Im Sternenkino gibt’s jetzt Ton – Seite 1

Was für ein Auftrieb! Letztmals sah man das bei der Entzifferung des Humangenoms: Zeitgleiche Pressekonferenzen in den USA und in Europa, simultane Berichte in den führenden (sonst konkurrierenden) Fachjournalen Science und Nature und derart viele neue Erkenntnisse, dass die Artikel dazu noch weitere Fachblätter füllten. Lange war die Wissenschaft nicht mehr so aus dem Häuschen.

Von einer "neuen Ära" ist jetzt die Rede, von einer historischen Entdeckung. Selbst die Tagesschau berichtete ausführlich (wenn auch missverständlich) über Gravitationswellen; ein deutliches Zittern durchlief da den medialen Raum. Am Ende jedoch dürften viele nicht so recht begriffen haben, worum sich die Aufregung genau dreht. Irgendetwas mit Neutronensternen und Gravitationswellen, mit Gold und Gammablitzen.

Aber wie das alles zusammenhängt? Tatsächlich ist genau dies das Besondere: Es handelt sich nicht um eine einzige Entdeckung, sondern um mehrere bahnbrechende Erkenntnisse, die sich gegenseitig bedingen. Gerade die Tatsache, dass sie parallel entschlüsselt werden konnten, hebt die moderne Astronomie nun auf eine neue Stufe.

© ZEIT-Grafik

Man müsse sich das vorstellen, wie "den Übergang vom Stummfilm zum Tonfilm". So erklärte der Physiker David Reitze auf der Pressekonferenz in Washington die Bedeutung des aktuellen Fundes. Denn bisher konnte man Sterne, Galaxien und andere Himmelskörper nur sehen – sowohl mit bloßem Auge (im optischen Bereich) als auch mit Teleskopen, die vom Röntgen- bis zum Infrarotbereich alle Frequenzen abdecken. Technisch alles beeindruckend, aber eben auf Lichtsignale (also elektromagnetische) begrenzt.

Nun haben die Astronomen eine weitere Sinneswahrnehmung hinzugewonnen: Mithilfe der Gravitationswellen können sie stellare Objekte auch hören – zwar nicht im tatsächlichen, aber im übertragenen Sinne. Denn wie von Albert Einstein vor hundert Jahren vorhergesagt, verändern die Gravitationswellen den Raum an sich. Die Instrumente, die sie auffangen, sind daher auch keine Teleskope im üblichen Sinne. "Sie gleichen eher Mikrofonen, die aufzeichnen, wie der Raum schwingt", erklärt der deutsche Astrophysiker Frank Ohme.

Nun ist eine solche Raumschwingung kaum vorstellbar. Sie entsteht, wenn extrem schwere Massen in Schwung geraten – etwa Schwarze Löcher im All. Selbst dann durchläuft den Raum nur ein minimales Zittern, so fein, dass selbst Einstein dachte, es ließe sich niemals messen. Doch fast auf den Tag genau hundert Jahre nachdem Einstein das Phänomen vorhergesagt hatte, gelang im Februar 2016 der erste Nachweis von Gravitationswellen – eine Entdeckung, der erst kürzlich der Nobelpreis zugesprochen wurde.

Diese Woche folgt nun der nächste Paukenschlag. Zum ersten Mal ist es Astronomen gelungen, ein kosmisches Mega-Ereignis mit Gravitationswellen zu hören und zugleich mit Teleskopen zu sehen – statt stummer Bilder haben sie eine Art Sound-and-Light-Show aufgezeichnet. Dabei wurde auf der kosmischen Bühne ein besonderes Spektakel aufgeführt: Der Todestanz zweier Neutronensterne, die sich immer schneller umkreisen und am Ende in einem gewaltigen Lichtblitz verschmelzen.

Aus den jetzigen Beobachtungen lernt man aber nicht nur etwas über Neutronensterne. Quasi nebenbei wurde auch das Geheimnis der noch unverstandenen Gammablitze entschlüsselt (gewaltiger Ausbrüche elektromagnetischer Strahlung). Zudem konnten Astronomen nachweisen, dass bei einer solchen Sternenkollision tonnenweise schwere Elemente wie Gold und Platin ins Universum geschleudert werden – ein Umstand, der David Reitze dazu brachte, auf der Pressekonferenz die goldene Uhr seines Großvaters hochzuhalten und dem staunenden Publikum zu erklären, dass letztlich einem solchen Mega-Ereignis das Gold seines Chronometers entstamme.

