Astronomie - Gravitationswellen

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zeit.de 16. Oktober 2017, Ulrich Schnabel

 

Das nächste große Ding der Astronomie

 

 

Gerade den Nobelpreis eingesackt und nun das: Die Gravitationswellenjäger fangen das Echo einer Sternenexplosion ein und katapultieren die Astronomie in eine neue Ära.

 

Zwei Neutronensterne verschmelzen und explodieren. Erstmals fingen Forscher ein solches Ereignis direkt ein.

Und lösen Grundfragen der Astronomie. © ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

 

Das Leben schreibt bekanntlich die besten Geschichten, und die Erforschung der Gravitationswellen gehört sicher zu den schönsten Storys der modernen Wissenschaft: Rund 100 Jahre lang blieben sie verborgen, wie Dornröschen hinter der Märchenhecke, und alle Nachweisversuche scheiterten. Dann wurden sie endlich entdeckt, verkündet fast auf den Tag genau 100 Jahre, nachdem Einstein sie postuliert hatte. Und seither geht es Schlag auf Schlag: Immer neue Gravitationswellenfunde wurden in den vergangenen Monaten vermeldet, gerade wurde ihr Nachweis mit dem Nobelpreis geehrt und nun das nächste große Ding: Weltweit jubeln Astronomen über einen ganz besonderen Fund, der gleich mehrere kosmische Rätsel auf einmal löst. 

"Es kommt nur selten vor, dass ein Wissenschaftler Zeuge des Beginns einer neuen Ära werden kann", sagt die italienische Astronomin Elena Pian, eine der Entdeckerinnen. Doch der heute vorgestellte Fund sei genau ein solch historischer Moment. Ähnlich euphorisch klingen ihre Kollegen. "Wir befinden uns jetzt im Zeitalter der Multi-Messenger-Astronomie!" So triumphierend formuliert es der britische Astrophysiker Andrew Levan, Autor eines von insgesamt sieben (!) Fachartikeln, in denen die Entdeckung in den Zeitschriften Nature und Nature Astronomyausgebreitet wird.

Denn diesmal geht es nicht um das wackelige Signal eines einzelnen Gravitationswellendetektors, sondern um das Ergebnis einer weltumspannenden Gemeinschaftsaktion, die es so noch nicht gegeben hat. Zunächst fingen am 17. August zwei Gravitationswellenobservatorien, LIGO in den USA und Virgo in Italien, die Spuren von Schwerewellen auf, die aus der Galaxie NGC 4993 stammten, rund 130 Millionen Lichtjahre entfernt. Von den Forschern alarmiert, wurde die Galaxie daraufhin von Astronomen auf der ganzen Welt ins Visier genommen und in allen nur möglichen Wellenlängenbereichen untersucht, vom kurzwelligen Gammastrahlen- bis zum langwelligen Infrarotbereich. 

 

 

WAS IST DER LIGO-DETEKTOR?

WO STEHT DER?

Ligo, das steht für Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, das in den USA für den Nachweis von Gravitationswellen gebaut worden ist. Der Detektor besteht aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Armen, die jeweils vier Kilometer lang am Boden verlaufen und schnurgerade sind.

Im Inneren laufen Laserstrahlen, mit denen sich eine Änderung der Armlängen zueinander extrem genau messen lässt.

Treffen Gravitationswellen diese Anlage, stauchen und strecken sie die Arme unterschiedlich um winzige Beträge. Das Lasersystem soll dabei noch Längenänderungen erfassen, die rund zehntausend Mal kleiner sind als ein Wasserstoffatomkern.

 

 

Rund 70 Observatorien waren am Ende an der Jagd auf NGC 4993 beteiligt, inklusive des Hubble-Weltraumteleskops. Und so war es erstmals möglich, eine Gravitationswellenquelle nach allen Regeln der astronomischen Kunst zu analysieren, im sichtbaren Licht wie in den unsichtbaren Wellenlängen. Ergebnis: Das Zittern der Raumzeit wurde offenbar von der gewaltigen Kollision zweier Neutronensterne ausgelöst, einer Kilonova, die seit Langem vorhergesagt, aber so noch nie beobachtet worden war.

