Wissenschaftler haben auf der Erde erstmals sogenannte Gravitationswellen beobachtet, die von einem gewaltigen Ereignis im fernen Universum erzeugt wurden. Gravitationswellen sind Störungen im Gefüge der Raumzeit. Das bestätigt eine wichtige Voraussage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahre 1915 und öffnet ein beispielloses neues Fenster zum Universum.
Gravitationswellen tragen Informationen über ihren dramatischen Ursprung und über die Natur der Gravitation, die nicht auf andere Weise gewonnen werden können. Physiker haben die Schlussfolgerung gezogen, dass die registrierten Gravitationswellen während des letzten Sekundenbruchteils einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löchern erzeugt wurden, wobei ein einziges massereicheres, rotierendes Schwarzes Loch entstand. Solch eine Kollision zweier Schwarzen Löcher war zwar vorhergesagt, aber bisher nie beobachtet worden.
Die Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 um 09:51 Uhr UTC von den beiden Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) registriert. Die LIGO-Observatorien werden von der National Science Foundation (NSF) finanziert und wurden vom Caltech und MIT entworfen und konstruiert, die sie auch betreiben. Die Entdeckung wurde zur Veröffentlichung im Journal Physical Review Letters eingereicht. Die LIGO Scientific Collaboration (zu der die GEO Collaboration und das Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy gehören) und die Virgo Collaboration nutzten dafür Daten der beiden LIGO-Detektoren.
Basierend auf den beobachteten Signalen schätzen die LIGO-Wissenschaftler, dass die Schwarzen Löcher, die an diesem Ereignis beteiligt waren, etwa 29 und 36 Mal massereicher als die Sonne waren. Das Ereignis selbst fand vor 1,3 Milliarden Jahren statt. Etwa drei Sonnenmassen wurden binnen eines Sekundenbruchteils in Gravitationswellen umgewandelt, wobei der maximale Energieausstoß etwa dem 50-fachen des gesamten sichtbaren Universums entsprach. Aus der Betrachtung der Ankunftszeiten des Signals (der Detektor in Livingston zeichnete das Ereignis sieben Millisekunden vor dem Detektor in Hanford auf) können Wissenschaftler ableiten, dass sich die Quelle am Himmel über der Südhalbkugel befand.
Der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verliert ein Paar einander umkreisender Schwarzer Löcher Energie durch die Emission von Gravitationswellen. Dadurch nähern sie sich im Verlauf von Milliarden Jahren langsam einander an und in den letzten Minuten immer schneller. Während des letzten Sekundenbruchteils kollidieren die beiden Schwarzen Löcher bei fast halber Lichtgeschwindigkeit und bilden ein einziges, massereicheres Schwarzes Loch. Ein Teil der gemeinsamen Masse der beiden Schwarzen Löcher wird gemäß Einsteins Formel E=mc2 in Energie umgewandelt. Diese Energie wird als ein letzter, starker Gravitationswellenausbruch emittiert. Es sind diese Gravitationswellen, die LIGO registriert hat.
Die Existenz von Gravitationswellen wurde erstmals in den 1970er und 1980er Jahren von Joseph Taylor Jr. und seinen Kollegen veranschaulicht. Taylor und Russel Hulse entdeckten 1974 ein Doppelsternsystem aus einem Pulsar und einem Neutronenstern. Taylor und Joel M. Weisberg stellten 1982 fest, dass die Umlaufbahn des Pulsars mit der Zeit langsam kleiner wurde, was auf die Freisetzung von Energie in Form von Gravitationswellen zurückgeführt wurde. Für die Entdeckung des Pulsars und den Beleg, der diese besondere Gravitationswellenmessung möglich machen würde, erhielten Hulse und Taylor 1993 den Nobelpreis für Physik.
Die neue LIGO-Entdeckung ist die erste Beobachtung von Gravitationswellen selbst, ermöglicht durch die Messung der winzigen Störungen, welche die Wellen in der Raumzeit hervorrufen, wenn sie die Erde durchdringen. „Unsere Beobachtung von Gravitationswellen erfüllt ein ambitioniertes Ziel, das vor über fünf Jahrzehnten gesetzt wurde, um dieses schwer fassbare Phänomen direkt nachzuweisen und das Universum besser zu verstehen. Und passenderweise wird es Einsteins Vermächtnis bezüglich des 100sten Jubiläums seiner allgemeinen Relativitätstheorie gerecht“, sagte David H. Reitze vom Caltech, der geschäftsführende Direktor des LIGO Laboratory.
