Demnächst wird Kip Thorne eine Kiste kalifornischen Wein kaufen müssen. 1981 hatte er mit seinem Freund Jeremiah Ostriker, Kosmologe an der Princeton University, gewettet, daß bis zum 1. Januar 2000 mindestens zwei Forschergruppen etwas bislang Unerhörtes belauschen würden: Gravitationswellen. Leider sind die entsprechenden Detektoren nicht rechtzeitig fertig geworden. Trotz der verlorenen Wette ist Thorne zufrieden, denn auch ohne die neuen Detektoren, die im kommenden Jahr in Betrieb gehen, ist er schon jetzt mit dem Wispern des Weltalls bestens vertraut. Als Professor für Theoretische Physik am California Institute of Technology (Caltech) gehört er zu den führenden Erforschern der kosmischen Erschütterungen. Er nennt sie “Kräuselungen der Raum-Zeit”.
“So wie die Schallwellen verschlüsselte Informationen von einem Orchester zum Publikum tragen, so bringen die Kräuselungen der gekrümmten Raum-Zeit verschlüsselte Botschaften vom Universum zu uns”, erklärt der bärtige Physiker. Dieser kosmischen Musik hat der 59jährige Nachfolger auf dem Lehrstuhl des legendären Nobelpreisträgers Richard Feynman einen guten Teil seines Lebens gewidmet. “Gravitation und Relativitätstheorie haben mich schon in der Jugend gepackt. Schon als Student wurde mir klar, daß Gravitationswellen das ideale Mittel sein müßten, um aus der theoretischen Disziplin der raumzeitlichen Krümmung eine beobachtende Wissenschaft zu machen.” Thorne spricht mit leiser Stimme, hat aber, wenn von Gravitationswellen die Rede ist, Gewichtiges zu sagen. Und das nicht nur, weil er dieses 1916 von Albert Einstein vorhergesagte Phänomen schon seit Jahrzehnten erforscht, sondern auch, weil es von wahren Schwergewichten im Kosmos ausgelöst wird. Die Deformationen des Raumzeitgefüges entstehen beispielsweise, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander kollidieren. Bis zu 40 Prozent ihrer Masse werden dabei als Gravitationswellen abgestrahlt. In der Millisekunde des Verschmelzens werden 1052 Watt freigesetzt – soviel Energie wie die Leuchtkraft aller Sterne im beobachtbaren Universum in diesem Moment. Gravitationswellen breiten sich wie elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dabei durchlaufen sie den Raum wie Erdbebenwellen und können Materie durchdringen, ohne nennenswert abgeschwächt zu werden. Doch die Oszillationen sind sehr, sehr schwach: Selbst wenn gerade eine Wellenfront von Milliarden Kilowatt durch unseren Körper liefe, würden wir nichts merken. Der Grund ist die extreme “Steifheit” des Raumes. Einstein hat bewiesen, daß der Raum durch Materie gekrümmt werden kann, und daß die Schwerkraft sich als diese Krümmung beschreiben läßt. Der Raum wird häufig mit einem Gummituch verglichen, das von Massekonzentrationen – beispielsweise Sternen – ausgebeult wird. In Wirklichkeit ist der Raum jedoch unvorstellbare 1043mal steifer als ein Gummituch oder 1032mal steifer als Stahl.
Gravitationswellen machen sich daher nur als winzige Stauchungen und Streckungen bemerkbar. “Dabei werden die Abstände senkrecht zur Ausbreitungsrichtung abwechselnd in eine Dimension gedehnt und in die andere zusammengepreßt. Lange Arme GEO 600 heißt der Detektor, der südlich von Hannover gebaut wird. Er soll in den nächsten Monaten erstmals Gravitationswellen nachweisen. Sie müßten die Laserstrahlen beeinflussen, die in den 600 Meter langen Röhren hin und her laufen. Die Effekte liegen typischerweise in der Größenordnung von 10-21”, rechnet Kip Thorne vor. Das bedeutet, eine Streckenlänge vom Abstand Erde-Sonne würde lediglich um die Größe eines Atomkerns schwanken. Und genau darin liegt das Problem: Denn obwohl der Nachweis der Gravitationswellen in der Theorie einfach ist – benötigt wird nur eine Testmasse und ein Meßgerät für die Vibrationen -, erscheint er in der Praxis unmöglich. Der amerikanische Ingenieur und Physiker Joseph Weber von der University of Maryland dachte bereits Ende der fünfziger Jahre über eine direkte Messung der raumzeitlichen Kräuselungen nach und baute die ersten Detektoren: Aluminiumzylinder von 2 Meter Länge, 0,5 Meter Durchmesser und 1 Tonne Gewicht, die zufällig gerade die richtige Resonanzfrequenz haben, um auf