Ein neuer Sinn für das Universum

Während der gesamten Geschichte der Astronomie haben Menschen das Universum mit Licht beobachtet. Verschiedene Wellenlängen – Radio, Infrarot, sichtbar, Ultraviolett, Röntgen, Gamma – offenbarten unterschiedliche Aspekte desselben elektromagnetischen Wandteppichs. Dann, am 14. September 2015, um 5:51 Uhr Eastern Daylight Time, registrierte das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) etwas kategorisch anderes: eine Welle in der Raumzeit selbst, erzeugt durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Das Signal dauerte weniger als eine Sekunde. Es veränderte alles.

Einsteins Vorhersage, ein Jahrhundert später

Albert Einstein sagte die Existenz von Gravitationswellen im Jahr 1916 als Konsequenz seiner Allgemeinen Relativitätstheorie voraus. Die Theorie beschrieb die Gravitation nicht als Kraft, sondern als eine durch Masse und Energie hervorgerufene Krümmung der Raumzeit. Wenn massive Objekte beschleunigen – insbesondere in asymmetrischen Konfigurationen, wie etwa umeinander kreisende Schwarze Löcher vor einer Verschmelzung –, stören sie das Gefüge der Raumzeit und erzeugen Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen ausbreiten. Einstein selbst bezweifelte, dass diese jemals nachweisbar sein würden, da der Effekt in jeder erreichbaren Entfernung außerordentlich schwach sein würde.

Er hatte fast recht. Das im Jahr 2015 detektierte Signal – bezeichnet als GW150914 – dehnte und stauchte die vier Kilometer langen Arme des LIGO-Detektors um eine Distanz von einem Tausendstel des Protonendurchmessers. Dies entspricht der Messung einer Änderung des Abstands zwischen der Erde und dem nächsten Stern, die auf die Breite eines menschlichen Haares genau ist. Die Ingenieurleistung, die erforderlich war, um diese Empfindlichkeit zu erreichen – einschließlich Laserinterferometrie, Quantenrauschunterdrückung, seismischen Isolationsplattformen und Datenanalysealgorithmen, die darauf trainiert sind, Gravitationswellensignale von lokalen Vibrationen wie entferntem Verkehr und leichten Erdbeben zu unterscheiden –, stellt eine der größten experimentellen Leistungen in der Geschichte der Physik dar.

Die Black-Cat-Verschmelzung: Das Lesen des „Chirps“

Zu den bedeutendsten Gravitationswellenereignissen, die seit 2015 katalogisiert wurden, gehört GW190814, auch bekannt als das „Black Cat“-Ereignis. Dabei verschmolz ein Schwarzes Loch mit 23 Sonnenmassen mit einem kompakten Objekt von etwa 2,6 Sonnenmassen – entweder dem leichtesten Schwarzen Loch oder dem schwersten Neutronenstern, der je beobachtet wurde. Die Verschmelzung wurde im August 2019 von mehreren Detektoren erfasst und ist seither Gegenstand intensiver theoretischer Debatten, da das sekundäre Objekt genau in die „Masselücke“ fällt – einen Bereich zwischen der maximal vorhergesagten Neutronensternmasse und der minimal vorhergesagten Masse eines Schwarzen Lochs –, die aktuelle Modelle der Sternentwicklung nur schwer erklären können.

„Jedes Gravitationswellenereignis ist eine Flaschenpost aus den Tiefen des Universums – ein Zeugnis der gewaltsamsten Ereignisse der Existenz, das uns mit perfekter Genauigkeit durch die Geometrie der Raumzeit übermittelt wird.“ – Prof. Karoline Windber, Gravitationswellentheoretikerin, Max-Planck-Institut.

GW170817: Als Schwarze Löcher Neutronensternen wichen

Das im August 2017 als GW170817 bezeichnete Ereignis schrieb in mehreren Disziplinen gleichzeitig Geschichte. Zum ersten Mal wurden sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung desselben astrophysikalischen Ereignisses detektiert: der Verschmelzung zweier Neutronensterne in rund 130 Millionen Lichtjahren Entfernung. Dem Gravitationswellensignal folgte 1,7 Sekunden später ein kurzer Gammablitz, was eine jahrzehntealte Hypothese über den Ursprung dieser Klasse von Extremereignissen bestätigte. In den folgenden Tagen verfolgten Teleskope von Gammastrahlung bis hin zu Radiowellenlängen die expandierende Kilonova – den dichten Feuerball schwerer Elemente, die in der verschmolzenen Materie synthetisiert wurden – und bestätigten, dass die Verschmelzung von Neutronensternen ein Hauptort der Nukleosynthese durch den r-Prozess ist, bei dem Gold, Platin und andere schwere Elemente entstehen.

Die nächste Generation: LISA und darüber hinaus

Erdgebundene Detektoren wie LIGO, Virgo und KAGRA haben sich bereits als bahnbrechend erwiesen. Doch die Erde selbst ist ein unruhiger Ort, und seismisches Rauschen setzt eine niederfrequente Grenze, unterhalb derer kein erdgebundener Detektor arbeiten kann. Um Gravitationswellen bei niedrigeren Frequenzen zu erfassen – erzeugt durch die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher, weiße Zwergdoppelsterne und potenziell inflationäre kosmologische Signale –, muss der Detektor ins All verlegt werden. Die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die von der Europäischen Weltraumorganisation mit Beiträgen der NASA entwickelt wird, wird aus drei Raumfahrzeugen in einer Dreiecksformation bestehen, die der Erdbahn um die Sonne folgen, mit Armlängen von 2,5 Millionen Kilometern. LISA ist für die Entwicklung freigegeben und soll Ende der 2030er Jahre starten. Damit wird sie ein neues Frequenzband des Gravitationswellenspektrums erschließen, das in der Geschichte der Menschheit beispiellos ist.

Die Gravitationswellenastronomie hat mehr getan, als nur Vorhersagen zu bestätigen. Sie hat gezeigt, dass unser konzeptionelles Werkzeugset zum Verständnis der Realität – die Mathematik der gekrümmten Raumzeit, die Physik kompakter Objekte, die Chemie der stellaren Nukleosynthese – zu einer einzigen, überprüfbaren und erstaunlichen Beschreibung des Universums zusammenläuft. Wir fangen gerade erst an, die Sprache zu lernen, in der der Kosmos geschrieben ist.