Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover

Ergebnisse des gemeinsamen japanisch-deutschen Gravitationswellen-Beobachtungslaufs

Vor 20 Jahren startete die Geodäsie-Mission, an der auch das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik beteiligt ist

Hannoveraner Gravitationswellen-Detektor soll helfen, eines der größten verbleibenden Rätsel des Universums zu lösen

Der neue Gravitationswellenkatalog enthält 35 neue Signale

Detektoren empfangen Gravitationswellen von zwei Schwerkraftfallen, die Neutronensterne am Stück verschlucken

Eigentlich dürfte es nicht existieren: ein schwarzes Loch mit der 85-fachen Masse unserer Sonne. Doch genau das haben Astronomen aufgespürt. Demnach war dieses Schwergewicht Teil eines Doppelsystems, ehe es mit seinem ebenfalls recht massiven Partner verschmolz. Das dabei ausgelöste Beben der Raumzeit sandte Gravitationswellen aus, welche die Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover vor so manches Rätsel stellen.

Die mythische Vorstellung von einem zyklischen All, das im Weltenbrand endet und wiederersteht, fasziniert Menschen seit jeher. Die moderne Urknalltheorie mit einem ewig expandierenden Universum schließt diese Möglichkeit aus. Doch ist hier das letzte Wort bereits gesprochen? Am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover geht Anna Ijjas dieser fundamentalen Frage nach.

Albert Einstein hatte recht: Gravitationswellen existieren wirklich. Am 14. September 2015 gingen sie ins Netz. Das wiederum hätte Einstein verblüfft, glaubte er doch, sie seien zu schwach, um jemals gemessen zu werden. Umso größer war die Freude der Forscher – insbesondere jener am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, das an der Entdeckung maßgeblich beteiligt war.

… wollen die Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik auf keinen Fall. Geht es doch um nicht weniger als die Stütze für eine Säule des modernen Weltbilds, um die allgemeine Relativitätstheorie. So formulierte Albert Einstein im Jahr 1915 unter anderem, dass die beschleunigte Bewegung von Massen zu Störungen führt, die sich lichtschnell durch den Raum bewegen – Gravitationswellen genannt. Die Erde etwa beult bei ihrem jährlichen Lauf um die Sonne die Raumzeit aus und strahlt dabei Gravitationswellen ab. Angesichts der immensen Zahl von Planeten oder Doppelsternen müsste es im Weltall davon nur so wimmeln. Aber in den meisten Fällen sind die kosmischen Kräuselungen zu schwach, um mit irdischen Detektoren aufgespürt zu werden. Glücklicherweise gibt es im Universum aber noch viel heftigere Erschütterungen: den Tanz oder die Kollision von Neutronensternen und schwarzen Löchern oder die Explosion einer massereichen Sonne als Supernova. Solche brachialen Ereignisse sind es, auf die Wissenschaftler weltweit warten – etwa auf einem Feld in Ruthe bei Hannover. Dort streckt GEO600 seine beiden jeweils 600 Meter langen Arme aus. Die evakuierten Edelstahlrohre haben 60 Zentimeter Durchmesser und sind zur Erhöhung der Stabilität gewellt. In ihnen verbirgt sich das zweitlängste Laserstrahl-Interferometer Europas. Das Messprinzip beruht auf der Tatsache, dass Gravitationswellen abwechselnd den Raum stauchen und dehnen. Rasen sie durch GEO600, verändern sie auch die Rennstrecken des Laserstrahls, der in den beiden senkrecht zueinander angeordneten Rohren läuft. Diese winzige Längendifferenz im Bereich von 10-19 Metern bringt die Lichtwellen im Detektor aus dem Takt. Ein Signal erscheint. Alarm! Bisher jedoch gab es nur Probealarme. Die Forscher tüfteln daran, die Empfindlichkeit der Anlage beständig zu erhöhen. Wenn der Kosmos wieder einmal bebt, möchten sie die Gravitationswellen endlich dingfest machen und damit ein neues Beobachtungsfenster ins All eröffnen.

Vor einem Jahrhundert postulierte Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen. Doch bisher haben sich diese Verzerrungen der Raumzeit hartnäckig der direkten Beobachtung entzogen.

Das Rätsel um eine seit zwei Jahrzehnten bekannte Gammastrahlenquelle ist endlich gelöst. Ein extrem schnell rotierender Neutronenstern in einem Doppelsternsystem sendet die Gammastrahlung aus. Für diese Entdeckung wurden 10 Jahre an Daten des Fermi-Satelliten der NASA mithilfe des verteilten Rechenprojekts Einstein@Home durchsucht. Das intensive Studium dieses Neutronensterns und seines Begleiters anhand von Gammadaten und optischen Beobachtungen offenbart ein Doppelsternsystem der Extreme. Vom Begleitstern abgedampftes Material blockiert vermutlich die Radiostrahlung des Neutronensterns.

Am 22. Mai 2018 starteten die zwei GRACE Follow-On Satelliten in ihre Erdumlaufbahnen. Das Ziel: die Vermessung des irdischen Schwerefelds, was für die Geophysik und die Klimaforschung sehr bedeutsam ist. Mit an Bord: ein Laserinterferometer vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein Institut; AEI) in Hannover, das als Vorbild für künftige Satellitenmissionen und Schritt zum Gravitationswellen-Observatorium LISA dienen soll. Erste, sehr vielversprechende Ergebnisse laufen bereits vor der wissenschaftlichen Messphase ein.

Am 14. 09. 2015 konnten erstmals mithilfe der Advanced-LIGO-Detektoren Gravitationswellen direkt nachgewiesen werden. Das Signal stammte von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit jeweils rund 30 Sonnemassen in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zur Erde. Albert Einstein hatte die Existenz dieser Wellen im Jahr 1916 vorhergesagt. Die ersten Stunden der Jahrhundert-Entdeckung spielten sich am MPI für Gravitationsphysik in Hannover in der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ von Bruce Allen ab. Die Autoren waren die ersten Personen, die das Signal sahen.

Die Satellitenmission LISA Pathfinder demonstriert Schlüsseltechnologien für zukünftige Gravitationswellen-Observatorien im All wie eLISA. Diese werden niederfrequente Gravitationswellen beispielsweise von Paaren extrem massereicher schwarzer Löcher oder galaktischen Doppelsternsystemen untersuchen. LISA Pathfinder ist am 3. Dezember 2015 ins All gestartet und hat im März 2016 seine wissenschaftliche Messkampagne begonnen. LISA Pathfinder wird zu einem Modell aller Rauschquellen für eLISA-artige Missionen führen.

Gravitationswellen sind eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie. Binärsysteme aus Neutronensternen und Schwarzen Löchern erzeugen diese winzigen Kräuselungen der Raumzeit. Große interferometrische Detektoren sollen sie nachweisen. Neben der Messtechnik spielt die Datenanalyse eine entscheidende Rolle, denn nur mittels empfindlicher und effizienter Methoden lassen sich die schwachen Signale aus dem Detektorrauschen herausfiltern. Wissenschaftler des MPI für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) haben dazu beigetragen, die ersten Entdeckungen greifbarer zu machen.