Mit Vakuum zum Nobelpreis - Riesige Vakuumrohre helfen beim Nachweis von Gravitationswellen

Mit Vakuum zum Nobelpreis - Riesige Vakuumrohre helfen beim Nachweis von Gravitationswellen

Albert Einstein sagte schon vor gut einem Jahrhundert die Existenz von Gravitationswellen voraus. Tatsächlich nachgewiesen wurden sie jedoch erst 2015. Als Detektoren dienten zwei kilometerlange Vakuumröhren
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So wie ein Stein, den man ins Wasser wirft, die Wasseroberfläche kräuselt, so stauchen und strecken Gravitationswellen den Raum. Das Kräuseln der Raumzeit entsteht als Folge kosmischer Katastrophen, etwa wenn Sterne explodieren oder Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Die Schwerkraftwellen breiten sich dann mit Lichtgeschwindigkeit aus. Das jedenfalls verkündete Albert Einstein 1915, als er seine Allgemeine Relativitätstheorie vorstellte.

Allerdings blieb die Existenz der geheimnisvollen Wellen bis 2015 reine Theorie, denn sie sind äußerst schwer zu messen. Sie verändern den Raum für die Dauer eines Wimpernschlags und gerade mal um den Bruchteil eines Atomdurchmessers. Mit hundert Jahren Verzug gelang schließlich der direkte Nachweis von Gravitationswellen, die vom Zusammenprall zweier riesiger Schwarzer Löcher ausgelöst wurden.

Kilometerlange Messgeräte

Zwei Milliarden Jahre lang breiteten sich diese Wellen im Weltraum aus, um am 14. September 2015 die Raumzeit auf der Erde minimal zu verformen. Zwei baugleiche, aber 3000 Kilometer voneinander entfernte LIGO-Detektoren (LIGO = Laser Interferometer Gravitationswellen Observatorium) konnten dies in den USA messen.

Sie bestehen jeweils aus zwei Röhren im 90-Grad-Winkel. Die eine ist zwei, die andere vier Kilometer lang. Wo die Schenkel aufeinandertreffen, wird ein Laserstrahl losgeschickt, den ein Strahlteiler jeweils zur Hälfte in die beiden Röhren lenkt. Teildurchlässige Spiegel sorgen dafür, dass das Licht viele Male hin und her saust, bevor es nach einer Laufstrecke von 1120 Kilometer wieder beim Strahlteiler ankommt. Wenn eine Gravitationswelle den Raum durchläuft, streckt sie einen Arm des Interferometers und staucht den anderen. Das führt zu einer messbaren Veränderung in der Intensität des Laserstrahls.

Vakuum und Messgenauigkeit

Damit die Messapparaturen absolut störungsfrei arbeiten können, herrscht in den Röhren ein atmosphärischer Druck, der nur einem Trillionstel des Luftdrucks auf Meereshöhe entspricht. Dafür werden die Röhren zunächst 30 Tage lang erhitzt, danach saugt man die Restluft mit Hochleistungsvakuumpumpen ab. Mit Ionen-Pumpen werden schließlich verbliebene Gasmoleküle entfernt. In dem so entstandenen Ultrahochvakuum gibt es weder Luftmoleküle, die den Laserstrahl ablenken oder die Spiegel zum Schwingen bringen könnten, noch Staub, der das Licht streuen würde.

Im Februar 2016 konnten die beteiligten Wissenschaftler nach ausgiebigen Berechnungen verkünden, dass sie tatsächlich Gravitationswellen gemessen und Einsteins Theorie bestätigt hatten. Dafür bekamen die Wegbereiter des Projekts, Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik.


Seit der ersten Messung 2015 haben die Gravitationsforscher inzwischen weitere Dellen in der Raumzeit registriert, zuletzt am 14. August 2017. Auch ein Detektor ähnlicher Bauweise namens Virgo, das bei Livorno in Italien steht und seit kurzem mit LIGO kooperiert, hat sie erfasst. Auslöser war eine Sternkollision, die in einer Entfernung von etwa 1,8 Milliarden Lichtjahren stattfand. Die Forscher erhoffen sich aus den Gravitationsdaten neue Information über Geschichte und Physik des Universums, die bisher nicht zugänglich war. Außerdem könnten die Detektoren auch Hinweise auf die Dunkle Materie erschließen, obwohl diese mit den Gravitationswellen eigentlich gar nichts zu tun hat.

Die Existenz der Dunklen Materie ist bisher – wie bis vor kurzem die der Gravitationswellen – nur ein theoretisches Postulat. Astrophysiker schließen aus ihren Messergebnissen und Berechnungen auf sie: Die Galaxien würden von der Fliehkraft ihrer Rotation auseinandergerissen, wenn es die Dunkle Materie nicht gäbe. Ihre Masse muss fünfmal so groß sein wie die der sichtbaren Materie.

Mit den LIGO- und Virgo-Detektoren können Astronomen Schwarze Löcher nicht nur aufspüren, sondern auch „hören", was sie über die Geburt von Galaxien zu erzählen haben. Eine der Theorien über die Dunkle Materie besagt nämlich, dass sie aus „primordialen" Schwarzen Löchern besteht, die bereits beim Urknall entstanden seien. Auch wenn diese Theorie eher eine Minderheitsmeinung unter den Physikern ist, können die Gravitationsdetektoren Daten liefern, die sie entweder stützen oder widerlegen, damit man sich auf andere Erklärungsmodelle konzentrieren kann.


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