind Gravitationswellen?<\/h3>\n

Gravitationswellen sind Kr\u00e4uselungen der Raum-Zeit-Kr\u00fcmmung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und dabei eine Energie und einen Drehimpuls transportieren. Luciano Rezzolla veranschaulicht dies durch den Vergleich mit einem glatten Laken, auf das man eine schwere Kugel legt. Dadurch entsteht eine Delle.<\/p>\n

Legt man nun eine Murmel auf die Fl\u00e4che, wird sie auf die Kugel zurollen, als ob sie von ihr angezogen w\u00fcrde. \u201eGenau so wirkt auch die Gravitationskraft auf die Raum-Zeit-Kr\u00fcmmung: Massive K\u00f6rper verbiegen die vierdimensionale Fl\u00e4che der Raum-Zeit und leichtere K\u00f6rper folgen diesen Kr\u00fcmmungen\u201c, erkl\u00e4rt Rezzolla.<\/p>\n

Wenn zwei massive Kugeln sich aufeinander zubewegen, dann entsprechen Gravitationswellen kleinen Kr\u00e4uselwellen auf der Oberfl\u00e4che des Bettlakens, das die Raum-Zeit-Kr\u00fcmmung repr\u00e4sentiert. Den ersten indirekten Hinweis auf Gravitationswellen fanden 1974 zwei Radio-Astronomen, Russel Hulse und Joseph Taylor.<\/p>\n

Sie entdeckten zwei Neutronensterne im Sternbild Adler, die einander innerhalb von nur acht Stunden umkreisen. Neutronensterne sind vergl\u00fchte Sterne, etwa anderthalb mal so schwer wie die Sonne und extrem klein; ihr Radius betr\u00e4gt nur 15 Kilometer. Deshalb besitzen sie au\u00dferordentlich starke Gravitationsfelder, die im Wesentlichen mit denen eines Schwarzen Lochs vergleichbar sind.<\/p>\n

\u201eIn einem Doppelsternsystem bewegen sich die Sterne fast mit Lichtgeschwindigkeit und senden dabei reichlich Gravitationswellen aus. Ungl\u00fccklicherweise erreichen uns diese Wellen erst, wenn sie schon stark abgeschw\u00e4cht sind. Das Sternbild Adler ist 21.000 Lichtjahre entfernt. Lange Zeit konnten wir sie deshalb mit unseren empfindlichsten Detektoren nicht messen\u201c, erkl\u00e4rt Rezzolla und verweist auf die erfolglose erste Messperiode des LIGO-Experiments in den Jahren 2002 bis 2007.<\/p>\n

Dennoch glaubten die Forscher an die Existenz der Gravitationswellen, weil sie \u00fcber Jahrzehnte hinweg pr\u00e4zise messen konnten, wie sich der Abstand zwischen den beiden Neutronensternen verk\u00fcrzte. Daraus schlossen sie, dass das System Energie in Form von Gravitationswellen abstrahlt. Die Daten stimmten bestens mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie \u00fcberein.<\/p>\n

1993 erhielten Hulse und Taylor den Physik-Nobelpreis. Dass die Gravitationswellen nun nachgewiesen werden konnten, ist der technischen Aufr\u00fcstung der beiden LIGO-Detektoren in den Staaten Washington und Louisiana zu verdanken. Es handelt sich um riesige Apparaturen mit je vier Kilometer langen Laserarmen, in denen Laserstrahlen im rechten Winkel zueinander losgeschickt, an Spiegeln reflektiert und zur Interferenz gebracht werden.<\/p>\n

Im Kreuzungspunkt entsteht ein Muster aus hellen und dunklen Streifen, das extrem empfindlich auf die Wegstrecke reagiert, welche die Strahlen zur\u00fccklegen, bevor sie sich treffen. Wird die Raumzeit durch eine Gravitationswelle gestaucht, l\u00e4sst sich das an einer Verschiebung des Musters ablesen.<\/p>\n

Allerdings muss man dazu Ersch\u00fctterungen wie den Stra\u00dfenverkehr, die zu einem viel gr\u00f6\u00dferen Ausschlag der Messinstrumente f\u00fchren w\u00fcrden, vermeiden. Eine Ma\u00dfnahme ist die Aufh\u00e4ngung der riesigen Spiegel. W\u00e4hrend sie in der ersten Generation des LIGO-Experiments an einem einfachen Pendel aufgeh\u00e4ngt waren, sind sie in der zweiten Ausbaustufe durch ein Vierfachpendel noch besser vor Ersch\u00fctterungen gesch\u00fctzt.<\/p>\n

Bedeutung von Simulationen<\/h3>\n

Doch trotz des gewaltigen technischen Aufwands sind die Signale der Gravitationswellen so schwach, dass sie im Rauschen des Experiments untergehen. Deshalb sind Simulationen von Theoretikern wie Luciano Rezzolla so wichtig. Wenn man n\u00e4mlich vorher wei\u00df, wie das Signal aussehen sollte, kann man es herausfiltern.<\/p>\n

\u201eWir k\u00f6nnen das Signal berechnen, indem wir mit parallel arbeitenden Supercomputern die Einstein\u2019schen Gleichungen und diejenigen der relativistischen Hydrodynamik numerisch l\u00f6sen\u201c, erkl\u00e4rt Rezzolla. Das jetzt gemessene Signal ist konsistent mit den Computersimulationen. Jetzt pr\u00fcft die Arbeitsgruppe von Rezzolla noch Details, insbesondere, ob das Signal wirklich von schwarzen L\u00f6chern ausgesandt wurde.<\/p>\n

Theoretisch k\u00f6nnte es n\u00e4mlich auch von \u201eGravasternen\u201c stammen. Das sind hypothetische Himmelsobjekte, die gem\u00e4\u00df der Allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie ebenfalls aus einem sehr massereichen Stern entstehen k\u00f6nnten \u2013 so etwas wie Schwestern der schwarzen L\u00f6cher. F\u00fcr Rezzolla und seine Kollegen bedeutet der Nachweis der Gravitationswellen den Beginn einer neuen \u00c4ra der Astrophysik.<\/p>\n

\u201eIch vergleiche die bisherige Situation gern mit einer Bibliothek, in der man alle B\u00fccher kennt. Jetzt haben wir eine Geheimt\u00fcr in eine verborgene Bibliothek gefunden. Darin stehen B\u00fccher, von denen wir schon einmal geh\u00f6rt haben und die wir jetzt endlich lesen k\u00f6nnen, aber auch andere, die ganz unbekannt und vielleicht in fremden Sprachen geschrieben sind.\u201c Schon jetzt weist vieles darauf hin, dass in den aufgezeichneten Daten noch mehr interessante Physik steckt. Mit weiteren Messungen, die k\u00fcnftig auch vom VIRGO- Experimente in Italien und KAGRA in Japan zu erwarten sind, geht die Astrophysik spannenden Zeiten entgegen.<\/p>\n

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