Erstaunlich ist die jetzt vorgestellte Entdeckung nicht allein wegen der Einzelergebnisse. Bemerkenswert ist auch die weltweite Kooperation von Forschern, die dazu führte. Insgesamt 70 Observatorien rund um den Globus waren daran beteiligt, inklusive mehrerer im Weltall kreisender Teleskope. Wohl noch nie in der Geschichte der Wissenschaft hat es eine derartige, weltumspannende Gemeinschaftsaktion gegeben.

Sie begann am 17. August 2017 um 14.41 Uhr deutscher Zeit: Da registrierten die riesigen Detektoren des Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana das Heranrollen einer Gravitationswelle. Zeitgleich fing auch der VIRGO-Detektor bei Pisa ein Signal auf. Gemeinsam konnten die Forscher in den USA und Italien den Ursprung des Raum-Zitterns bestimmen: Es lag in der Galaxie NGC 4993 im Sternbild Wasserschlange, rund 130 Millionen Lichtjahre entfernt – aus kosmischer Sicht in nächster Nähe.

Zwei Sekunden nach dem Empfang des mysteriösen Signals auf Erden schlugen die Weltraumteleskope Fermi und Integral Alarm: Sie fingen just in der Galaxie NGC 4993 einen Ausbruch energiereicher Gammastrahlung auf – da dämmerte den Forschern, dass sie auf der Spur von etwas Großem waren.

Die Weltöffentlichkeit war derweil mit dem Terror beschäftigt: Am selben Tag hatten Attentäter in Barcelona einen Anschlag verübt. Während sich weltweit Angst und Entsetzen verbreitete, demonstrierte die Wissenschaft im Stillen den Wert friedlicher Kooperation. Alarmiert von den Gravitationswellenforschern, warfen zahllose Observatorien spontan ihre Beobachtungspläne um und peilten das Sternbild Wasserschlange an. Am Ende beteiligten sich Tausende Forscher an der Jagd auf "GW170817" (wie das Ereignis nach der Gravitationswelle am 17.8.17 genannt wurde).

"Neue Ära der Multi-Messenger-Astronomie"

Natürlich blieb die Sensation nicht lange geheim. "Neues von LIGO. Quelle mit optischem Gegenstück. Das haut dich von den Socken!", twitterte am 18. August der Astronom J. Craig Wheeler aufgeregt. Ein paar Tage später vermeldete ein anderer Tweet, das Hubble-Teleskop habe die Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachtet. Doch als der Astronomen-Gemeinde dämmerte, wie groß die Sensation wirklich war, wurden alle Beteiligten zum Stillhalten verdonnert. Nachrichten wurden gelöscht, und Wheeler entschuldigte sich auf Twitter: "Richtig oder falsch, ich hätte diesen Tweet nicht absenden sollen. LIGO verdient die Bekanntgabe, sobald sie es für angemessen erachten. Mea culpa."

Anfang dieser Woche durften die Forscher endlich ihre Sensation verkünden. Und weil daran so viele beteiligt waren, sprengte die Präsentation alle normalen Maßstäbe. Pressekonferenzen wurden zweigeteilt, weil auf einmal gar nicht alle Ergebnisse präsentiert werden konnten. In Nature und Science erschienen je sieben Artikel; ein weiteres Paper in Physical Review Letters war von rund 4000 (!) Autoren unterzeichnet.

Warum sorgt GW170817 für so viel Erregung? Zum einen haben die Forscher Gravitationswellen völlig neuer Art aufgefangen. Anders als die bis dahin bekannten Funde – die von der Verschmelzung Schwarzer Löcher herrührten – stammen die aktuellen Wellen von der Kollision zweier Neutronensterne. Für den Laien mag das Jacke wie Hose sein. Für Astronomen ist der Unterschied entscheidend. Schwarze Löcher sind gewaltige Schwerkraftmonster, die aus dem Kollaps massereicher Sterne entstehen. Wenn zwei davon zusammenprallen, entstehen Gravitationswellen. Diese sind kurz, passieren uns in weniger als einer Sekunde. Zudem senden sie keine elektromagnetische Strahlung aus, also kein Licht.

