Kosmischer Seismograph

Sie ist die schwächste aller bekannten fundamentalen Kräfte in der Natur. Und doch hält nur sie das Universum zusammen. Sie ist allgegenwärtig, tritt aber mit kaum etwas in Wechselwirkung. Es gibt sie, doch der Nachweis ihrer Beschaffenheit bereitet Physikern seit Jahrzehnten Kopfzerbrechen: die Gravitation - die Schwerkraft, die Materie ausübt.

Anders als beispielsweise der Elektromagnetismus entzieht sie sich hartnäckig allen Versuchen einer "Quantisierung", wie Wissenschaftler es ausdrücken. Es gibt keine schlüssige Theorie der Gravitation, die sowohl im Großen wie im Kleinen, im Kosmos und auf der Ebene der Elementarteilchen, gültig wäre. Kein Forscher hat bisher Gravitationswellen aufgespürt, Wellen, die jedes Stück asymmetrisch bewegte Materie im Universum aussendet und die - ähnlich wie ein ins Wasser fallender Stein Wellen erzeugt - den Raum "kräuseln". Und erst recht hat bisher kein Forscher Gravitonen nachgewiesen, die hypothetischen Trägerteilchen der Schwerkraft.

Gelänge es Gravitationswellen, die Albert Einstein 1916 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie voraussagte, zu messen, dann könnten Wissenschaftler wesentlich mehr über den Ursprung, die Struktur und die Entwicklung des Universums aussagen als bisher. Und der Nachweis von Gravitonen wäre ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur sogenannten "Weltformel" über das Universum, an der Physiker und Mathematiker seit Jahrzehnten basteln.

Doch während niemand weiß, wie Gravitonen "aufgefangen" werden sollen, könnten immerhin Gravitationswellen bald registriert werden. Vor einigen Tagen wurde in der Nähe von Hannover der 2002 in Betrieb genommene und bisher im Testmodus laufende Gravitationswellendetektor GEO600 auf Forschungsmodus "umgeschaltet": In den kommenden zwölf Monaten wird GEO600 rund um die Uhr laufen und Daten aufzeichnen.

"Die Empfindlichkeit der Apparatur hat sich jetzt um den Faktor 3.000 erhöht", sagt Karsten Danzmann, Physiker und Leiter des GEO600-Projektes an der Uni Hannover. "Damit haben wir einen Wert erreicht, der es möglich macht, dass man im nahen kosmischen Bereich, also in unserer lokalen Galaxiengruppe, in einer Entfernung von bis zu zehn Millionen Lichtjahren, Gravitationswellen entdecken kann."

GEO600 ist ein Wunderwerk moderner Ingenieurkunst und stößt an die Grenzen derzeitiger Technologie. Gemessen werden mit den Instrumenten des Detektors die Abweichungen in der Laufzeit von 600 Meter langen Laserstrahlen, wenn diese von Gravitationswellen erschüttert werden. Dabei wird ein Laserstrahl von einem halbdurchlässigen Spiegel in zwei Teilstrahlen aufgespalten, durch im rechten Winkel zueinander stehende, luftleere Rohre geschickt (siehe Abbildung: Die Rohre streben L-förmig von der Zentraleinheit weg) und an den Enden zurückreflektiert. Wird einer der beiden Strahlen durch eine Gravitationswelle gestaucht oder gestreckt, treffen beide nicht mehr phasengleich zusammen: Ihre Schwingungsmuster sind leicht gegeneinander verschoben. Diese Interferenzerscheinung kann man messen und in Beziehung zur Störungsursache – hier also einer etwaigen Gravitationswelle - setzen.

Die Abweichung ist unvorstellbar winzig: Selbst die stärksten Schwerkraftwellen, wie sie bei Supernovae, beim Verschmelzen von Neutronensternsystemen oder bei der Kollision von Schwarzen Löchern entstehen, verzerren den Raum auf der Entfernung Erde-Sonne höchstens um den Durchmesser eines Atoms. Der GEO600-Detektor kann das scheinbar Unmessbare messen: Laufzeitabweichungen, die einem Billiardstel Millimeter entsprechen - dem tausendsten Teil des Durchmessers eines Protons.

GEO600 gehört zu einem weltweiten Netzwerk von Gravitationswellendetektoren, die neben Deutschland auch in den USA, Japan und Italien gebaut wurden und werden und alle nach demselben Prinzip funktionieren. Bereits 2001 wurde der LIGO-Detektor in den USA in Betrieb genommen. In Italien wird voraussichtlich Ende dieses Jahres VIRGO dazu kommen. In Japan wurde der bereits funktionierende Detektor TAMA wegen Finanzierungsproblemen zwischenzeitlich stillgelegt, aber der Bau einer Nachfolgeapparatur vorgeschlagen.