relativ laute kosmische Quellen anzusprechen. Wenn eine Gravitationswelle quer durch einen solchen Zylinder läuft, werden seine Enden um eine Winzigkeit zusammengedrückt und gedehnt. Mit Hilfe piezoelektrischer Kristalle auf der Oberfläche des Zylinders, die eine elektrische Spannung erzeugen, wenn sie einem Druck oder Zug ausgesetzt sind, versuchte Weber diese unmerklichen Oszillationen nachzuweisen – vergebens. Inzwischen ließ sich die Empfindlichkeit der als “Bars” bezeichneten Detektoren um das Tausendfache steigern, und selbst das Quantenrauschen kann unterdrückt oder rechnerisch eliminiert werden. Verschiedene Zylinder und in alle Richtungen lauschende kugelförmige Instrumente in Italien, Holland, Brasilien, Japan, China, Schweiz und USA könnten möglicherweise einen Ausbruch von Gravitationswellen in der Milchstraße nachweisen. Doch solche Ereignisse sind extrem selten. Teurer und technisch aufwendiger, aber auch wesentlich empfindlicher sind die als “Beams” bezeichneten Laser-Interferometer. Die Idee geht auf die russischen Physiker Gerzenstein und Pustowoit sowie Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) zurück. Den ersten Prototyp haben Robert Forward und seine Kollegen 1972 an den Hughes Research Laboratories im kalifornischen Malibu gebaut. Weitere Testanlagen folgten in den achziger Jahren am Caltech, an den Universitäten Glasgow und Tokio sowie am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. “Drei Massen hängen erschütterungsfrei an den Endpunkten und dem Eckpunkt einer L-förmigen Vorrichtung”, erläutert Thorne das Meßprinzip. “Wenn eine Gravitationswelle von oben oder unten durch die Anlage läuft, werden die beiden Strecken des L abwechselnd gedehnt und gestaucht. Die Längendifferenzen können mit Interferometrie gemessen werden.” Dabei jagt ein Laserstrahl durch einen Strahlteiler, der auf der Eckmasse in der Mitte der L-förmigen Konstruktion angebracht ist. Der Strahlteiler spaltet den Strahl, indem er nur eine Hälfte der Photonen durchläßt und die andere ablenkt. Die beiden Strahlen laufen durch die Vakuumröhren entlang der beiden Schenkel des L und werden an ihrem Ende von Spiegeln, die an den Testmassen befestigt sind, zum Strahlteiler zurückgeworfen. Ein Teil des Lichts gelangt dann in eine Fotodetektor. Die Anlage ist so eingestellt, daß sich die überlagernden Laserstrahlen im Fotodetektor durch Interferenz gerade auslöschen. Verändert eine Gravitationswelle die Abstände zwischen den Testmassen vorübergehend geringfügig, ändert sich auch das Interferenzmuster. Dann gelangt ein Teil des Laserstrahls in den Detektor und erlaubt Rückschlüsse über die Veränderung der Meßstrecke.
Durch kilometerlange L-Schenkel sowie vielfache Reflektionen der Laserstrahlen kann die Meßstrecke viel größer gewählt werden als bei den Zylindern. Dadurch läßt sich die Empfindlichkeit beträchtlich steigern. Thorne betont, daß die Interferometer noch einen weiteren Vorteil haben: “Zylinder reagieren nur auf Gravitationswellen einer engen Bandbreite, so daß ein Xylophon vieler verschiedener Zylinder notwendig wäre, um das gesamte Spektrum der Gravitationswellen zu empfangen. Die Testmassen eines Interferometers auf der Erde reagieren dagegen auf alle Frequenzen von mehr als einer Schwingung pro Sekunde mit einer leichten Pendelbewegung, so daß das Interferometer eine große Bandbreite abdeckt und drei oder vier solche Instrumente ausreichen, um die Symphonie der Gravitationswellen vollständig aufzufangen.” Thorne hatte sich bereits Mitte der siebziger Jahre für den Bau von Beam-Detektoren eingesetzt. Nachdem Prototypen die prinzipielle Machbarkeit bewiesen hatten, wurde das Projekt in den späten achtziger Jahren in den USA begonnen. Das 360-Millionen-Dollar-Projekt mit dem Namen LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – besteht aus zwei Interferometern mit jeweils zwei L-förmig angeordneten Vakuumröhren von vier Kilometer Länge. Gebaut und betrieben werden die beiden rund 3000 Kilometer voneinander entfernten Anlagen vom Caltech und vom MIT. Sie stehen bei Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana. Mit den Messungen soll in ein oder zwei Jahren begonnen werden.
