Nobelpreis für Nachweis von Gravitationswellen

Albert Einstein hat sie vorhergesagt, im September 2015 wurden sie in den USA erstmals nachgewiesen: Gravitationswellen. Zu der bahnbrechenden Entdeckung, die jetzt mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, haben auch deutsche Institute beigetragen.

Simulation der ersten von LIGO beobachteten verschmelzenden Schwarzen Löcher. © S. Ossokine, A. Buonanno, R. Haas/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen oder Sterne explodieren, lassen sie die Raumzeit buchstäblich „erzittern“: Es entstehen Gravitationswellen, die sich im Weltraum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten – ähnlich wie Kräuselungen auf einer Wasseroberfläche. Die Existenz dieser Wellen hat Albert Einstein vor rund 100 Jahren in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Der Nachweis, dass es die winzigen Verzerrungen der Raumzeit tatsächlich gibt, gelang im September 2015: Erstmals konnten Forschende damals am Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) in den USA direkt Signale von Gravitationswellen messen. Für ihre bahnbrechende Entdeckung wurden drei amerikanische Wissenschaftler jetzt mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Zu dem Nachweis der Gravitationswellen haben zahlreiche Forscherinnen und Forscher aus Deutschland entscheidend beigetragen. In beiden LIGO-Detektoren stecken präzise Hochleistungslaser, die vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover entwickelt und am deutsch-britischen Gravitationswellendetektor GEO600 bei Hannover erstmals getestet wurden. Zudem steuert das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik effiziente Methoden für die Datenanalyse und die Signalmodellierung bei. In der Astrophysik arbeiten Experimentalisten und Theoretiker eng zusammen. Um diese Gemeinschaftsarbeit zu stärken, hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) von 2002 bis 2014 einen Zusammenschluss aus mehreren Universitäts- und Max-Planck-Instituten im Sonderforschungsbereich „Gravitationswellenastronomie“ gefördert.

Der erste Nachweis gelang bereits im ersten Beobachtungslauf der beiden „Advanced LIGO“-Detektoren in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) – einer neuen Generation von Messinstrumenten. Mittlerweile sind sie etwa viermal empfindlicher als ihre Vorgänger und konnten den Nachweis in weiteren Messungen bereits mehrfach bestätigen; in den kommenden Jahren soll die Empfindlichkeit weiter bis auf das Zehnfache gesteigert werden. Dann werden die Detektoren ein tausendfach größeres Volumen im Universum beobachten können.

Für den ersten Beobachtungslauf von LIGO hat das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik mehr als 40 Prozent der Rechenkapazität zur Verfügung gestellt.
Für den ersten Beobachtungslauf von LIGO hat das MPI für Gravitationsphysik mehr als 40 Prozent der Rechenkapazität zur Verfügung gestellt. © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/H. Lück

„Diese Entdeckung öffnet ein neues Fenster zum Universum, das uns den Blick bis zurück zum Urknall erlaubt. Das ist eine Jahrhundertentdeckung und ein grandioser Erfolg für die Grundlagenforschung. Deutsche Forschungsgruppen haben zu dieser Entdeckung  maßgeblich beigetragen – das zeigt die herausragende Position Deutschlands als Wissenschaftsstandort“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka anlässlich der Pressekonferenz zur ursprünglichen Entdeckung.

Bislang stützten sich astronomische Beobachtungen fast ausschließlich auf Teleskope, die elektromagnetische Wellen aus dem All empfangen – etwa Radiowellen, sichtbares Licht oder energiereiche Gammastrahlung. Die Gravitationswellen eröffnen den Astronomen nun ein völlig neues Beobachtungsfenster, mit dem sie bis zurück zu den Anfängen des Universums blicken können.