GEO600 ist der Detektor, der nun seit Anfang dieser Woche noch vor LIGO mit der größten Kapazität zur Datenaufzeichnung und daher mit den besten Erfolgsaussichten arbeitet. Vorausgegangen war dem eine fast vierjährige "commissioning"-Phase, in der durch Tests zahlreiche Störsignale "ausgeschaltet" werden mussten. "Man darf sich das nicht so vorstellen, dass man eine kleine Erschütterung registriert, und das war dann eine Gravitationswelle", sagt Gernot Neugebauer, Physiker am Sonderforschungsbereich Gravitationswellenastronomie der Universität Jena.

"Die Detektoren registrieren alle möglichen Signale", so Neugebauer, "angefangen von Erdbeben über Verkehr bis hin zu herumlaufenden Menschen. Sogar die Brandung der Nordsee und sogar noch herunter fallendes Laub tauchen als Signale auf. In diesem Rauschen suchen wir nach einer bestimmten charakteristischen Signalform von Gravitationswellen, die wir vorher hier in Jena theoretisch berechnet haben, Signalformen, wie sie etwa bei Supernovae oder der Verschmelzung schwarzer Löcher entstehen."

Können Gravitationswellen erst einmal nachgewiesen werden, öffnet sich für Astronomen ein neues Fenster ins Universum - mit besserer Aussicht als je zuvor. Da Gravitationswellen kaum mit herkömmlicher Materie wechselwirken und also anders als zum Beispiel Licht auch kaum absorbiert werden, enthalten sie nahezu unverfälschte Informationen über sehr weit entfernte oder für herkömmliche Teleskope kaum zugängliche Bereiche und Vorgänge im Weltall.

Karsten Danzmann geht noch weiter: "Alles, was wir über das Universum wissen, wissen wir durch irgendeine Art von Licht, also irgendeinen Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Unser möglicher Informationsgewinn mittels Licht ist jedoch beschränkt, sogar fast vernachlässigbar, wenn man bedenkt, dass 96 Prozent des Universums aus etwas besteht, das nicht strahlt. Das einzige, was wir darüber wissen, ist, dass dieses Etwas der Schwerkraft unterliegt, also mit Gravitation in Wechselwirkung tritt."

Mit etwas Glück könnte GEO600 schon bald Gravitationswellen entdecken. "Wenn sich irgendwo in unserer lokalen Galaxiengruppe eine große Supernova ereignet oder, besser noch, ein Doppelsternsystem verschmilzt, dann können wir das registrieren", so Danzmann.

Mithelfen können bei der Entdeckung übrigens auch Laien: Die Daten, die GEO600 und LIGO sammeln, werden nämlich unter anderem durch distributed computing analysiert, also dem verteilten Rechnen auf privaten PCs, die über das Internet versandte Datenpakete untersuchen. Einstein@home heißt das Projekt in Anlehnung an die berühmte Außerirdischensuche SETI@home.

Immerhin, einen indirekten Beweis für Gravitationswellen gibt es schon seit fast drei Jahrzehnten. 1974 entdeckten zwei Astronomen, Joseph Taylor und Russell Hulse, ein binäres Sternsystem aus einem Neutronenstern und einem Pulsar. Taylor und Hulse fanden heraus, dass die beiden Sterne des Systems mit dem Namen PSR 1916+13 sich um dreieinhalb Meter pro Jahr annähern.

Die Energie, die das System dabei verliert, so berechneten die beiden Astronomen, wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. Die Kalkulation deckt sich exakt mit der Einsteinschen Vorhersage für Abstrahlung von Energie durch Gravitationswellen. Für die Entdeckung erhielten Taylor und Hulse 1993 den Physik-Nobelpreis.

Das Neutronensternsystem PSR 1916+13 ist mit 15.000 Lichtjahren Entfernung vom Sonnensystem zu weit weg, als dass seine Gravitationswellen derzeit auf der Erde gemessen werden könnten. Irgendwann jedoch werden die beiden Sterne kollidieren. Erst in den letzten Sekunden vor der Kollision kündigt ein gewaltiges Gravitationsbeben den kosmischen Crash an. Der wird jedoch noch 80 Millionen Jahre auf sich warten lassen. (nbo)