Einsteins Wellen aus dem Weltall

Physiker wollen mit Spiegeln und Lasern beweisen, dass Albert Einstein vor 90 Jahren recht hatte: Sie versuchen Gravitationswellen zu erfassen, die bei der Kollision von schwarzen Löchern entstehen.

«Nichts weiter als ein Knäuel von gekrümmtem Raum und verbogener Zeit.» Schwarzes Loch in einer Nasa-Darstellung.

«Nichts weiter als ein Knäuel von gekrümmtem Raum und verbogener Zeit.» Schwarzes Loch in einer Nasa-Darstellung. Bild: Keystone

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Albert Einstein war ein kühner Mann. Sein Kollege Max Planck – einer der Väter der Quantentheorie – warnte ihn eindringlich: «Als Ihr Kollege und guter Freund muss ich Ihnen dringend von Ihrem Vorhaben abraten. Sie werden nicht durchkommen, und wenn Sie durchkommen, wird Ihnen niemand glauben.» Planck täuschte sich. Einstein hat in einem zehn Jahre andauernden Kraftakt die vielleicht «schönste Theorie erschaffen, die je von einem menschlichen Geist ersonnen wurde». So der mittlerweile verstorbene Nobelpreisträger und Physik-Übervater Paul Dirac. Nach der Erschaffung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) im Jahr 1915 war Einstein gesundheitlich derart erschöpft, dass er ernsthaft um sein Leben fürchten musste.

Die Faszination und das Interesse an dieser Theorie haben sich am vergangenen Montag an der diesjährigen Wolfgang-Pauli-Vorlesung an der ETH Zürich eindrücklich gezeigt: Das Auditorium maximum war komplett überfüllt, und selbst die Hörsäle, die per Videokonferenz zugeschaltet wurden, waren zum Bersten voll. Der Vortrag hielt dieses Jahr der amerikanische Physiker Kip Thorne, der weltweit als Autorität auf dem Gebiet der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt und der Vater des sogenannten Ligo-Projekts ist (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

«Fantastische Genauigkeit»

«Ligo soll die Gravitationswellen aufspüren, die von Einstein höchstpersönlich vorhergesagt wurden», sagte Thorne. Man kann sich diese Wellen als feinste «Kräuselungen» von Raum und Zeit vorstellen. Im ganzen Universum sollen diese Wellen herumschwirren. Alle Planeten und Sterne schaukeln sozusagen im Wellengang dieser Raum-zeitlichen Erschütterungen, die aber enorm klein sind. Physiker wollen nun mithilfe eines ausgeklügelten Spiegelsystems diese Erschütterungen messen. Konkret werden beim Ligo-Projekt im amerikanischen Hanford vier grosse 40 Kilogramm schwere Spiegel in einem Abstand von vier Kilometern aufgehängt. Zwischen je zwei dieser Spiegel werden Laserstrahlen hin- und hergeschickt. Läuft eine Gravitationswelle durch diese Spiegel hindurch, werden diese minimal verschoben, was sich aber mithilfe der intensiven Laserstrahlen messen lässt.

«Wir müssen Abstände mit einer fantastischen Genauigkeit messen, die dem Zehntausendstel eines Atomkerns entspricht», sagt Thorne. «Dies funktioniert nur mit extrem intensivem Laserlicht.» Die grösste Herausforderung beim Bau der Gravitationswellendetektoren ist die möglichst vollständige Unterdrückung aller Schwankungen, die nicht von den Gravitationswellen verursacht werden. «So zittert schon nur die Erde etwa eine Million Mal stärker als die Gravitationswellen selbst», so Thorne. «Es ist deshalb extrem wichtig, dass die Spiegel völlig isoliert vom Untergrund in einem Hochvakuum aufgehängt werden.» Neben der Ligo-Anlage in Hanford stehen zwei weitere Spiegelsysteme in Hannover und Pisa. Mit dem Projekt Lisa ist zudem ein weiteres – hauptsächlich europäisches – Vorhaben in Planung. Das von der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA finanzierte Projekt sieht vor, bis 2022 drei Satelliten ins All zu schicken. Damit sollen die Gravitationswellen noch sensitiver aufgespürt werden als mit Ligo. Woher kommen aber diese Wellen? «Gravitationswellen von hoher Intensität entstehen vor allem bei der Verschmelzung zweier sogenannter schwarzer Löcher», erklärt Kip Thorne. Schwarze Löcher gehören zu den bizarrsten Objekten dieses Universums. Auch sie werden von Einsteins Theorie vorhergesagt. Aber die skurrilen Eigenschaften dieser Objekte waren selbst für Einstein zu viel. Er glaubte nicht an sie.

