Gesucht: Einsteins letztes Hirngespinst

Carlo Bradaschia steht vor einer fensterlosen Halle, von der eine blaue Röhre im Format eines U-Bahn-Tunnels abzweigt. Langsam weist der Physiker mit dem Zeigefinger durch die Toskana: in die Ferne, nach Westen, immer an dem Rohr entlang, das erst nach drei Kilometern am Horizont in einem halbrunden Bau endet. "Dort hört die Anlage auf", erklärt er. Dann dreht sich Bradaschia um exakt 90 Grad nach rechts, in Richtung Norden, und zeigt auf ein zweites, identisches Rohr – ebenfalls drei Kilometer lang und im selben Blauton lackiert.

Das Observatorium ist so prägnant, dass es sich leicht auf dem Satellitenbild finden lässt: zwei scharfe, wie mit dem Geodreieck gezogene Linien in einem braun-grünen Flickenteppich aus Äckern und Weiden. Der rechte Winkel im Kilometermaßstab fungiert als Superpräzisionslineal: In beiden Röhren laufen Laserstrahlen hin und her. Dann treffen sie sich in der fensterlosen Halle. "Indem wir die Überlagerung der Laserstrahlen beobachten, messen wir winzigste Längenänderungen", sagt Bradaschia, Physiker am European Gravitational Observatory in Pisa. "Änderungen von einem Billiardstel Millimeter, viel weniger als der Durchmesser eines Atomkerns."

Der Riesenaufwand für die Minimessung gilt einer der skurrilsten Vorhersagen aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie: dass die Schwerkraft als Welle durch Raum und Zeit eilt. Es ist zudem die letzte große Idee des Genies, die noch nicht durch Messung bestätigt oder widerlegt wurde.

Vielleicht ist es ein epochales Stück Physik. Oder Einsteins letztes Hirngespinst.

Um das zu klären, wurden in den USA, Deutschland und Italien vier Riesendetektoren gebaut. Aber weder Virgo in der Toskana noch eine der anderen Anlagen fing auch nur den Hauch einer Welle auf. Darum haben die Physiker ihre Apparate in Italien und den USA nun aufgemotzt. "Das erhöht die Chancen auf eine Entdeckung drastisch", sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. Noch im September hoffen die Forscher auf erste Daten.

Auf sie wartet die Wissenschaft mit Spannung. Als Albert Einstein 1915 seine allgemeine Relativitätstheorie vorstellte, zeichnete er ein komplett neues Bild der Gravitation. Bis dahin hatte gegolten, dass die Anziehungskraft ohne jeglichen Zeitverzug zwischen zwei Massen wirkt – egal, wie weit diese voneinander entfernt sind. Einstein glaubte hingegen, Schwerkraft entstehe, weil Masse den Raum und die Zeit krümme. Das Entscheidende: Die Raumzeit lasse sich nicht unendlich schnell verbiegen, sondern nur mit Lichtgeschwindigkeit.

Geraten irgendwo im Weltall mächtige Massen in Wallung, etwa indem zwei Schwarze Löcher kollidieren, sollte das regelrechte Dellen in die Raumzeit schlagen, die lichtschnell durch den Kosmos rasen – und dabei die Bahn der Erde kreuzen könnten. Theoretisch.

Der bis dato einzige Hinweis, dass Gravitationswellen mehr sind als ein Hirngespinst, stammt aus dem Jahr 1979. Mit einem Radioteleskop hatten die US-Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor ein Neutronensternpärchen inspiziert und festgestellt, dass sich die beiden kompakten Sternleichen mit der Zeit immer enger umkreisten. Ganz offensichtlich verloren sie Energie – indem sie Gravitationswellen abstrahlten? 1993 erhielten Taylor und Hulse den Physik-Nobelpreis. Im Frühling vergangenen Jahres wollten Forscher dann am Südpol mit dem Teleskop Bicep2 Spuren von Gravitationswellen in kosmischer Hintergrundstrahlung gemessen haben. Doch ihr Fund entpuppte sich als Ente (ZEIT Nr. 6/15).

Hoffen auf die Gravitationswelle

Tatsächlich aufspüren wollen Physiker die Dellen in der Raumzeit mit einem Messverfahren, das kleinste Längenänderungen sichtbar macht, dem Laserinterferometer. "Allerdings braucht man kilometergroße Geräte", sagt Karsten Danzmann.

Von 2005 bis 2012 lauschten diese Detektoren nach Signalen aus dem All, mit ernüchterndem Resultat. "Bislang wurde noch keine Gravitationswelle gemessen", sagt Geo600-Projektleiter Hartmut Grote vom MPI in Hannover. Die Geräte waren allerdings darauf angewiesen, dass in ihrer kosmischen Nachbarschaft zufällig etwas Gewaltiges passiert, dass Neutronensterne zusammenprallen oder sich eine Supernova abspielt – was zwischen 2005 und 2012 einfach nicht geschah. Deshalb haben die Physiker ihre Anlagen nun mit besseren Spiegeln, Lasern und Sensoren gespickt.