Perfekter hätte man sich das Timing nicht ausdenken können. Kip Thorne, einer der frisch gekürten Physiknobelpreisträger, schlug kurz nach seiner Ehrung bereits den ganz großen Bogen und erinnerte an Galilei, der als Erster ein Teleskop auf die Monde des Jupiter richtete. Ähnlich wie damals vor 400 Jahren das Zeitalter der optischen Astronomie begonnen habe, sagte Thorne, würde nun die Gravitationsastronomie in den kommenden 400 Jahren "unser Verständnis des Universums unerhört bereichern".

 

 

 

Allzu große Worte? Weit überzogene Versprechungen? Angesichts des heute vorgestellten Fundes muss man sagen: So Unrecht hat Thorne nicht. Denn die aktuelle Entdeckung ist gleich aus mehreren Gründen höchst bemerkenswert.

 

 

Gleich mehrere Sensationen auf einmal

 

Zum einen haben die Forscher erstmals Gravitationswellen völlig neuer Art aufgefangen. Anders als die bisherigen Funde – die allesamt von der Verschmelzung Schwarzer Löcher herrührten – stammen die aktuellen Wellen von der Kollision zweier Neutronensterne. Für den Laien mag das nach Jacke wie Hose klingen. Doch für Astronomen ist der Unterschied entscheidend. Schwarze Löcher, diese gewaltigen Schwerkraftmonster, die aus dem Kollaps massereicher Sterne entstehen, sind dank Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vergleichsweise einfach zu beschreiben und zu simulieren. Wenn aus dem Zusammenprall zweier Schwarzer Löcher Gravitationswellensignale entstehen, dann dauern sie typischerweise weniger als eine Sekunde. 

 

 

Neutronensterne hingegen sind leichter als Schwarze Löcher, sie geben dementsprechend schwächere Gravitationswellen ab, die aber erheblich länger andauern (bis zu einer Minute). Daher kann man aus ihnen auch mehr Informationen ziehen. Vor allem aber kann man aus den Wellen auch Rückschlüsse auf die Neutronensterne selbst ziehen, auf ihren Aufbau und ihr Verhalten. Anders als bei den Schwarzen Löchern ermöglichen die Gravitationswellen damit nicht nur "eher langweiliges Einstein-Bestätigen", erklärt der Astrophysiker Markus Pössel, "sondern richtige Gravitationswellen-Astronomie: Die Erforschung der Struktur und Eigenschaften von Himmelskörpern mithilfe von Gravitationswellen".

Zweitens zeigt der Fund, wie gut die weltweite Kooperation der Astronomen funktionierte. Nur zwei Sekunden nach der Detektion der Gravitationswellen durch LIGO und Virgo auf der Erde wurden auch die Weltraumteleskope Fermi und Integral fündig. In just der Galaxie NGC 4993, aus der die Schwerewellen stammten, entdeckten sie einen Ausbruch von Gammastrahlenblitzen. Und als auf der Erde die Nacht im August hereinbrach, warfen viele Observatorien ihre Beobachtungspläne kurzfristig um und peilten ebenfalls die Galaxie im Sternbild Wasserschlange an. Der Lohn dieser konzertierten Aktion ist nun eine überwältigende Fülle an Daten und Erkenntnissen. So bestätigen etwa die gemessenen Strahlungseigenschaften die lange gehegte Vermutung, dass beim Zusammenprall der Neutronensterne radioaktives Material ins All geschleudert wird. Auch schwere chemische Elemente wie Gold oder Platin – deren Ursprung im Universum bisher unklar war – entstehen offenbar bei solchen Sternkarambolagen. 
 

Astronomen der Europäischen Südsternwarte (Eso) haben zum ersten Mal eine Quelle von Gravitationswellen untersucht. Die Beobachtungen deuteten auf die Verschmelzung zweier Neutronensterne hin, teilten die Forscher mit. © Foto: T. Dietrich/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/dpa

http://www.zeit.de/wissen/2017-10/gravitationswellen-astronomie-entdeckung-echo-neutronenstern-kilonova/komplettansicht

 

 

Die Gerüchte schwirrten schon im Netz

 

Drittens wären da noch die Gammablitze. Entdeckt wurden sie Ende der 1960er-Jahre von Satelliten, die eigentlich die Spuren von Kernwaffenexplosionen nachweisen sollten. Seither rätseln die Astronomen über den Ursprung dieser Ausbrüche, die mal nur sekundenlang auftreten, mal mehr als eine halbe Minute andauern können. Die nahezu zeitgleiche Entdeckung sowohl von Gravitationswellen als auch von Gammastrahlen aus der Galaxie NGC 4993 liefert nun den lange gesuchten Nachweis, dass zumindest die kurzen Gammablitze aus der Verschmelzung von Neutronensternen stammen. 

