Gravitationswellen: die Jahrhundert-Entdeckung

Hundert Jahre nach der theoretischen Vorhersage durch Albert Einstein messen Wissenschaftler am 14. Sep­tem­ber 2015 zum ersten Mal eine Gravitations­welle, die von zwei ver­schmelzenden Schwarzen Löchern ausgesandt wurde, als sie die Erde passiert – ein unglaubliches Resultat! Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Potsdam haben maß­geblich zu dieser Entdeckung beigetragen.

Porträtfoto von Serguei Ossokine (Quelle: AEI)

Als ich am 15. September 2015 meine neue Tätigkeit als Postdoc am AEI in Potsdam begann, erfuhr ich quasi als Erstes direkt am Morgen von Prof. Alessandra Buonanno, dass es eine mögliche Gravitations­wellen-Detektion gegeben hat. Natürlich hat mich das komplett umgehauen: Das war mein erster Arbeitstag und ich war gerade erst dem wissen­schaft­lichen LIGO-Team beigetreten. Im selben Moment sollte ich nun bereits eine numerische Wellen­form produ­zieren, die die Parameter dieses sensa­tionellen Ereignisses reproduzieren kann.

Serguei Ossokine, seit September 2015 Postdoc am AEI in Potsdam

Was sind Gravitations­wellen?

Gravitationswellen sind kleinste Wellen in dem Gebilde der Raumzeit. So besagt Einsteins Allgemeine Relativitäts­theorie, dass beschleunigte Massen die Raumzeit-Geometrie in ihrer direkten Umgebung verformen. Diese Störungen breiten sich von der Quelle aus mit endlicher Geschwindig­keit in Wellen­form aus und ihre Schwing­ungen spiegeln die zeitliche Veränderung der Materie­ver­teilung wider.

Wenn Gravitationswellen von astro­physik­alischen Quellen wie verschmel­zenden Schwarzen Löchern oder Stern­ex­plosionen ausgesandt werden, verändern sie kilo­meter­lange Distanzen minimal, und zwar etwa um das Tausendstel des Durchmessers eines Protons (10-18 Meter). Um diesen minimalen Effekt zu messen, werden für Gravitations­wellen­dektoren kilometer­lange Inter­ferometer gebaut, an deren Enden Spiegel hängen. Nach vielen Jahren Arbeit, haben diese Detektoren im Herbst 2015 schließlich eine so hohe Sensitivität erreicht, dass sie Gravi­tations­wellen tatsächlich messen können.

Die erste Beobachtung des "Gravita­tions-Univer­sums" hat eine neue Ära in der Astronomie und in der Funda­mental­physik eröffnet.

Detektion von Gravita­tions­wellen mit LIGO

In den Bundesstaaten Washington und Louisiana in den USA stehen die zwei Detektoren des Gravitations­wellen-Obser­vatoriums LIGO (Laser Inter­fero­meter Gravita­tional Wave Observatory). An jedem Standort, werden Laser­strahlen in vier Kilometer langen L-förmigen Vakuumröhren hin- und hergeschickt, und so die Ent­fernung zwischen zwei Spiegeln an den beiden Enden sehr präzise bestimmt. Dadurch können winzige Stauchungen und Dehnungen des Raums gemessen werden, die durch eine durch­ziehende Gravitations­welle hervorgerufen werden. LIGO kann dabei minimale räumliche Verzerrungen messen, die so klein sind wie 1/10.000 des Durch­messers eines Protons! Das ist so, als würde man die Entfernung zu dem uns nächsten Stern mit einer Genauig­keit von weniger als dem Durch­messer eines menschlichen Haares bestimmen.

Am 14. September 2015 haben beide LIGO-Detektoren ein Signal einer Gravitations­welle detektiert, die von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern in etwa 1,3 Milliarden Licht­jahren Entfernung stammt. Dies war das erste Mal, das Gravita­tions­wellen auf der Erde beobachtet wurden! Es war auch die erste Entdeckung der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. AEI-Forscher haben einen wesentlichen Beitrag zu dieser Entdeckung geleistet. Ein Schwerpunk­tbereich in Professor Buonanno's Abteilung "Astro­physik­alische und kosmologische Relativitäts­theorie" ist die Entwicklung von hoch­präzisen Modellen von Gravitations­wellen­formen. Eben diese Modelle wurden nun auch für die Suche nach ver­schmelzenden Doppel­stern­systemen in LIGO-Daten genutzt. Gleichzeitig können aus den Modellen die astro­physik­alischen Parameter einer Quelle abgeleitet werden, so wie in diesem Fall die Massen und Spins der beiden Schwarzen Löcher, die Orientation des Doppel­stern­systems, sein Abstand zur Erde und schluss­endlich die Masse und der Spin des riesigen Schwarzen Loches dass nach der Ver­schmelzung entstand.

Wie wird man Teil der Gravitationswellen-Forschungs-Community?

Die Suche nach den am vielver­sprech­endsten Quellen von Gravita­tions­wellen – Doppel­stern­systeme aus Schwarzen Löchern und/oder Neutro­nen­sternen – setzt detailliertes Wissen voraus, wie die erwarteten Signale aussehen. Wissen­schaftler der Abteilung “Astro­physik­alische und kosmo­logische Relativitäts­theorie” am AEI entwickeln ausgefeilte analytische und numerische Methoden, um Einsteins Gleichungen zu lösen und hoch akkurate Templates zu erstellen. Diese Wellen­form­modelle werden auch für die Suche und die anschließende Analyse der Quell­eigen­schaften genutzt. Sie erlauben die Her­leitung einzig­artiger astro­physikalischer und kosmo­logischer Information von den beobachteten Signalen und den Test der Allgemeinen Relativitäts­theorie im Regime starker Felder.

Zwei Beispiele von jungen Forschern die in Potsdam im Bereich von Gravitat­ions­wellen forschen: Dr. Andrea Tarac­chini, Postdoc am AEI in Potsdam, entwickelte bereits im Rahmen seiner Doktor­arbeit unter Betreuung von Prof. Buonanno an der University of Mary­land Wellen­form­modelle für Schwarz­loch-Doppel­stern­systeme. Diese Modelle wurden nun für die erste Beo­bachtung von Gravitations­wellen eines ver­schmelz­enden Doppel­stern­systems genutzt. Serguei Ossokine, der gerade erst als Postdoc nach Potsdam gewechselt war, entwickelte die numerischen Simulationen für das mit LIGO detektierte Schwarz­loch­system und verglich sein Template mit dem gemessenen Signal.