Gravitationswellen-Nachweis "Wir haben hier etwas Großes"

Seit Jahrzehnten jagen Astronomen nach Einsteins Gravitationswellen. Nun haben sie am Südpol den bislang besten Beweis für die Existenz der flüchtigen Wellen entdeckt. Die Signale erzählen aus der frühesten Phase des Universums.

Von Thorsten Dambeck


Astronomen haben Signale aus den ersten Momenten des Universums aufgefangen. Es geht um winzige Sekundenbruchteile unmittelbar nach dem Urknall, der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand. Damals durchlebte das Weltall den Theorien zufolge eine extrem kurze Phase enormer Expansion, Kosmologen nennen sie Inflation. Während sich der Kosmos irrwitzig schnell aufblähte, entstanden Gravitationswellen - bislang waren sie ein experimentell unbestätigtes Konstrukt der theoretischen Physik.

Den Wissenschaftlern gelangen nun Messungen, die sowohl die Existenz von Gravitationswellen als auch die Inflation selbst belegen. "Wenn sich das bestätigt, haben wir hier etwas Großes, sogar größer als das Higgs", so Karsten Danzmann, Direktor am Albert Einstein Institut in Potsdam und Hannover, über die Bedeutung der Entdeckung. Danzmann war an dem Fund nicht beteiligt, er ist aber mit dem GEO600-Experiment ebenfalls auf der Suche nach den geheimnisvollen Wellen, die Albert Einstein vor knapp einem Jahrhundert vorhersagte.

Ort der bahnbrechenden Messungen war das Radioteleskop Bicep 2 ("Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization"), es fängt am Südpol seit Jahren die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds auf. Nun fanden die Wissenschaftler Spuren, die einst von Gravitationswellen in die Hintergrundstrahlung eingeprägt wurden. Das Signal ist überraschend klar. "Wir sehen ein direktes Abbild der Gravitationswellen, die das Licht in bestimmter Weise polarisieren", erläutert US-Forscher John Kovac, vom Harvard-Smithonian Center for Astrophysics in Cambridge (Massachusetts).

Überraschend klares Signal

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Inflation des Universums: Signale vom Urknall

Mit Licht meint Kovac die Hintergrundstrahlung, sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall. Damit entstammt es einer Epoche, in der das Weltall sonst nicht viel zu bieten hatte. Galaxien, Sterne, Planeten - nichts dergleichen war damals schon entstanden. Durch die bis heute andauernde Expansion des Alls wurde das Licht der Hintergrundstrahlung drastisch langwelliger, es liegt nun bei den Mikrowellen - und damit im Empfangsbereich von Radioteleskopen. Selbst Fernseher können die Strahlung empfangen, sie trägt etwa ein Prozent zum "Schnee" bei, mit dem ein schlecht eingestelltes Gerät die Zuschauer nervt.

Die Bicep-Messungen bestätigen die Hypothese der kosmischen Inflation. Die Idee einer solchen rasanten Ausdehnungsphase geht auf das Jahr 1981 und den US-Physiker Alan Guth zurück und ist eine Weiterentwicklung des ursprünglichen Urknallmodells. Guth wollte damit erklären, wieso verschiedene Regionen des Universums gleiche physikalische Eigenschaften besitzen, obwohl sie wegen ihrer viel zu großen gegenseitigen Distanz nur dann miteinander wechselwirken könnten, wenn das Verbot der Überlichtgeschwindigkeit aufgehoben wäre. Mit Inflation ist das nicht nötig.

Allerdings mutete Guth der Vorstellungskraft einiges zu: im Vergleich zur Zeitspanne, in der sich die Inflation abspielte, dauert jeder Wimpernschlag Äonen. Es geht um etwa 10-37 Sekunden, ein Dezimalungetüm aus 37 Nullen, einem Komma und am Ende einer 1. In dieser minimalen Spanne soll sich der gesamte Kosmos von subatomaren Dimensionen bis zum Format eines Fußballs aufgebläht haben.

Auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie wird durch die bisher direkteste Messung von Gravitationswellen untermauert. Über die unsichtbaren Wellen, die von beschleunigten Massen ausgehen, schrieb der Physiker 1916, ihr Effekt sei so klein, "dass man Gravitationswellen wahrscheinlich nie beobachten wird". Trotzdem war er von ihrer Existenz überzeugt. Manchmal werden sie als Kräuselungen der Raumzeit bezeichnet.

