Albert Einstein hatte schon gut 100 Jahre zuvor davon gesprochen, doch erst am 14. September 2015 konnten Gravitationswellen nachgewiesen werden. Eine Sensation. Was die Forscher vom LIGO-Detektor belegen konnten: Ein Signal, das durch eine Kollision von schwarzen Löchern entstanden war, vor gut einer Milliarde Jahren. Am 3. Oktober wurde der Nobelpreis für Physik genau dafür drei Forschern des LIGO zugesprochen: Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip S. Thorne.
Aus diesem Anlass erklärt WIRED noch einmal, was Gravitationswellen eigentlich sind:
Was genau sind Gravitationswellen? Um das erklären zu können, muss man zwei Dinge verstehen: Erstens, was die Raumzeit ist, und zweitens was Gravitation ist.
Gravitationswellen ermöglichen es uns, die dunkle Seite des Universums zu erforschen.
Zur Raumzeit: Wenn wir uns mit normaler Geschwindigkeit bewegen, dann erleben wir Raum und Zeit als zwei verschiedene Dinge. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten aber (besonders nahe der Lichtgeschwindigkeit) wird deutlich, dass Raum und Zeit nicht unabhängig voneinander sind, sondern sich gegenseitig bedingen. Die Zeit hängt davon ab, wie schnell man sich bewegt. Deshalb muss man beide gemeinsam betrachten, die drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension. Das wird dann die vierdimensionale Raumzeit genannt.
Und was war noch mal Gravitation? Einstein hat unsere Vorstellung davon, was Gravitation ist, grundlegend verändert. Früher dachte man, dass sie die Kraft zwischen zwei Körpern (zum Beispiel zwischen Mond und Erde) sei. Doch nach Einstein geht man davon aus, dass Gravitation keine Kraft ist, sondern durch eine Krümmung in der Raumzeit auf Körper wirkt.
Gravitationswellen entstehen nun, wenn Körper mit einer großen Masse stark beschleunigt werden, zum Beispiel, wenn ein Stern in einer Supernova explodiert oder zwei Schwarze Löcher fusionieren. Man kann sich das so vorstellen: Wenn sich ein perfekter, runder Körper im Wasser dreht, schlägt er keine Wellen. Wenn man den Körper aber durch das Wasser bewegt, dann schon. Das sind im Prinzip die Gravitationswellen, mit einem entscheidenden Unterschied: „Bei Gravitationswellen schlägt nicht ein Medium wie zum Beispiel Wasser Wellen, sondern die Raumzeit selbst“, sagt Lück.
Was nutzt es nun aber, wenn man diese Gravitationswellen messen kann? Einerseits freuen sich Physiker einfach darüber, dass auch der letzte Teil der Allgemeinen Relativitätstheorie damit in trockenen Tüchern ist. Viel wichtiger ist aber: Mit Hilfe der Gravitationswellen könnte eine neue Ära in der Astronomie beginnen.
Nehmen wir zum Beispiel Schwarze Löcher: Diese sind normalerweise nicht so einfach zu beobachten. Doch Schwarze Löcher schlagen Gravitationswellen — und die kann man wiederum untersuchen. „Man könnte also sagen: Gravitationswellen ermöglichen es uns, die dunkle Seite des Universums zu erforschen“, sagt Lück.
Dass sie jetzt zum ersten Mal direkt gemessen wurden, freut die Forscher, aber um wirklich eine „neue Ära“ einzuleiten, müsste man die Gravitationswellen viel häufiger und zuverlässiger messen können. Doch das ist gar nicht so einfach.
Gravitationswellen können mehr Leistung abstrahlen als alle Sonnen im Universum zusammen.
Gravitationswellen haben zwar eine unvorstellbare Energie (je nachdem von welcher Quelle sie ausgehen, können sie laut Lück „mehr Leistung als alle Sonnen im Universum zusammen“ abstrahlen), die Raumzeit ist aber ihrerseits unheimlich starr und lässt sich nicht so leicht verbiegen. Das heißt, die Detektoren, mit denen man im Weltraum nach Gravitationswellen lauscht, müssen extrem empfindlich sein. Das macht sie allerdings auch für Störungen anfällig. Man muss zum Beispiel sichergehen, dass sie nicht durch Bewegungen der Erdkruste gestört werden.
Noch besser wäre es natürlich, die Detektoren würden gar nicht erst auf der Erde, sondern direkt im All ihre Arbeit verrichten. Tatsächlich könnte das passieren. Wissenschaftler der ESA, aber auch am Albert Einstein Institut in Hannover, arbeiten gerade an eLISA, einem außerirdischen Gravitationswellenmessgerät, das ab 2034 mit einer Armlänge von etwa einer Millionen Kilometern arbeiten soll. „Die Testmission LISAPathfinder ist zur Zeit bereits sehr erfolgreich“, sagt Lück. Die erdgebundenen Detektoren sind dann aber trotzdem nicht unnötig, denn eLISA wird nach anderen Quellen für Gravitationswellen forschen als die Detektoren auf der Erde.