Die Entdeckung war möglich dank der verbesserten Fähigkeiten von Advanced LIGO, einem bedeutenden Upgrade, das die Empfindlichkeit der Instrumente verglichen mit der ersten Generation der LIGO-Detektoren erhöhte. Auf diese Weise konnte ein größeres Raumvolumen untersucht werden und so gelang die Entdeckung von Gravitationswellen während seines ersten Beobachtungslaufs. Die US National Science Foundation stellt die finanzielle Unterstützung für Advanced LIGO bereit. Die finanzierenden Organisationen in Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), im Vereinigten Königreich (Science and Technology Facilities Council, STFC) und Australien (Australian Research Council) lieferten ebenfalls entscheidende Beiträge zu dem Projekt.
Mehrere der Schlüsseltechnologien, die Advanced LIGO so viel empfindlicher machten, wurden von der GEO Collaboration in Deutschland und Großbritannien entwickelt und getestet. Wichtige Computerressourcen wurden vom Atlas Cluster des Albert-Einstein-Instituts Hannover, vom LIGO Observatory, von der Syracuse University und der University of Wisconsin in Milwaukee bereitgestellt. Schlüsselkomponenten von Advanced LIGO wurden an mehreren Universitäten entwickelt, konstruiert und getestet: der Australian National University, der University of Adelaide, der University of Florida, der Stanford University, der Columbia University of the City of New York, und der Louisiana State University.
„Im Jahr 1992, als die erste Finanzierung von LIGO genehmigt wurde, war dies die größte Investition, die die NSF jemals getätigt hatte“, sagte France Córdova, die Direktorin der NSF. „Es war ein großes Risiko. Aber die National Science Foundation ist die Agentur, die diese Art von Risiken eingeht. Wir unterstützen Grundlagenwissenschaft und Technologie an einem Punkt auf der Straße zur Entdeckung, wo der Weg alles andere als leicht ist. Wir finanzieren Pioniere. Darum werden die Vereinigten Staaten auch weiterhin ein globaler Führer bei dem Erwerb von Wissen sein.“
Die LIGO-Forschung wird von der LIGO Scientific Collaboration (LSC) durchgeführt, einer Gruppe mit mehr als 1.000 Wissenschaftlern von Universitäten in den gesamten Vereinigten Staaten und 14 anderen Ländern. Über 90 Universitäten und Forschungsinstitute in der LSC entwickeln Detektortechnologie und analysieren Daten. Fast 250 Studenten liefern wertvolle Beiträge zu der Collaboration. Das LSC-Detektornetzwerk umfasst die LIGO-Interferometer und den GEO600-Detektor. Zu dem GEO-Team gehören Forscher des Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institute, AEI), der Leibniz Universität Hannover und Partner an der University of Glasgow, der Cardiff University, der University of Birmingham, anderen Universitäten im Vereinigten Königreich und der University of the Balearic Islands in Spanien.
„Dieser Nachweis ist der Beginn einer neuen Ära: Das Gebiet der Gravitationswellenastronomie ist jetzt Realität“, sagte Gabriela González, LSC-Sprecherin und Professorin für Physik und Astronomie an der Louisiana State University.
LIGO war ursprünglich in den 1980er Jahren von Reiner Weiss (einem emeritierten Physikprofessor am MIT), Kip Thorne (dem emeritierten Richard P. Feynman Professor für theoretische Physik am Caltech) und Ronald Drever (ebenfalls emeritierter Physikprofessor am Caltech) vorgeschlagen, um diese Gravitationswellen zu registrieren.
„Die Beschreibung dieser Beobachtung erfolgt schön gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die vor 100 Jahren formuliert wurde. Sie stellt den ersten Test der Theorie unter starken Gravitationsbedingungen dar. Es wäre toll gewesen, Einsteins Gesicht zu sehen, wenn wir die Möglichkeit gehabt hätten, es ihm zu sagen“, sagte Weiss.
