Rekordzahl an neuen Entdeckungen Forscher freuen sich über Gravitationswellen-Tsunami

Gravitationswellen sollen Wissenschaftlern einen neuen Blick ins All ermöglichen. Nun wurden so viele dieser Raumzeitbeben gemessen, wie nie zuvor. Dabei kamen die Forscher auch kleinen Neutronensternen auf die Spur.
Fusion von schwarzen Löchern (künstlerische Darstellung)

Fusion von schwarzen Löchern (künstlerische Darstellung)

Foto: SXS / Caltech

Als Wissenschaftler im Jahr 2016 auf einer großen Pressekonferenz in Washington verkündeten, dass sie erstmals in der Geschichte der Menschheit Gravitationswellen gemessen hatten, war das in vielerlei Hinsicht eine Sensation. Zuallererst war damit ein Megaprojekt der Physik nach vielen Jahrzehnten Forschung und teurer Entwicklung endlich von Erfolg gekrönt.

Für dieses Projekt wurden kilometerlange, gigantische Laser-Interferometer gebaut, am Ende gab es den Nobelpreis. Dazu bestätigten die Messungen aus dem September 2015 eine Vorhersage von Albert Einstein. Er hatte vor mehr als hundert Jahren das Zittern der Raumzeit vorhergesagt – es entsteht, wenn großen Massen beschleunigt werden. Das Genie lag also mal wieder richtig. Denn auf der Erde konnten die Forscher mit ihren hochsensiblen Laserinstrumenten das Zittern messen, es stammte von zwei schwarzen Löchern, die verschmolzen waren.

Aber noch aus einem anderen Grund regte die Entdeckung die Fantasie der Physiker an. Denn mit den Gravitationswellen hatten sie nicht nur die Spuren eines beeindruckenden Ereignisses im All nachweisen können, sie hatten auch eine neue Art von Messinstrument in den Händen, das ihnen einen besonderen Blick ins Universum erlaubte. Bei der Entdeckung schwärmten manche deshalb vom Beginn einer neuen Ära in der Astrophysik.

Denn wie man durch ein Teleskop schauen kann, um im All zu verfolgen, was einem die elektromagnetische Strahlung, zu der auch das Licht gehört, offenbart, so kann man auch mit Gravitationswellen kosmischen Objekten auf die Spur kommen. Es war also erwartet worden, dass die Gravitationswellenforschung in Zukunft Fahrt aufnehmen würde. Irgendwann wären Messungen damit vielleicht Routine.

Das Laser-Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) in Livingston

Das Laser-Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) in Livingston

Foto: Caltech / MIT / LIGO Lab

Nun scheint sich dieser Eindruck mehr und mehr zu bestätigen. Denn die Forscherinnen und Forscher an den »Ligo«- und »Virgo«-Detektoren in den USA und Italien haben eine Rekordzahl von Gravitationswellen gemessen. In einem vorab veröffentlichten Artikel  berichten sie von gleich 35 neuen Entdeckungen. Das lässt die Anzahl der Gravitationswellennachweise auf insgesamt 90 schnellen.

Man habe geradezu einen Tsunami von Gravitationswellen gemessen, so Co-Autorin Susan Scott, Astrophysikerin an der Australian National University in Canberra und Mitglied des Ligo-Teams. »Diese Messungen erhöhen die von Ligo und Virgo entdeckten Gravitationswellen um den Faktor zehn«, sagte Scott laut einer Mitteilung . Sie werden dazu beitragen, einige der komplexesten Rätsel des Universums zu lösen, etwa zur Zusammensetzung von Materie und zur Funktionsweise von Raum und Zeit.

Die Daten wurden zwischen November 2019 und März 2020 gesammelt. Auch diesmal zeugen die meisten Entdeckungen von der Fusion schwarzer Löcher, 32 dieser Signale stammen von diesem kosmischen Ereignis. Dabei ziehen sich die Massen der beiden Giganten an, umkreisen sich in immer engeren Bahnen und verschmelzen schließlich miteinander zu einem noch massereicheren schwarzen Loch. Die Beobachtungen zeigten eine überraschende Vielfalt dieser massereichen Objekte, die entstehen, wenn einem großen Stern am Ende seines Lebens der Treibstoff ausgeht und er kollabiert. Bei den Beobachtungen hatte ein Doppel aus schwarzen Löchern die 145-fache Sonnenmasse, während ein anderes nur auf das 18-fache unseres Sterns kam.

Die anderen drei aufgefangenen Signale sind etwas mysteriöser. Zwei stammen vermutlich von der Verschmelzung eines schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern, einem weniger dichten Objekt, das nicht so starke Signale lieferte, die allerdings auch zuvor schon gemessen worden waren. Neutronensterne sind ebenfalls Überreste massereicher Sterne. Obwohl sie verhältnismäßig klein waren und einen Radius von nur etwa 15 Kilometern aufwiesen, erreichten sie das 1,4-fache der Sonnenmasse, hieß es.

Den Anstieg bei den Beobachtungen führen die Forscher auf Verbesserungen bei den Detektoren zurück. In Zukunft soll es möglich sein, noch schwächere Signale von weniger massereichen Objekten aufzunehmen und so auch Hinweise auf neue Quellen zu empfangen.

Detektoren weiter verfeinern

Die Forscher erhoffen sich weitere Antworten auf ihre Fragen. Noch sei unklar, wie Systeme aus zwei schwarzen Löchern entstanden sind, ob es sich dabei beispielsweise um ein Doppelsternsystem handelt – also zwei Sterne, die gemeinsam ihren Lebenszyklus durchliefen und schließlich zu schwarzen Löchern wurden? Oder ob die beiden Objekte erst später aufeinandertrafen und in ihrer Umgebung zusammengeschoben wurden, beispielsweise im Zentrum einer Galaxie?

Die Gravitationswellen-Detektoren werden der Wissenschaft dabei weiterhin gute Dienste leisten. Das Ligo besteht aus zwei Observatorien, die sich in Hanford (Washington) und in Livingston (Louisiana) befinden. Der europäische Gravitationswellen-Detektor Virgo steht in der Nähe von Pisa in Italien. Die Einrichtungen arbeiten mit zwei Laserstrahlen, die über kilometerlange Tunnel in L-Form angeordnet sind. Wenn eine Gravitationswelle die Erde erreicht, wird der Laser in einem Arm des Detektors komprimiert und der andere dehnt sich aus. Aber das Ausmaß der Veränderung ist winzig, es handelt sich meist um Größen von einigen Tausendsteln eines Protons oder Neutrons. Deshalb müssen die Detektoren unglaublich empfindlich sein.

joe

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