Ganz anders Neutronensterne. Sie entstehen, wenn kleinere Sterne ihren Brennstoff verbraucht haben und in sich zusammenstürzen. Mit einem Durchmesser von rund 20 Kilometern sind sie für kosmische Verhältnisse winzig, enthalten aber etwa so viel Masse wie eine Sonne. Wenn zwei solcher Objekte aufeinandertreffen, beginnen sie einander zu umkreisen, erst langsam, dann immer schneller, bis sie am Ende in einem gewaltigen Lichtblitz verglühen. Dabei geben sie Gravitationswellen ab, die zwar erheblich schwächer sind als jene von kollabierenden Schwarzen Löchern, die aber deutlich länger dauern. Das von LIGO und Virgo aufgefangene Signal hielt fast zwei Minuten an – ein lang gezogener Todesschrei der beiden Neutronensterne. Aus solch einer Messung kann man sehr viel mehr Informationen ziehen als aus dem sekundenkurzen Zittern, das von Schwarzen Löchern herrührt.

So konnten die Forscher erstmals in Ruhe dem Verglühen der Neutronensterne in einer Kilonova zusehen (so genannt, weil sie tausendmal so hell ist wie eine normale Nova, eine Sternexplosion). Die Messungen bestätigen nicht nur die lange gehegte Vermutung, dass dabei radioaktives Material ins All geschleudert wird, sondern auch, dass schwere chemische Elemente wie Gold, Platin und Uran ihren Ursprung in Kilonovae haben.

Zudem entschlüsselten die Forscher ein Geheimnis, das sie schon lange umtrieb: das der Gammablitze. Entdeckt wurden sie Ende der sechziger Jahre von Satelliten, die Spuren von Kernwaffenexplosionen nachweisen sollten. Dabei stießen sie auf merkwürdige Strahlungsausbrüche im hochfrequenten Bereich, noch jenseits der Röntgenstrahlung. Mal traten diese Gammastrahlen sekundenlang auf, mal dauerten sie mehr als eine halbe Minute – doch nie gelang es, die Quelle der seltsamen Lichtblitze ausfindig zu machen. Nun liefert GW170817 den lange gesuchten Nachweis, dass zumindest die kurzen Gammablitze aus der Verschmelzung von Neutronensternen stammen.

Damit nicht genug. Selbst Rückschlüsse auf die Entwicklung des Weltalls lässt das Ereignis zu. Es hilft, die entscheidende Maßzahl für die Ausdehnung des Universums – die Hubble-Konstante – genauer zu bestimmen. Üblicherweise lässt sich die Entfernung von Galaxien nur schwer schätzen. Die Kombination von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen hingegen erlaubt es, die Entfernung der Neutronensterne in NGC 4993 präzise zu bestimmen. Der daraus abgeleitete Wert für die Hubble-Konstante beträgt 70 (Maßeinheit: Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec); er ist künftig die Richtschnur für viele andere Messungen.

Kein Wunder also, dass die Forscher von einer "neuen Ära der Multi-Messenger-Astronomie" schwärmen. Nahezu über Nacht haben ihre stummen Bilder Ton bekommen, ein historischer Sprung, den manche begeisterungstrunken mit der Zeit vor 400 Jahren vergleichen, als Galileo Galilei erstmals sein Teleskop auf die Monde des Jupiter richtete und das Zeitalter der optischen Astronomie einleitete.

Nun muss das alles wissenschaftlich verdaut werden. Das haben auch jene Forscher gemerkt, die diese Woche zur Konferenz über die "Zukunft der Gravitationswellen-Astronomie" in Berlin anreisten. Der Termin war lange verabredet, als noch niemand von der Sensation ahnte. "Wir müssen uns erst mal sortieren", sagt der Organisator Frank Ohme vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. "Die meisten Teilnehmer standen die letzten vier Wochen total unter Strom, haben durchgearbeitet und wenig geschlafen." Da werde auf dem Berliner Treffen wohl nicht nur stringent diskutiert werden. "Viele wollen jetzt erst einmal die Feierstimmung mitnehmen." Es sei ihnen gegönnt.