Dem Ersten, der die Wellen misst, winkt wohl ein Nobelpreis

Bei Virgo ist Carlo Bradaschia in das Zentralgebäude gestapft. Er will zeigen, wie genau es im Inneren des gigantischen Messgerätes aussieht. Eine Scheibe aus hochreinem Quarz hängt in der Halle, sie ist zentnerschwer und groß wie ein Autoreifen. Sie ist einer der Spiegel, die das Laserlicht in den beiden blau lackierten, luftleer gepumpten Röhren hin- und herreflektieren. Anschließend sorgt ein weiterer Spiegel dafür, dass sich beide Strahlen überlagern. So entsteht ein Hell-dunkel-Muster. "Sollte eine Gravitationswelle durch Virgo laufen, würde die eine Röhre ein bisschen gestreckt, die andere ein wenig gestaucht", erläutert Bradaschias Kollege Henrich Heitmann, technischer Manager von Virgo. "Das sollte sich durch ein kurzes Zittern im Hell-dunkel-Muster verraten."

Das Problem: Auch Störungen von außen können das Muster erzittern lassen. "Wir sind mitten in der Toskana", sagt Heitmann. "Hier fahren Lastwagen vorbei, und die Brandung des Mittelmeers macht sich bemerkbar." Hinzu kommen das seismische Zittern des Erdbodens, der nirgends auf der Erde ganz still hält. Allesamt Vibrationen, die dem Detektor eine Gravitationswelle vorgaukeln könnten – weshalb die Physiker ihre Spiegel gegen mechanische Erschütterungen zu schützen versuchen.

Deshalb haben die Fachleute ihren Laser getunt. Auf dem Weg zum Labor zieht sich Henrich Heitmann Kittel und Überschuhe an und setzt sich eine klobige Schutzbrille auf die Nase. Drinnen zeigt er auf einen nagelneuen Spezialtisch, auf dem Aberdutzende von Optikelementen herumstehen. "Diese komplexe Optik macht unseren Laser höchst stabil, weder Leistung noch Frequenz schwanken", erläutert Heitmann. Während der alte Laser nur ein Watt schaffte, soll es der neue bei gleicher Präzision auf 50, später auf 200 Watt bringen – was einiges an Tüftelarbeit verlangt.

Ende 2016 sollen die Umbauarbeiten fertig sein und die Messungen anlaufen. Das Ziel: Gegenüber der ersten Generation soll die Messempfindlichkeit um das Zehnfache steigen. Die Experten könnten dann zehnmal tiefer ins All schauen. Verzehnfacht sich der Radius einer Kugel, wächst ihr Volumen um das Tausendfache – und deshalb vertausendfacht sich auch die Wahrscheinlichkeit, endlich eine Gravitationswelle aufzuschnappen.

Erster zu sein, dafür haben die Wissenschaftler an den beiden amerikanischen Detektoren mit Namen Ligo die besten Karten. "Der Umbau ist fertig, und im September starten wir mit einer ersten, dreimonatigen Messphase", sagt Ligo-Physiker Albert Lazzarini vom California Institute of Technology. Es wird ein Testlauf, um Komponenten nachzujustieren und Macken auszumerzen. "Nächstes Jahr wollen wir dann sechs Monate lang messen", sagt Lazzarini. "Die Chancen, schon dann eine Gravitationswelle aufzuspüren, dürften bei immerhin 60 Prozent liegen." Es könnte, 101 Jahre nach der Theorie, die experimentelle Bestätigung Einsteins sein.

Sollte es hingegen nicht gelingen, die Erschütterungen in der Raumzeit auf der Erde zu messen, müssten sich die Physiker bis zum Jahr 2034 gedulden. Dann soll die europäische Weltraummission eLisa starten. Sie besteht aus drei Satelliten, die ein Dreieck aufspannen und Laserstrahlen hin und her schießen können, ganz ähnlich wie in Carlo Bradaschias rechtem Winkel bei Pisa, bloß viel größer. Eine Strecke von einer Million Kilometern müssten die Strahlen zurücklegen. "Eine irre Herausforderung", sagt Dieter Kolbe, Ingenieur in der Raumfahrtsparte von Airbus. "Wir müssen herausfinden, wie man mit dem Laser auf solche Entfernungen genau genug zielen kann."

Das alles ist so heikel, dass der nötige Mechanismus Ende dieses Jahres in einer eigenen, 400 Millionen Euro teuren Testmission erprobt wird: Im Inneren des Satelliten Lisa Pathfinder steckt eine wäschetrommelähnliche Box, die zwei Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung enthält. Für November ist der Start des Satelliten geplant, gerade ist er unterwegs zum Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana. Einmal im All, soll er einen Punkt ansteuern, an dem sich die Schwerkraftfelder von Sonne und Erde aufheben. Dort wird eine Mechanik die beiden Würfel in die nahezu perfekte Schwerelosigkeit entlassen, wo sie auf Armlänge voneinander entfernt schweben. "Anschließend soll ein Laser erfassen, wie sich der Abstand der Würfel verändert", sagt Kolbe. "Das wollen wir bis auf einen Milliardstel Millimeter genau messen." Der Hannoveraner Karsten Danzmann ist einer der wissenschaftlichen Leiter des Projekts, das sozusagen für die Gravitationswellenjagd die höchste Eskalationsstufe vorbereitet.

