Lange Ohren aus Licht

Weite Kornfelder, dazwischen ein Garten mit Obstbäumen und ein paar unauffällige Gebäude, die an Baubaracken erinnern – das Gelände, das die Universität Hannover bei Sarstedt besitzt, erweckt nicht den Eindruck einer aufregenden Forschungseinrichtung. Doch verborgen in der ländlichen Idylle, rund 15 Kilometer südöstlich der niedersächsischen Landeshauptstadt, betreiben Physiker eine Anlage, die tief ins Innere des Kosmos hineinhorcht: Mit GEO600 wollen die Wissenschaftler zum ersten Mal Gravitationswellen empfangen – Deformationen der Raumzeit, die Albert Einstein vorhergesagt hat, deren direkter Nachweis aber bislang noch mit keinem irdischen Messinstrument gelungen ist. Diese Wellen könnten den Astrophysikern ganz neue Möglichkeiten eröffnen, um exotische Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne zu erforschen.

Mit GEO600 soll das nun gelingen. Dazu haben die Forscher zwei 600 Meter lange und gut einen halben Meter dicke Röhren im Erdreich eingegraben. Beide Röhren, aus deren Innerem die Luft fast vollständig abgepumpt wurde, laufen in einer der Baracken zusammen – zur Messstation, in der Forscher die Daten des aufwendigen Experiments sammeln und auswerten. Erzeugt werden die Messdaten von Laserstrahlen, die durch die Röhren laufen. Die gesamte Anordnung ist ein riesiges Interferometer. Das

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findliche Gerät soll das Zittern von Raum und Zeit aufspüren. Die Raumzeit – so sagt es die Allgemeine Relativitätstheorie voraus – wird immer wieder von Beben erschüttert: Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und die Struktur der drei Raumdimensionen und der Zeit verändern. Die Folge: Alle Objekte werden abwechselnd gedehnt und gestaucht – auch die beiden Röhren im niedersächsischen Acker. Das soll GEO600 messen.

Ein ambitioniertes Ziel, denn die Effekte, um die es geht, sind winzig: Eine Gravitationswelle der heftigsten Art ändert die Länge der beiden 600 Meter langen Arme des Interferometers höchstens um ein Tausendstel eines Protonen-Durchmessers – und das nur für den Bruchteil einer Sekunde.

Quellen von Gravitationswellen sind kosmische Objekte mit großer Masse, die stark beschleunigt werden: zum Beispiel Supernovae – explodierende Sterne –, kollidierende und verschmelzende Schwarze Löcher sowie sich rasch umkreisende Paare von Neutronensternen. Sie erzeugen Erschütterungen der Raumzeit, die sich nach allen Seiten durch den Weltraum ausbreiten. Auch die Entstehung des Universums im Urknall war von heftigen Beben begleitet, die sich noch heute nachweisen lassen sollten.

Wenigstens einige besonders starke Gravitationswellen müsste auch der GEO600-Detektor auffangen, sind die Wissenschaftler vom Institut für Gravitationsphysik der Uni Hannover und dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Potsdam und Hannover überzeugt. Gemeinsam mit britischen Forschern der Universitäten in Glasgow und Cardiff betreiben sie die Anlage, die 2002 ihren Betrieb mit ersten Testmessungen begonnen hat. Seitdem haben die Forscher die Empfindlichkeit immer weiter erhöht – etwa durch eine neue Methode, um die Messsignale um ein Vielfaches zu verstärken.

Die Apparatur misst die Verschiebung der Lichtwellen, die durch die beiden orthogonal angeordneten Röhren laufen. Ändert sich die Länge der Röhren durch eine Gravitationswelle, führt das auch zu einer Verschiebung der beiden Lichtwellen relativ zueinander – und die lässt sich sehr präzise ermitteln. Die Vorrichtung im Detail: Zunächst teilt ein halbdurchlässiger Spiegel den von einem extrem stabilen Laser erzeugten infraroten Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen, die durch die beiden Arme geschickt werden. An deren Enden werden die Laserstrahlen reflektiert, zum Ausgangspunkt zurückgeführt und dort in einer Photozelle überlagert. Das Interferometer ist so eingestellt, dass die Lichtwellen im Gegentakt schwingen. Daher löschen sie sich gegenseitig aus – der Sensor bleibt dunkel. Eine winzige Dehnung oder Stauchung der Wegstrecke in den Röhren bewirkt aber, dass sich die Teilstrahlen nicht mehr völlig auslöschen – ein Signal wird registriert.

Bislang ist es noch keinem Forscherteam gelungen, Gravitationswellen direkt zu beobachten. Auch den Physikern in Sarstedt ging seit Beginn des Messbetriebs der Anlage kein einziges Exemplar der wandernden Raumkräuselungen ins Netz. „ Allerdings rechnen wir auch nur alle paar Jahre mit einem Raumzeitbeben, das stark genug ist, um es mit dem Messgerät registrieren zu können”, sagt Karsten Danzmann, Leiter des gemeinsam vom AEI und von der Universität Hannover gegründeten Internationalen Zentrums für Gravitationsphysik. Im Februar 2006 startete am GEO600 eine Dauermessung, die 18 Monate lang laufen soll. Gibt es in dieser Zeit in der Nachbarschaft der Erde eine Supernova, stehen die Chancen gut, die von ihr verursachten Gravitationswellen zu messen.