LIGO erfordert die Organisation eines Großunternehmens. “Der Wechsel von einem unabhängigen Arbeitsstil zu einer straff organisierten Arbeitsform ist schmerzlich”, bekennt Thorne, der eigentlich lieber in der Dachstube seines Hauses an der Lösung abstrakter physikalischer Probleme knobelt. “Wenn es jedoch gelingt, Gravitationswellen zu entdecken und ihre Botschaft zu entschlüsseln, werden die Freude und die Aufregung darüber die Erinnerung an die negativen Aspekte sicherlich rasch verdrängen.” LIGO ist der größte, aber nicht der einzige Gravitationswellendetektor, der zur Zeit gebaut wird. Die weiteren Projekte sind: GEO 600 – eine deutsch-britische Anlage mit 600 Meter Armlänge, die bei Ruthe, 25 Kilometer südlich von Hannover, gebaut wird. Sie soll ihren Betrieb ungefähr gleichzeitig mit LIGO aufnehmen und aufgrund der neuesten Technologie die gleiche Empfindlichkeit haben, VIRGO – ein französisch-italienischer Detektor mit 3 Kilometer Armlänge im italienischen Cascina bei Pisa, der vielleicht 2003 in Betrieb geht, TAMA 300 – ein 300-Meter-Interferometer des japanischen Nationalen Astronomie-Observatoriums in Mitika bei Tokio, das bereits arbeitet, aber wohl nur für die Entdeckung galaktischer Quellen empfindlich genug ist, AIGO 400 – eine 400 Meter große Anlage in Westaustralien, deren Finanzierung noch nicht gesichert ist. Die Fülle der Anlagen ist keine Folge von Konkurrenzdenken bei der Jagd auf die Raumzeit-Kräuselungen. Die Forscher brauchen mindestens drei Detektoren, um Meßfehler auszuschließen und die Richtung möglicher Quellen anzupeilen, sowie einen vierten, um auch die Theorie der Gravitationswellen selbst zu testen. Insofern werden Astronomie und Grundlagenphysik gleichermaßen von den Detektoren profitieren. Aber auch die Entwicklung hochpräziser und stabiler Laser sowie von optischen und elektronischen Geräten wird durch die Ingenieurskunst der Detektorbauer vorangetrieben.
Eine skurrile Erfindung en passant gelang David Blair von der University of Western Australia bei Perth. Er entdeckte, daß in einem Isolator gegen Vibrationen auch andere Anwendungspotentiale schlummern. Das Gerät besteht aus einer 30 Zentimeter langen Aluminiumplatte, die in einem Titanrahmen aufgehängt ist und auf 0,1 millionstel Millimeter genau ausgerichtet wird. Mit einem optischen Sensor kann dieser Abstand ständig überprüft werden, um die seismischen Störungen zu erfassen. Blairs verblüffende Erkenntnis: Mit dem Gerät läßt sich noch zehn Kilometer von der Küste entfernt die Höhe der Meereswellen mit einem Fehler von zehn Prozent bestimmen – so gut wie mit Bojen auf dem Meer. Surfer haben bereits Interesse gezeigt. Thorne geht es mehr um die Wellen aus dem Weltraum: “Sie erlauben den besten Nachweis, daß Schwarze Löcher wirklich existieren, und die Überprüfung von Einsteins Gravitationsgesetzen. Sie werden es uns vielleicht sogar ermöglichen, dem Moment des Urknalls zu lauschen und neue physikalische Theorien zu testen, die die damals vereinigten Naturkräfte beschreiben. Gravitationswellen sind ein völlig neues Fenster zum All und werden uns wie die kosmischen Radiowellen ganz neue Einsichten ins Universum ermöglichen.” Der Vergleich ist sogar eine Untertreibung. Fast alles, was wir vom Universum wissen, haben elektromagnetische Wellen verraten, von der Radio- bis zur Gammastrahlung. Mit Gravitationswellen wird der Kosmos nicht mehr nur sichtbar sein, sondern erstmals auch hörbar. Trotz der verlorenen Kiste Wein ist Kip Thorne überzeugt, daß der direkte Nachweis der kosmischen Kräuselungen bevorsteht. Befragt, was ihn nach all den Jahren noch immer motiviert, und was ihn bei dem großen technischen Aufwand zum Nachweis der Gravitationswellen am meisten beeindruckt, antwortet er: “Es ist die erstaunliche Fähigkeit des menschlichen Geistes, trotz aller Widrigkeiten Kenntnis über die vielschichtige Natur unseres Universums und Einblick in die tiefgreifende Einfachheit, Eleganz und Schönheit der ihm zugrundeliegenden Gesetze zu erlangen.”
