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Signale aus dem All: So entstehen Gravitationswellen

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Grafik aus Simulationen: Zwei Schwarze Löcher verschmelzen, dabei werden Gravitationswellen abgestrahlt Zur Großansicht
S. Ossokine/ A. Buonanno/ R. Haas (Max-Planck-Institut)

Grafik aus Simulationen: Zwei Schwarze Löcher verschmelzen, dabei werden Gravitationswellen abgestrahlt

Sie durchlaufen das All mit Lichtgeschwindigkeit - jetzt ist endlich ein direkter Nachweis von Gravitationswellen geglückt. Ohne Einsteins Konzept der Raumzeit hätte man nie nach ihnen gefahndet.

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Alle Theorie bleibt grau, wenn es nicht jemanden gibt, der den Praxistest macht. Im Fall der nun nachgewiesenen Gravitationswellen brauchte es mehr als tausend Physiker, um den rätselhaften und extrem schwachen Signalen aus dem All auf die Schliche zu kommen.

Die Entdeckung mit dem aLigo-Detektor in den USA ist zuallererst eine ingenieurtechnische Meisterleistung. Denn Gravitationswellen verlängern und verkürzen den Abstand zwischen den wenige Kilometer voneinander entfernten Spiegeln des Detektors nur um unvorstellbar kleine Distanzen. Durch geschickte Überlagerung von Laserstrahlen konnten die Forscher diese Schwankungen messen.

Um die Größenordnung zu verdeutlichen: Die Strecke zwischen Sonne und Erde etwa würde sich beim Passieren einer Gravitationswelle nicht einmal um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms ändern.

Einsteins Fundament von 1916

Dass Physiker weltweit überhaupt nach den rätselhaften Wellen fahnden, geht auf das Genie Albert Einstein zurück. Er war es, der vor fast genau hundert Jahren das Konzept der Raumzeit entwickelte - das Fundament der Allgemeinen Relativitätstheorie. Und Gravitationswellen ergeben sich quasi direkt aus Einsteins Theorie. Am 22. Juni 1916 referierte Einstein in der Preußischen Akademie der Wissenschaften darüber. "Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation" heißt der Aufsatz.

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Erfolgreiche Suche: Das sind Einsteins Wellen
Was aber sind Gravitationswellen genau? Physiker charakterisieren sie als Störungen der Raumzeit, die sich darin ausbreiten. Mit dem Konzept der Raumzeit hatte sich Einstein endgültig von der klassischen Mechanik verabschiedet, die auf Isaac Newton zurückgeht.

Laut Newton ziehen sich zwei Massen an, treibende Kraft ist die Gravitationskraft. Einstein schaffte diese Kraft mit seiner Raumzeit quasi ab. Massen verformen vielmehr den Raum ähnlich wie eine große Kugel ein Gummituch eindellt, auf dem sie liegt. Lässt man dann eine kleine Murmel über das Gummituch rollen, lenkt die Verformung diese in Richtung der großen Kugel. So erklärt Einstein, warum sich zwei Massen gegenseitig anziehen: Beide krümmen den Raum und beeinflussen so die Bahn des je anderen.

Vibrierendes Gummituch

Doch nicht nur der Raum ist formbar, auch die Zeit: Jede Veränderung des Raumes beeinflusst, wie schnell die Zeit fortschreitet. In Einsteins Universum bilden Raum und Zeit eine Einheit, die sogenannte Raumzeit.

Gravitationswellen entstehen, wenn Massen auf bestimmte Weise beschleunigt werden. Beispiele dafür sind einander umkreisende Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Sie verursachen eine Störung in der Raumzeit. Um beim Bild des Gummituchs zu bleiben: Es ist so, als würde man kurz mit dem Finger auf das Gummituch tippen. Dieses vibriert dann - und die Vibration breitet sich über das gesamte Tuch aus. "Das Gummituch hat seine Schwächen als Beschreibung der Raumzeit", meint Markus Pössel vom Haus der Astronomie in Heidelberg, "aber die Ausbreitung von Gravitationswellen veranschaulicht es sehr gut."

