Schwarze Löcher: Supercomputer zeigt erstmals Gravitationswellen

Es ist der mächtigste Energieausbruch im Universum: die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die mit ihren Gravitationswellen das gesamte All erbeben lässt. Nasa-Forscher zeigen dies nun in einer Animation - nachdem sie ihren Superrechner mit den Vorhersagen Albert Einsteins versöhnt haben.

Es sind die umfangreichsten astrophysikalischen Berechnungen, die die US-Weltraumbehörde Nasa je vorgenommen hat: Erstmals ist es gelungen, die Gravitationswellen zu simulieren, die verschmelzende Schwarze Löcher auslösen. Bei der kniffligen Aufgabe, die Gleichungen Albert Einsteins in Supercomputer-gerechte Mathematik umzuformulieren, wurden die Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center in Maryland von Abstürzen ihrer Rechner geplagt. Offenbar bereiten Raumzeit, vierte Dimension und Stillstand der Zeit nicht nur Menschen Probleme.

"Diese Verschmelzungen sind bei weitem die mächtigsten Ereignisse im Universum", sagte die Astrophysikerin Joan Centrella. Werden zwei Schwarze Löcher zu einem, wird alles erschüttert: Wie auf der Oberfläche eines Teichs nach einem Steinwurf breiten sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum aus.

Der Raum wird gestaucht. Aber der Länge nach von einer Gravitationswelle durchlaufen, würde ein Mensch um nicht einmal den Durchmesser eines einzigen Atoms kürzer und wieder länger, denn die geheimnisvollen Wellen haben kaum eine Wirkung auf die Materie. Daher ist ihnen auch so schwer auf die Schliche zu kommen.

Direkt gemessen wurden Gravitationswellen bislang noch nicht. Ihre Existenz hatte Albert Einstein 1916 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Auf seinen Formeln fußen die Algorithmen der Nasa-Forscher. Ihre Simulation gibt also die Realität nach Einstein wieder.

Ärger mit Einsteins vier Dimensionen

Bislang war das komplizierte vierdimensionale Konzept Einsteins ein Stolperstein für Physiker gewesen, gleich wie viel Rechenkraft ihnen zur Verfügung stand. Laut Einsteins Vorhersage verändern Gravitationswellen sowohl den Raum als auch die Zeit. Im Computermodell bedeutete dies, dass die Variablen für die Dichte innerhalb Schwarzer Löcher unendlich groß werden konnten, die Zeit gar zum Stillstand kam. Das war zu viel für die Supercomputer - sie stürzten ab.

Die Forscher um Centrella mussten erst die von Einstein verwendete sogenannte Tensorenrechnung umschreiben. Das blähte die Kalkulation auf: Selbst die einfachsten Gleichungen in Tensoren-Schreibweise bedurften Tausender Zeilen Computercodes, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

Erst nachdem die Formeln Einsteins in maschinenverständliche Mathematik umgewandelt worden waren, konnte der gegenwärtig viertschnellste Supercomputer der Welt mit seinen 10.240 Prozessoren loslegen.

"Wie eine Schale mit Götterspeise"

Die Animation, die am Ende herauskam, zeigt die komplizierten dreidimensionalen Wellenmuster einer solchen Fusion. Die Ergebnisse gelten für den Spezialfall eines Duos von Schwarzen Löchern mit gleicher Masse. Ganz schlicht fasst die Nasa-Pressestelle die Ergebnisse zusammen: "Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, wackelt das gesamte All wie eine Schale mit Götterspeise."

Nun arbeiten die Forscher an vergleichbaren Simulationen für ungleiche Partner: Stärke und Wellenlänge der Gravitationserschütterungen sind von diesen Parametern abhängig und von Fall zu Fall verschieden.

In der Praxis sollen Einsteins Vorhersagen über die Gravitationswellen in Großprojekten getestet werden:

  • In Hannover, Tokio und Pisa sowie in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana messen Physiker mit gespiegelten Laserstrahlen feinste Erschütterungen im Schwerefeld der Erde. Allerlei allzu irdische Erschütterungen, wie Straßenverkehr, Flugzeuge oder Erdbeben müssen mühsam aus den Messungen herausgerechnet werden.
  • Das Projekt "Laser Interferometer Space Antenna" (Lisa) soll daher ins All gehen. Nasa und Esa planen, ab 2015 drei identische Satelliten in ein Bahn um die Sonne zu schießen. Wenn diese Trabanten beständig per Laser den Abstand untereinander messen, entgeht ihnen auch die Verzerrung des Raums durch eine vorbeirauschende Gravitationswelle nicht.

Erst kürzlich haben Forscher der Friedrich-Wilhelms-Universität in Bonn mit dem Röntgensatelliten "Chandra" in einem fernen Galaxiehaufen zwei schwarze Löcher entdeckt, die sich immer enger umkreisen und zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen werden.

Stefan Schmitt

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