Der Nobelpreis für Physik - Wie schwarze Löcher Erkenntnisse in der Astronomie revolutionierten

Der Nobelpreis für Physik - Wie schwarze Löcher Erkenntnisse in der Astronomie revolutionierten
In der Illustration wird Gas von einem schwarzen Loch angezogen. Forschern zufolge können schwarze Löcher die Größe von nur einem Atom haben, wenn sie dabei trotzdem die Masse mehrerer Hochhäuser besitzen.
Am 14. September 2015 wurden zum ersten Mal Gravitationswellen beobachtet. Es dauerte 1,3 Milliarden Jahre für die Wellen, um einen in den USA stationierten Detektor zu erreichen. Das Signal war extrem schwach, als es die Erde erreichte. Trotzdem verspricht eine Revolution in der Astrophysik.

Der Nobelpreis für Physik ging dieses Jahr an ein Trio von Astronomen: Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne. Als Projektleiter von LIGO haben sie den ersten direkten Nachweis entstehender Gravitationswellen im All ermöglicht. Rainer Weiss, gebürtiger Berliner, erhielt die Hälfte des Preisgeldes in Höhe von rund 945.000 Euro. Barry Barish und Kip Thorne erhielten die andere Hälfte. LIGO, das Laserinterferometer Gravitationswellen-Observatorium, ist ein Kooperationsprojekt mit über eintausend Forschern aus mehr als zwanzig Ländern. Gemeinsam haben sie eine fast hundert Jahre alte Vision realisiert.

Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und befüllen das Universum seit seiner Entstehung. Das beschrieb bereits Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie aus dem Jahr 1916. Die Wellen treten auf, sobald eine Masse beschleunigt wird.

Gravitationswellen entstehen selbst dann, wenn ein Balletttänzer Pirouetten macht

Obwohl die Gravitationswellen sehr energiereich sind, ist ihre maximale Auslenkung – die Amplitude – sehr gering. Daher stellte es sich als große Herausforderung heraus, diese minimalen Schwingungen zu messen. Einstein war deshalb davon überzeugt gewesen, dass es niemals möglich sein würde, sie jemals nachzuweisen. 

Viele Jahre wurde die Existenz der Gravitationswellen sogar infrage gestellt. Erst in den 1970er Jahren zeichnete sich ein Konsens ab. Im Jahr 1974 beobachteten die Astronomen Joseph Taylor und Russel Hulse zwei umeinander kreisende Neutronensterne. Je näher sie einander kamen, desto höher die Menge an Energie, die sie verloren. Dieser Energieverlust entspricht genau der Energie, die durch Gravitationswellen frei wird.

Alternativer Nobelpreis in Stockholm verliehen

Mitte der siebziger Jahre hatte außerdem Rainer Weiss bereits mögliche Hintergrundgeräusche analysiert, die seine Messungen störten. Er entwarf daraufhin einen Detektor, ein laserbasiertes Interferometer, das diese Geräusche überwinden sollte.

Aus dieser Idee entstanden mehrere Jahrzehnte später die LIGO-Gravitationswellen-Detektoren in den USA. So wurde am 14. September 2015 dann erstmalig das typische Signal einer Gravitationswelle detektiert: Zehn bis zwölf Ausschläge, deren maximale Auslenkung erst anwächst und dann abrupt sinkt. Die Messungen dauerten nur eine halbe Sekunde. 

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Die Signale sendeten zwei miteinander verschmelzende Schwarze Löcher aus. Die beiden Objekte mit 29 sowie 36 Sonnenmassen umkreisten sich zuvor, kamen einander immer näher und fusionierten schließlich. Als sie miteinander verschmolzen, wurde eine Energiemenge abgestrahlt, die drei Sonnenmassen entspricht.

Wenn Einstein noch am Leben wäre, würde ich ihm gerne von der Entdeckung erzählen. Er würde sehr zufrieden sein, ich bin davon überzeugt. Aber ihm dann zu erzählen, wie die Entdeckung war, dass es ein Schwarzes Loch war – er wäre absolut verblüfft, weil er nicht an Schwarze Löcher geglaubt hat”, so der stolze Weiss auf der Pressekonferenz des MIT nach Bekanntgabe seiner Auszeichnung.

Bisher wurden alle Arten von elektromagnetischer Strahlung und Partikel verwendet, um das Universum zu erforschen: beispielsweise kosmische Strahlen oder Neutrinos. Allerdings sind Gravitationswellen direktes Zeugnis für Störungen im Raum-Zeit-Kontinuum selbst.

Seit der ersten Entdeckung wurden vier weitere Ereignisse detektiert. Vor nur zwei Wochen maß neben den beiden LIGO-Detektoren auch der in Italien stationierte VIRGO-Detektor die Gravitationswellen. Und wieder sind die Signale von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern ausgegangen.