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Was sind eigentlich Gravitationswellen?

Fragen und Antworten Was sind eigentlich Gravitationswellen?

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen ist eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen der Gegenwart. Der am Donnerstag verkündete Erfolg öffnet eine neues Beobachtungsfenster ins Weltall. Wir beantworten die wichtigsten Fragen.

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Bildliche Darstellung von Gravitationswellen.

Quelle: NASA/CALTECH-JPL

Was sind Gravitationswellen?

Hannover. Bislang zählten Gravitationswellen zu den letzten unbewiesen Bausteinen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die vor hundert Jahren veröffentlicht wurde. Die winzigen Wellen sind Verzerrungen der Raumzeit und entstehen laut Einstein bei besonders energiereichen Ereignissen im Universum - beispielsweise bei heftigen Sternexplosionen oder durch Schwarze Löcher, die ineinander stürzen. Auf die Existenz der bei solchen kosmischen Katastrophen ausgesendeten Gravitationswellen ließ sich aber bisher nur indirekt schließen - beispielsweise bei der Beobachtung extrem massereicher Neutronensterne und Pulsare.

Wenn Einstein die Existenz von Gravitationswellen schon vor hundert Jahren vorhergesagt hat, warum wurden sie dann jahrzehntelang nicht entdeckt?

Weil sie unfassbar winzig sind. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist extrem schwierig, weil sie im allerkleinsten Maßstab den Raum stauchen und dehnen: Nach Angaben der europäischen Weltraumagentur ESA übersteigen Gravitationswellen, die zum Beispiel von zwei einander umkreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden, auf einem Lineal von einer Million Kilometer Länge nicht einmal die Größe eines Atoms. Selbst Einstein glaubte nicht daran, dass die von Gravitationswellen bewirkten winzigen Längenänderungen jemals gemessen werden könnten.

Wie sind ihnen die Forscher dennoch auf die Spur gekommen?

Bei der Suche nach Gravitationswellen setzen die Wissenschaftler seit Jahren gewaltige Anlagen ein, die zu Einsteins Zeiten kaum vorstellbar gewesen wären. Dazu zählen die beiden jeweils vier Kilometer langen Ligo-Detektoren in den USA. Die Anlagen in Hanford (US-Bundesstaat Washington) und Livingstone (Louisiana) arbeiten seit dem vergangenen Herbst mit einer neuen Instrumenten-Generation, die wesentlich empfindlicher ist als ihre Vorgänger. Mit den Laserdetektoren der 3000 Kilometer voneinander entfernten Ligo-Observatorien wurden die Gravitationswellen am 14. September 2015 erfasst.

Von welchem kosmischen Ereignis stammen diese Gravitationswellen?

Von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren, wie die Forscher mitteilten. Diese Schwarzen Löcher, Überreste des Explosionstodes von Riesensternen, waren demnach 29-mal beziehungsweise 36-mal massereicher als unsere Sonne.

Waren an der Entdeckung auch deutsche Wissenschaftler beteiligt?

Ja. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Potsdam, das eng mit dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz-Universität Hannover zusammenarbeitet, leistete entscheidende Beiträge für die neue Generation der Ligo-Observatorien. Bei Hannover betreibt das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik zudem gemeinsam mit Partnern aus Großbritannien den Gravitationswellen-Detektor GEO600. Er ist Teil eines weltweiten Netzwerks von Detektoren, zu denen neben Ligo in den USA auch Anlagen in Italien und Japan zählen.

Die Gravitationswellenforschung wird auch am Albert-Einstein-Institut Hannover an der Leibniz-Uni betrieben. Es kooperiert mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Ein Einblick in das Institut in Ruthe.

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Was bedeutet der Nachweis von Gravitationswellen für die künftige Wissenschaft?

Die Entdeckung öffnet ein neues Fenster zur „dunklen“ Seite des Kosmos - sie markiert den Beginn der Gravitationswellen-Astronomie, die unser Bild vom Universum und seiner Entwicklung seit dem Urknall vervollständigen dürfte. Wissenschaftler vergleichen den Nachweis von Gravitationswellen sogar mit dem Moment, in dem Galileo Galilei vor mehr als 400 Jahren erstmals sein Fernrohr auf den Himmel richtete.

Auf welche neuen Erkenntnisse dürfen die Forscher nun hoffen?

Durch eine direkte Messung von Gravitationswellen können Wissenschaftler die Struktur unserer Galaxie untersuchen, Entstehung, Wachstum und Verschmelzungsprozesse Schwarzer Löcher ergründen und die Vorgänge in den Kernbereichen von Galaxien erkunden. Mit der Möglichkeit, Gravitationswellen aufzuspüren, könnten „fundamentale Phänomene des Kosmos“ erforscht werden, erklärte der Nasa-Astrophysiker Tuck Stebbins. Selbst ein Blick auf die erste Millisekunde des Urknalls vor 13,8 Milliarden Jahren sei denkbar.

afp

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Nachweis von Gravitationswellen
Emil Schreiber steht vor einem Teil der Steuerung des Gravitationswellendetektors GEO600 in Ruthe.

Die beiden Gravitationswellen-Detektoren Ligo sind erst kürzlich aufgerüstet worden – auch mit Technik aus Hannover. Nach mehreren Testläufen fand die erste reguläre Messphase vom 18. September 2015 bis zum 12. Januar 2016 statt. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover ist an mehreren Stellen eingebunden.

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