Und viertens lässt das Ereignis selbst Rückschlüsse auf die Entwicklung des Weltalls zu. Denn die entscheidende Maßzahl für die Ausdehnung des Universums – die Hubble-Konstante – ist noch immer nicht eindeutig bestimmt. Üblicherweise verknüpft sie die Entfernung einer Galaxie mit ihrer Geschwindigkeit (gemessen über die Rotverschiebung ihres Lichts). Das Problem: Die Entfernungen von Galaxien lassen sich nicht direkt messen, sondern nur anhand diverser Indizien abschätzen. Doch während der Verschmelzung von Neutronensternen ist das anders: Aus dem dabei entstehenden Gravitationswellensignal lässt sich ihre Entfernung gut bestimmen – vor allem, wenn man die Signalquelle auch noch mit herkömmlichen Teleskopen in den Blick nimmt und ihre elektromagnetischen Eigenschaften vermisst. Auf diese Weise haben die Astronomen nun einen Wert für die Hubble-Konstante bestimmt (70 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec), der sich in Zukunft als Richtschnur für viele andere Messungen erweisen wird. 

Schade, dass die Nobelpreise schon vergeben sind

Kein Wunder, dass angesichts so vieler aufregender Erkenntnisse es den Wissenschaftlern schwerfiel, ihren Fund unter Verschluss zu halten. Zwar wurde ein strenges Embargo für alle Veröffentlichungen verhängt. Erst an diesem Montag seit 16 Uhr werden auf zeitgleich abgehaltenen Pressekonferenzen im Münchner Garching (dem Sitz der Europäischen Südsternwarte Eso) und in Washington (wo die LIGO- und Virgo-Forscher vor die Presse treten) die Details bekannt gegeben. Der Livestream ist hier zu sehen:

 

 

 

Doch im Zeitalter von Twitter und Facebook ist das mit der Geheimhaltung so eine Sache. Schon am 18. August twitterte der Astronom J. Craig Wheeler aufgeregt: "Neues von LIGO. Quelle mit optischem Gegenstück. Das haut dich von den Socken!" Eine Stunde später zwitscherte auch der Astronom Peter Yoachim von einem "Ereignis" in der Galaxie NGC 4993. Und ein paar Tage später vermeldete ein Tweet von SpaceTelescope Live – das aktuelle Neuigkeiten des Hubble-Teleskops veröffentlicht –, dass man die Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachtet habe. 

 

https://twitter.com/ast309

 

So ahnten die Eingeweihten bald, was da im Busche war, und selbst die Fachzeitschrift Nature berichtete über Gerüchte bezüglich einer "neuen Art von Gravitationswellen-Sichtung". Doch als der Community allmählich dämmerte, wie groß die Sensation war, die man zu verkünden hatte, wurden die Reihen fest geschlossen. Selbst Wheeler entschuldigte sich auf Twitter: "Richtig oder falsch, ich hätte diesen Tweet nicht absenden sollen. LIGO verdient die Bekanntgabe, sobald sie sie für angemessen erachten. Mea culpa." 

Diese Aufmerksamkeit haben die Forscher nun. Es sei ihnen gegönnt. Es kommt schließlich selten vor, dass man mit einem astronomischen Ereignis gleich so viele grundlegende Fragen auf einmal beantworten kann: die Natur von Neutronensternen, der Ursprung von Gammablitzen, der Nutzen der Gravitationswellenastronomie und bessere Aufschlüsse über die Expansion unseres Weltalls – das ist mehr, als manchmal in einem ganzen Forscherleben passiert. Schade eigentlich, dass die Nobelpreise für dieses Jahr schon vergeben sind.