Die Relativitätstheorie auf dem Prüfstand
42 Millibogensekunden groß ist der Winkel, unter dem ein menschliches Haar aus 400 Meter Entfernung erscheint. 42 Millibogensekunden mißt auch die Ablenkung eines rotierenden Kreisels in der Erdumlaufbahn – so sagt es die Allgemeine Relativitätstheorie voraus. Danach schleppt ein massiver Körper wie die Erde bei seiner Drehung die umgebende Raum-Zeit mit wie zähflüssigen Honig. Nächstes Jahr soll nun ein Satellit gestartet werden, der diesen sogenannten Lense-Thirring-Effekt während zwei Jahren mit einem Meßfehler von weniger als einem Prozent überprüft. An Bord des rund 500 Millionen Dollar teuren “Gravity Probe B” der Stanford University und der NASA befinden sich die rundesten Kugeln der Welt mit einer maximalen Abweichung von einem millionstel Zentimeter. Sie rotieren und erzeugen ein Magnetfeld, dessen Achse ihre Kreiselbewegung angibt. Ein anderer Aspekt von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist das Äquivalenzprinzip. Es besagt, daß schwere und träge Masse identisch sind. Die Raumfahrtbehörden ESA und NASA konzipieren gegenwärtig STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle), einen Satelliten, der dieses Prinzip eine millionmal genauer testen soll als alle bisherigen Experimente. Dies erfolgt über Präzisionsmessungen der Bewegung unterschiedlich schwerer Testmassen in einer 400 Kilometer hohen Erdumlaufbahn. Hat Einstein recht, darf STEP keinen Unterschied im freien Fall dieser Körper entdecken.
Quellen der Wellen
Gravitationswellen entstehen bei der Beschleunigung von Materie, beispielsweise beim Kollaps oder der Rotation großer, kompakter Massen. Indirekt ist der Nachweis bereits geglückt. 1974 haben Joseph Taylor und Russell Hulse von der Princeton University zwei Neutronensterne im Sternbild Adler entdeckt, die sich gegenseitig umkreisen. Von einem gelangen Radiopulse in extremer Regelmäßigkeit zur Erde – mit einer Genauigkeit von drei millionstel Sekunden. Taylor und Hulse fanden Abweichungen dieser hochpräzisen “Uhr” und schlossen daraus, daß die Bahnen der Neutronensterne um drei Millimeter pro Umlauf schrumpfen – eine Folge des Energieverlusts durch die Abstrahlung von Gravitationswellen. Für ihre Entdeckung erhielten Hulse und Taylor 1993 den Nobelpreis für Physik. Die Astronomen unterscheiden verschiedene Klassen von Gravitationswellen-Quellen: Bursts sind kurze Emissionen von Gravitationswellen, die nur Sekundenbruchteile dauern, aber mehr Energie abstrahlen können als unsere Sonne in Form von Wärme während ihrer gesamten Existenz. Sie entstehen bei der Explosion eines Sterns, beim Kollaps eines Sternhaufens zu einem galaktischen Schwarzen Loch oder bei der Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem galaktischen Schwarzen Loch und sind auch auf der Erde nachweisbar.
Periodische Gravitationswellen können wegen der seismischen Störungen auf der Erde nur vom Weltraum aus nachgewiesen werden. Dazu ist ein Satelliten-Interferometer mit Millionen Kilometer Basislänge nötig, dessen Start nach den Plänen der Raumfahrtagenturen ESA und NASA vielleicht schon im Jahr 2008 erfolgen könnte. Ursprung dieser langwelligen Gravitationsstrahlung sind Doppelsterne, die sich umkreisen, rotierende Neutronensterne (Pulsare), Vibrationen von Neutronensternen. Der stochastische Gravitationswellenhintergrund entsteht durch die Überlagerung vieler ferner periodischer Vorgänge sowie schwacher oder weit entfernter Einzelereignisse. Dazu gehören Gravitationsbremsstrahlung, die entsteht, wenn zwei Sterne mit hoher Geschwindigkeit aneinander vorbeifliegen, Kollisionen der ersten Sterne, Vorgänge im frühen Universum, die zur Bildung von Störungen im Raumzeitgefüge geführt haben sowie Relikte des Urknalls selbst. Die Häufigkeit, Stärke, Entfernung und Natur all dieser Quellen sind freilich noch weitgehend unbekannt. “Es ist sehr wahrscheinlich, daß die Gravitationswellen, die wir aufspüren werden, hauptsächlich von Quellen kommen, an die wir nicht gedacht oder deren Stärke wir unterschätzt haben”, spekuliert Prof. Karsten Danzmann von der Universität Hannover. rv
Infos im Internet
Geo 600: http://www.geo600.uni-hannover.de/
Ligo: http://www.ligo.caltech.edu/
Rüdiger Vaas
