von ANDREAS THOSS und PASCAL BIRCKIGT
Gravitationswellen sind bizarre Erscheinungen: periodische Verzerrungen von Raum und Zeit, die mit Lichtgeschwindigkeit das Weltall durchziehen – ausgelöst durch die Beschleunigung gewaltiger Massen. Albert Einstein hat ihre Existenz 1916 vorhergesagt, als Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Doch es dauerte 100 Jahre, bis es den Forschern 2015 erstmals gelang, solche kosmischen Beben nachzuweisen. Sie nutzten dazu eine riesige Anlage, in der sich mit Laserlicht winzige Längenänderungen oder Auslenkungen von Testobjekten, die durch eine Gravitationswelle verursacht werden, sichtbar machen lassen.
Quellen von Gravitationswellen sind etwa Schwarze Löcher oder Neutronensterne – Überreste einstiger normaler Sterne mit großer Masse –, die sich umkreisen und schließlich kollidieren. Die Möglichkeit, die davon ausgehenden Raumzeit-Beben zu messen, hat den Kosmologen ein neues Fenster für den Blick ins All geöffnet, durch das wir unter anderem neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von Schwarzen Löchern und Neutronensternen sowie über die Frühzeit des Universums gewinnen können. Nun soll ein neuer Detektor diesen Blick weiter schärfen: das „Einstein-Teleskop“, an dessen Planung Forscher aus Deutschland maßgeblich mitwirken.
Präzision von Bruchteilen der Protonen-Größe
Mit der aktuell in der Forschung genutzten zweiten Generation von Gravitationswellen-Detektoren lassen sich Längenänderungen auf ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons genau bestimmen – eine unvorstellbare Präzision, die selbst Fachleute immer wieder erstaunt. Und doch ist das den Wissenschaftlern nicht genug. Deshalb entwickeln sie für das Einstein-Teleskop eine dritte Generation von Messfühlern, die zehnmal so genau sind wie die aktuellen Systeme – zum Beispiel die Detektoren „Advanced LIGO“ bei Hanford in den USA und „Advanced Virgo“ im italienischen Santo Stefano a Macerata unweit von Pisa. Ein weiteres Ziel der Entwicklung ist es, die Empfindlichkeit bei niedrigeren Frequenzen zu verbessern – wo die Wissenschaftler Signale von besonders schweren kosmischen Objekten erwarten. Dadurch soll die Zahl der in den Experimenten nachgewiesenen Gravitationswellen-Ereignisse deutlich steigen.
Das Messprinzip basiert dabei auf einem sogenannten Interferometer: einer Einrichtung, bei der ein Laserstrahl in zwei Teile separiert wird, die zwei gleich lange, aber im rechten Winkel zueinander orientierte Strecken durchlaufen. An deren Ende wird das Licht jeweils gespiegelt, wodurch es an den Ausgangspunkt zurückkehrt. Dort werden beide Teilstrahlen wieder vereint und überlagert. Trifft eine Gravitationswelle auf den Detektor, ändert sich die Länge eines der beiden Interferometer-Arme geringfügig, wodurch sich die Wellenzüge der beiden Laserstrahlen gegeneinander verschieben. Als Folge dieses Effekts entsteht ein charakteristisches Lichtmuster.