Anders als Licht sind Gravitationswellen keine elektromagnetischen Wellen, sie breiten sich aber ebenso wie diese mit Lichtgeschwindigkeit aus. Objekte, die von ihnen getroffen werden, erfahren kurzzeitige Dehnungen und Stauchungen, weil der Raum, den diese Objekte einnehmen, quasi durchgeknetet wird. Doch der Effekt ist winzig. Selbst eine Sternexplosion in einer Nachbargalaxie bewirkt nur winzige Längenvariationen. So ändert sich die Distanz Erde-Sonne dadurch nur um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms, und das lediglich für Tausendstelsekunden.

Nobelpreis am Horizont?

Dass nun beide Theoriekonstrukte, Inflation und Gravitationswellen, experimentell bestätigt wurden, beeindruckt die Physiker. Auch Torsten Enßlin vom Max-Planck-Institut für Astrophysik zeigt sich begeistert von den Resultaten der Bicep-Kollegen. "Allerdings auch mit einem weinenden Auge", so Enßlin, der zusammen mit Kollegen mit den Daten des europäischen "Planck"-Satelliten ebenfalls auf der Jagd nach den Gravitationswellen ist. "Bicep war zwar schneller, aber mit den Messungen Plancks werden wir bald schon eine unabhängige Bestätigung vorlegen können - oder auch Widerlegung." Der Vorteil Plancks liege darin, dass er den gesamten Himmel erfasse und nicht nur einen Ausschnitt wie Bicep; hinzu komme eine breitere Frequenzerfassung. Die Datenanalyse werde voraussichtlich noch ein halbes Jahr dauern, so Enßlin.

US-Physiker Alan Guth vom Massachusetts Institut of Technology sieht seine Inflation bestätigt und bringt laut "Nature" den Physik-Nobelpreis ins Spiel. Es wird wohl von weiteren unabhängigen Bestätigungen abhängen, ob die Bicep-Wissenschaftler tatsächlich in Stockholm gekrönt werden. Gravitationswellen und Nobelpreis - das gab es bereits 1973. Damals erhielten die US-Forscher Russell Hulse und Joseph Taylor für ihre Untersuchungen des Doppelpulsars PSR 1913+16 die begehrte Trophäe. Denn bei der Erklärung der Spiralbahnen der beiden Pulsare konnte nur die Relativitätstheorie helfen: Das System verliert Energie durch Gravitationswellen, damals immerhin schon ein indirekter Beweis für ihre Existenz.

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Seite 1
kickaha74 18.03.2014
1. Nobelpreis 1993
...den Nobelpreis für den indirekten Nachweis von Gravitationswellen am Pulsar 1913+16 gab es 1993, nicht 1973.
Neapolitaner 18.03.2014
2. 0,1 .......
Zitat von sysopBicep2 CollaborationSeit Jahrzehnten jagen Astronomen nach Einsteins Gravitationswellen. Nun haben sie am Südpol den bislang besten Beweis für die Existenz der flüchtigen Wellen entdeckt. Die Signale erzählen aus der frühesten Phase des Universums. http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/urknall-echo-gravitationswellen-existenz-bewiesen-a-959287.html
Ach hätte man es doch bei der Angabe im Exponenten belassen. So wie geschrieben, kommt man nur auf 0,1 Sekunden. Das ist zwar immer noch extrem dicht am Urknall, doch ich darf mal korrigieren: 10-37 Sekunden, ein Dezimalungetüm aus einer Null, einem Komma, 36 Nullen, und am Ende einer 1.
Layer_8 18.03.2014
3. Und...
Zitat von sysopBicep2 CollaborationSeit Jahrzehnten jagen Astronomen nach Einsteins Gravitationswellen. Nun haben sie am Südpol den bislang besten Beweis für die Existenz der flüchtigen Wellen entdeckt. Die Signale erzählen aus der frühesten Phase des Universums. http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/urknall-echo-gravitationswellen-existenz-bewiesen-a-959287.html
...wenn die Messungen bestätigt werden, 5 sigma haben die noch nicht, sind das dann auch direkte Effekte der Quantengravitation. Die Türe wäre also offen...
hei26 18.03.2014
4. Hä?
".....soll sich der gesamte Kosmos von subatomaren Dimensionen bis zum Format eines Fußballs aufgebläht haben......" SInd sich die WIssenschaftler da auch wirklich ganz sicher? Ich möchte meinem 10-jährigen Sohn, unserem kleinen Einstein, nämlich nur sehr ungerne etwas vom Pferd erzählen. Apropos vom Pferd erzählen. Mehr solche Artikel.
rolandjulius 18.03.2014
5. Was kann man dazu schon sagen?
Die Physikalischen Grundgesetze gelten eben nur unter normalen Bedingungen. Sind aber die Energien unendlich groß, dann werden alle Werte ebenfalls unendlich.
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