Drei Sonnenmassen fehlen

Bei der nun vorgestellten aLigo-Messung vom 14. September 2015 hatten die Physiker auch großes Glück. Just an diesem Tag erreichten die Erde die Signale zweier mittelschwerer Schwarzer Löcher, die in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung ineinanderkrachten - und der Detektor war eingeschaltet. Die Kolosse mit 36 beziehungsweise 29 Sonnenmassen fusionierten zu einem neuen, 62 Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch.

"Ich saß im Berner Patentamt in einem Sessel, als mir plötzlich der Gedanke kam: Wenn sich ein Mensch im freien Fall befindet, wird er seine eigene Schwere nicht empfinden können. Mir ging ein Licht auf. Dieser einfache Gedanke beeindruckte mich nachhaltig. Die Begeisterung, die ich da empfand, trieb mich zur Gravitationstheorie."

1922 in einem Gastvortrag an der Universität im japanischen Kyoto

"Die allgemeine Relativitätstheorie verdankt ihre Entstehung in erster Linie der Erfahrungstatsache von der numerischen Gleichheit der trägen und der schweren Masse der Körper, für welche fundamentale Tatsache die klassische Mechanik keine Interpretation geliefert hat."

In einer Rede in London 1921 über seine Fahrstuhl-Gedankenexperimente

"Ich habe schon wieder was verbrochen in der Gravitationstheorie, was mich ein wenig in Gefahr setzt, in einem Tollhaus interniert zu sein. Hoffentlich habt Ihr keines…"

An seinen Freund, den österreichischen Physiker, Paul Ehrenfest, Februar 1917

"Die Relativitätstheorie ist eine abstrakte Wissenschaft. Sie verträgt sich mit jeder Weltanschauung."

Einstein 1921 auf die Frage eines Geistlichen, welche Bedeutung die Theorie für die Religion habe.

"In der allgemeinen Relativitätstheorie spielt die Lehre von Raum und Zeit, die Kinematik, nicht mehr die Rolle eines von der übrigen Physik unabhängigen Fundaments. Das geometrische Verhalten der Körper und der Gang der Uhren hängt vielmehr von den Gravitationsfeldern ab, die selbst wieder von der Materie erzeugt sind."

Aufsatz in der "Times" vom 28. November 1919

"Früher hat man geglaubt, wenn alle Dinge aus der Welt verschwinden, so bleiben noch Raum und Zeit übrig; nach der Relativitätstheorie verschwinden aber Zeit und Raum mit den Dingen."

1924 in New York, von einem Reporter nach der Relativitätstheorie gefragt

"Die Relativitätstheorie ist ein schönes Beispiel für den Grundcharakter der modernen Entwicklung der Theorie. Die Ausgangshypothesen werden nämlich immer abstrakter und erlebnisferner. Dafür kommt man dem vornehmsten wissenschaftlichen Ziele näher, mit einem Mindestmaß von Hypothesen oder Axiomen ein Maximum von Erlebnisinhalten durch logische Deduktion zu umspannen."

Darstellung des "Raum-, Äther- und Feldproblems der Physik" im "Forum Philosophicum" 1930

Wer nachrechnet, merkt schnell, dass dabei drei Sonnenmassen fehlen. "Binnen Sekundenbruchteilen sind die beiden Schwarzen Löcher verschmolzen", erklärt Pössel. Die Energie von drei Sonnenmassen sei über Gravitationswellen abgestrahlt worden. Und diese waren dann so stark, dass man sie sogar auf der Erde messen konnte.

Zusammengefasst: Gravitationswellen gehen auf Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zurück. Sie entstehen, wenn Massen beschleunigt werden, etwa zwei umeinander kreisende Schwarze Löcher. Wenn die Wellen durch den Raum laufen, verkürzen und verlängern sie Distanzen darin. Diese Änderungen sind allerdings so minimal, dass eine direkte Messung sehr schwierig ist. Nun ist ein solcher Nachweis erstmals geglückt.

Erklärvideo: Alles, was Sie über Gravitationswellen wissen müssen

SPIEGEL ONLINE / Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Mitarbeit: Martin Scheufens

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