Die geheimnisvollen Erschütterungen versprechen eine neue Astronomie

Bis es so weit ist, suchen die Forscher auf der Erde weiter. Einstweilen hat das amerikanische Ligo- gegenüber dem europäischen Virgo-Projekt einen Vorsprung von ein bis zwei Jahren. Zwar arbeiten beide Teams eng zusammen und tauschen etwa Daten aus. Dennoch herrscht zwischen ihnen eine gewisse Konkurrenz – immerhin gilt der erste Nachweis von Gravitationswellen als nobelpreiswürdig. "Hat Ligo das Glück, innerhalb der nächsten beiden Jahre eine Welle zu detektieren, dürfte der Nobelpreis in die USA gehen", schätzt Hartmut Grote vom Albert-Einstein-Institut, der das kleinere deutsche Gravitationswellenprojekt Geo600 südlich von Hannover leitet.

Das Wettrennen und auch die Bestätigung der Einsteinschen Vermutung sollen aber nur der erste Schritt sein – in eine ganz neue Astronomie. Bisher verraten uns nur elektromagnetische Wellen (also sichtbares Licht, infrarote, ultraviolette, Radio-, Röntgen- und Gammastrahlung), was im Kosmos geschieht. Sollte aber Einstein recht behalten, wollen die Fachleute jede aufgeschnappte Raumzeitdelle haarklein analysieren und so den Ablauf kosmischer Großereignisse klären. "Die Signale von zwei kollidierenden Neutronensternen könnten uns verraten, wie diese Sterne im Detail zusammengesetzt sind", spekuliert Luciano Rezzolla aus Frankfurt. "Das wäre wie ein Fingerabdruck: Jeder Typus von Neutronenstern würde einen anderen Gravitationswellenabdruck hinterlassen." Der Frankfurter Theoretiker arbeitet selbst nicht an den Gravitationswellendetektoren mit, will aber deren Messdaten nutzen, um seine Modellrechnungen zu prüfen.

Prognosen sind schwer

Fraglich ist unter anderem, ob kollidierende Neutronensterne hinter jenen ominösen Gammastrahlenausbrüchen stecken, die Physiker immer wieder beobachten. Dieses kosmische Phänomen setzt binnen Sekundenbruchteilen ebenso viel Energie frei wie eine Galaxie in einem ganzen Jahr. "Würden wir eine solche Gravitationswelle messen, wäre das ein überzeugendes Indiz dafür, dass die Ausbrüche tatsächlich von kollidierenden Neutronensternen verursacht werden", schätzt Rezzolla.

Andere Fachleute mutmaßen, dass es da draußen Schwarze Löcher gibt, die einander umkreisen und schließlich aufeinander zustürzen. Allerdings wäre dieser Tanz für gewöhnliche Teleskope unsichtbar, denn Schwarze Löcher geben weder Licht noch andere elektromagnetische Strahlung von sich. "Doch die beiden kollidierenden Löcher müssten Gravitationswellen aussenden", sagt Jan Steinhoff vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam. "Würden wir diese Signale auffangen, wäre bewiesen, dass solche Binärsysteme existieren."

Es ist ein Umstand, der für die Geschichte der Galaxien wichtig sein könnte. Auch inmitten unserer Milchstraße dürfte ein riesiges Schwarzes Loch ruhen. Gravitationswellen sollen aufklären, ob sich das Schwerkraftmonster einst durch Kollisionen kleinerer Löcher gebildet hat. "Wir können uns heute noch gar nicht ausmalen, was wir alles aus Gravitationswellen lernen werden", sagt Danzmann und spekuliert: "In einigen Jahren werden wir eine blühende Gravitationswellenastronomie vorfinden!" Dann sollen Ligo, Virgo und auch der Kagra-Detektor, an dem die Japaner gerade bauen, ein regelrechtes Messnetz für Gravitationswellen aufspannen: Registrierten alle Anlagen gleichzeitig ein Signal, ließe sich per Peilung dessen Herkunftsrichtung bestimmen.

Von der Häufigkeit solcher Messungen wird abhängen, ob die Physiker das Versprechen eines neuen Blicks in den Kosmos einlösen können. Prognosen sind schwer. Denn die Gravitationswellenjäger sind auf Schätzungen von Astronomen darüber angewiesen, wie oft überhaupt messbare Ereignisse im All passieren – etwa ein Zusammenstoß zweier Neutronensterne in Reichweite der Detektoren. Das Problem: Ihre Modelle basieren auf dünnen Messdaten aus der Beobachtung weniger Doppelsternsysteme. "Wir sind durchaus nervös", gibt Luciano Rezzolla zu. "Bei den Schätzungen über die Ereignisraten gibt es große Unsicherheiten. Wir müssen einfach darauf hoffen, dass es genug Ereignisse gibt."

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