Die Messkampagne begann zeitgleich mit einer Messung der beiden LIGO-Detektoren in den USA, die wie GEO600 nach dem Grummeln der Gravitation lauschen. Die LIGO-Interferometer stehen bei Hanford im Bundesstaat Washington und Livingston in Louisiana. Einen weiteren Detektor (TAMA300) gibt es in Tokio, und eine von italienischen und französischen Instituten errichtete Anlage (VIRGO) unweit von Pisa soll in den nächsten Monaten mit ersten Messungen beginnen.

Dieses Netz von Detektoren ist für die Physiker von entscheidender Bedeutung. Denn nur wenn ein und dasselbe Signal von mehreren Messgeräten an unterschiedlichen Orten aufgefangen wird, können sie sicher sein, dass es sich dabei tatsächlich um eine Gravitationswelle handelt – und nicht um eine lokale Störung. Auch um die Richtung, aus der eine Gravitationswelle auf die Erde trifft, lokalisieren zu können, müssen mindestens drei Detektoren sie messen.

Einige der stärksten Quellen von Gravitationswellen lassen sich aber von der Erde aus selbst mit den empfindlichsten Messapparaturen nicht aufspüren: umeinander rotierende Neutronenstern-Paare lange vor ihrem Verschmelzungstod oder der Crash und das Verschmelzen von zwei massiven Schwarzen Löchern. Die dadurch ausgelösten Gravitationswellen schwingen mit einer sehr niedrigen Frequenz von Hundertstel oder Tausendstel Hertz. Das Problem: In diesem Frequenzbereich vibriert auch der Erdball fast ständig. Das tiefe Brummen des Kosmos ist daher nur vom Weltraum aus zu vernehmen.

Daher planen die Europäische Raumfahrtagentur ESA und ihre amerikanische Schwesterorganisation NASA gemeinsam den Bau eines fliegenden Observatoriums für Gravitationswellen, das in zehn Jahren im All sein soll. Der Weltraum-Detektor namens LISA (Laser Interferometer Space Antenna) wird aus drei identischen Satelliten bestehen, die in 50 Millionen Kilometer Abstand zur Erde um die Sonne kreisen. Die Satelliten werden so positioniert, dass sie die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden, die rund 5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind – das entspricht dem 400-fachen Erddurchmesser. „In den Satelliten sind einige 200 Kilogramm schwere Probemassen, die sich permanent in einem perfekten freien Fall befinden”, erklärt Danzmann. Gravitationswellen ändern die Abstände zwischen diesen Massen. Laserstrahlen, die zwischen den Satelliten hin und her laufen, können die periodische Änderung der Distanzen messen.

Der Start der drei LISA-Satelliten ist für 2015 geplant, etwa ein Jahr später sollen sie einsatzbereit sein. Mit ihnen lassen sich auch Gravitationswellen mit sehr tiefer Frequenz messen. 2009 soll eine Testmission starten: LISA Pathfinder – ein einzelner Satellit, der ähnliche Instrumente beherbergt, wie sie bei LISA zum Einsatz kommen sollen. Sie werden den Abstand zweier Probemassen an Bord messen.

„Mit dem direkten Nachweis von Gravitationswellen wäre der erste Schritt zu einer neuartigen Astronomie getan, die Einblicke in die noch unbekannten 96 Prozent des Universums geben wird”, sagt Danzmann. Der überwiegende Teil der Materie liegt in einer nicht leuchtenden exotischen Form vor, über die die Astrophysiker bislang nur indirekt etwas in Erfahrung bringen konnten. Schwarze Löcher, kalte Sternleichen, Dunkle Materie, Dunkle Energie und Quantenfelder aus der Frühzeit des Universums sollten sich aber über ihre Schwerkraft verraten. Auch in die Wiege des Universums könnten die Physiker durch Analyse der Raumzeit-Beben viel tiefer hineinschauen als bisher.

Durch die Beobachtung von Gravitationswellen böte sich den Forschern die Möglichkeit, die Vorhersagen der Einstein’schen Relativitätstheorie mit einer bisher nicht gekannten Präzision zu testen. Sollte es dagegen nicht gelingen, Gravitationswellen aufzuspüren, hätten sie ein ernstes Problem. Doch das glaubt kaum ein Physiker. Denn indirekte Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen haben die Forscher bereits gefunden: in rasch rotierenden Neutronensternen, von denen mindestens einer ein so genannter Pulsar ist. Sie senden regelmäßige Radiowellenblitze mit einer Frequenz aus, die von ihrer Drehgeschwindigkeit abhängt. Seit ihrer Entdeckung konnten die Astronomen bei vielen der kosmischen Leuchtfeuer eine Abnahme der Rotationsenergie messen. Sie stimmt mit dem überein, was zu erwarten wäre, wenn sie Gravitationswellen abstrahlen, die einen Teil der Energie forttragen. ■