„Mit dieser Entdeckung gehen wir Menschen eine neue herrliche Aufgabe an: die Aufgabe, die gekrümmte Seite des Universums zu erforschen – Objekte und Phänomene, die auf gekrümmter Raumzeit fußen. Kollidierende Schwarze Löcher und Gravitationswellen sind unsere ersten schönen Beispiele“, sagte Thorne.
Die Forschung des Virgo-Projekts wird von der Virgo Collaboration durchgeführt, die aus mehr als 250 Physikern und Ingenieuren aus 19 verschiedenen europäischen Forschungsgruppen besteht: sechs vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, acht vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien, zwei vom Nikhef in den Niederlanden, sowie Wigner RCP in Ungarn,der POLGRAW Gruppe in Polen und dem European Gravitational Observatory (EGO). Letzteres ist das Labor, das den Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa (Italien) beherbergt.
„Dies ist ein entscheidender Meilenstein für die Physik, aber noch wichtiger ist, dass es den Beginn vieler neuer und aufregender astrophysikalischer Entdeckungen darstellt, die mit LIGO und Virgo kommen werden“, sagte der Virgo-Sprecher Fulvio Ricci.
Bruce Allen, der leitende Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) ergänzte: „Einstein dachte, dass Gravitationswellen zu schwach sind, um registriert zu werden, und er glaubte nicht an Schwarze Löcher. Aber ich denke, es wäre ihm egal gewesen, falsch zu liegen.“
„Die Detektoren von Advanced LIGO sind eine Glanzleistung hinsichtlich Wissenschaft und Technologie, ermöglicht von einem wahrhaft außergewöhnlichen internationalen Team aus Technikern, Ingenieuren und Wissenschaftlern“, sagte David Shoemaker vom MIT, der Projektleiter für Advanced LIGO. „Wir sind sehr stolz, dass wir dieses von der NSF finanzierte Projekt fristgerecht und im Rahmen des Budgets beendet haben.“
Bei jedem LIGO-Observatorium nutzt der vier Kilometer lange, L-förmige LIGO-Interferometer Laserlicht, das in zwei Strahlen gespalten wird und die Arme entlang vor- und zurückläuft (dabei läuft es innerhalb eines fast perfekten Vakuums in Röhren von circa 1,2 Metern Durchmesser). Die Strahlen werden verwendet, um die Distanz zwischen präzise platzierten Spiegeln an den Enden der Arme zu überwachen. Laut Einsteins Theorie wird sich die Distanz zwischen den Spiegeln um einen extrem kleinen Betrag verändern, wenn eine Gravitationswelle den Detektor passiert. Eine Veränderung der Armlänge von weniger als einem Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons (10-19 Meter) kann registriert werden.
„Um diesen fantastischen Meilenstein möglich zu machen, war eine globale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern erforderlich. Laser- und Dämpfungstechnologie, die für unseren GEO600-Detektor entwickelt wurde, wurde genutzt, um dabei zu helfen, Advanced LIGO zum fortschrittlichsten Gravitationswellendetektor zu machen, der jemals gebaut wurde“, sagte Sheila Rowan, Professorin für Physik und Astronomie an der University of Glasgow.
Unabhängige und weit voneinander entfernte Observatorien sind notwendig, um die Richtung zu dem Ereignis zu bestimmen, das die Gravitationswellen erzeugt, und zu bestätigen, dass die Signale aus dem Weltraum kommen und nicht von anderen lokalen Phänomenen stammen.
An dieser Stelle arbeitet das LIGO Laboratory eng mit Wissenschaftlern des Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, des Raja Ramanna Centre for Advanced Technology und des Institute for Plasma in Indien zusammen, um auf dem indischen Subkontinent einen dritten Advanced LIGO Detektor zu errichten. Das Projekt wartet auf die Genehmigung der Indischen Regierung und könnte zu Beginn der nächsten Dekade einsatzbereit sein. Der zusätzliche Detektor wird die Fähigkeit des globalen Detektornetzwerks zur Lokalisierung von Gravitationswellenquellen deutlich verbessern.
„Diese erste Beobachtung wird den Bau eines globalen Detektornetzwerks hoffentlich beschleunigen, um im Zeitalter der Multimessenger-Astronomie präzise Lokalisierungen der Quellen zu ermöglichen“, sagte David McClelland, Professor für Physik und der Direktor des Centre for Gravitational Physics an der Australian National University.
Abhandlung: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
Quelle: https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211
(THK)
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