Nicht zu nah ans schwarze Loch!

«Ein schwarzes Loch verbiegt den Raum und die Zeit in seiner Umgebung so stark, dass Materie und selbst Licht nur hineinfallen, aber niemals entweichen können», sagt Thorne. «Ein schwarzes Loch ist eigentlich nichts weiter als ein Knäuel von gekrümmtem Raum und verbogener Zeit.»

Das hat aber für seine Umgebung gravierende Konsequenzen. Wenn man einem schwarzen Loch zu nahe kommt und dabei einen ganz bestimmten Mindestabstand überschreitet, werde man unweigerlich in die Länge gezogen und verdreht, gleichzeitig rase man mit atemberaubender Geschwindigkeit auf den Mittelpunkt – die sogenannte Singularität des schwarzen Lochs zu. «Was dann passiert, wissen wir noch nicht», sagt Thorne, «die heutige Physik ist noch nicht so weit.» Mittlerweile ist die überwiegende Zahl der Forscher überzeugt, dass sich in unserem Universum diese Objekte massenhaft tummeln. «99 Prozent aller auf diesem Gebiet arbeitenden Forscher sind von der Existenz schwarzer Löcher überzeugt», sagt Norbert Straumann, emeritierter Professor für Theoretische Physik an der Universität Zürich. «Es gibt auch starke Indizien, dass im Zentrum unserer Milchstrasse ein schwarzes Loch sitzt, um das die Sterne mit absonderlich hohen Geschwindigkeiten kreisen.» Die Forscher interessiert vor allem, was passiert, wenn zwei dieser Löcher miteinander kollidieren. Ein wahrhaft kosmisches Inferno soll sich dabei abspielen. Erst seit etwa fünf Jahren sei es möglich geworden, die Kollision auf leistungsfähigen Rechnern erfolgreich zu simulieren und damit auch vorherzusagen, wie die dabei entstehenden Gravitationswellen genau aussehen. «Mit Ligo hoffen wir, bereits 2014 den ersten Nachweis für Gravitationswellen erbringen zu können», sagt Philippe Jetzer, Professor für Theoretische Physik der Universität Zürich. «Dann endlich werden wir wissen, ob Einsteins Wellen existieren.» (Tages-Anzeiger)

Erstellt: 18.05.2011, 22:39 Uhr

Einsteins Relativitätstheorie

Einstein hat die Allgemeine Relativitätstheorie in den Jahren 1905 bis 1915 aufgestellt. Sie beschreibt, wie sich Massen – etwa Planeten und Sterne – gegenseitig anziehen.

Vor Einstein erklärten sich die Physiker die gegenseitige Anziehung der Himmelskörper durch eine Kraft, die zwischen ihnen wirkt. In Einsteins Theorie hingegen wird die gegenseitige Anziehung aber nicht mehr durch eine Kraft erklärt, sondern sie ist eine Konsequenz der Krümmung des Raumes und einer Verbiegung der Zeit. So umläuft die Erde die Sonne nicht aufgrund der Schwerkraft,die zwischen den beiden Himmelskörpern wirkt, sondern weil die Erde dem «Pfad» der gekrümmten Raum-Zeit folgt.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie bekommen Raum und Zeit dynamische Eigenschaften. Sie lassen sich dehnen und verzerren wie ein Gummiband. Eine extreme Verformung stellt ein schwarzes Loch dar. Die Gravitationswellen selber sind dynamische Schwingungen der Raum-Zeit. Sie wurden von Einstein im Jahre 1916 vorhergesagt. Bis heute ist ein Nachweis auch nach viel Forschungsarbeit noch nicht gelungen. Mit den Spiegeldetektoren soll der endgültige Nachweis für ihre Existenz erbracht werden – das ist damit auch ein wichtiger Test für Einsteins Theorie. (bel)

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