Nobelpreis Physik 2017: Der empfindlichste „Sensor“ der Welt

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Hundert Jahre hat es gedauert bis Einsteins vorausgesagte Gravitationswellen direkt gemessen werden konnten. Drei US-Forscher erhalten jetzt dafür den Nobelpreis Physik. Die electronica gratuliert Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne!

Vor etwa hundert Jahren überraschte Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Vorhersage von Gravitationswellen. Sie stauchen und strecken den Raum ähnlich wie ein Stein, der in einen ruhigen See geworfen, die Oberfläche kräuselt. War die Gravitation bei Newton noch unendlich schnell, breiteten sich Einsteins Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit aus. Und zwar immer dann, wenn sich Massen beschleunigt bewegen. Dabei gilt: Je massereicher, desto stärker der Effekt. Den zu messen grenzt allerdings an ein Wunder, selbst wenn Massegiganten wie Neutronensterne oder schwarze Löcher im Spiel sind.

Gravitationswellen scheinen es auch dem schwedischen Nobelpreis-Komitee angetan zu haben. Denn 1993 vergaben sie schon einmal den Nobelpreis Physik für ihren indirekten Nachweis. Die US-Astronomen Joseph Taylor und Russell Hulse hatten 1974 zwei einander umkreisende Neutronensterne beobachtet, die sich immer näher kamen. Sie konnten dabei zeigen, dass der Verlust an Bewegungsenergie genau der Energie entsprach, die das Aussenden von Gravitationswellen „schluckte“.

Der erste direkte Nachweis erfolgte erst 41 Jahre später im Herbst 2015. Daran beteiligt waren neben den frisch gekührten Nobelpreisträgern Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne aus den USA weltweit mehr als tausend Forscher. In Deutschland wurden etwa im vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und verschiedenen Universitäten betrieben Gravitationswellendetektor GEO600 technische Komponenten für das LIGO entwickelt.

Nobelpreis Physik mit LIGO

Nobelpreis Physik LIGO
LIGO – ein gigantisches Interferometer (Bild: Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences).

Für die Messung von Gravitationswellen benützt man sogenannte Interferometrische Detektoren wie etwa das LIGO (Laser-Interferometer-Gravitationsobservatorium) in den USA. Durch seine zwei vier Kilometer langen Röhren, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, wird gleichzeitig ein Laserstrahl geschickt und durch Spiegel an den Röhrenenden reflektiert. Da die Röhren exakt gleichlang sind, trifft das Licht beider Strahlen auch wieder gleichzeitig am Ausgangspunkt ein. Durch Veränderung der Spiegelpositionen kann das System so eingestellt werden, dass gerade der Wellenberg des einen Strahls auf ein Wellental des anderen Strahls trifft und sich beide durch Interferenz im Ausgangspunkt auslöschen, also kein Licht vom Detektor gemessen wird.

Läuft nun eine Gravitationswelle aus dem Weltraum durch die Erde und damit durch das LIGO, wird der gesamte Raum rhythmisch komprimiert und gestreckt und damit der Detektor abwechselnd ein wenig kürzer und länger. Und zwar unterschiedlich stark, da die Röhren rechtwinkelig zueinander angeordnet sind. Die Folge: Die Laserstrahlen löschen sich im Ausgangspunkt nicht mehr vollständig aus. Der Detektor misst Licht und signalisiert damit möglicherweise Gravitationswellen.

Überirdische Präzision für kosmische Ereignisse

Klingt einfach, ist aber mehr als kompliziert. Da die Amplitude einer Gravitationswelle umgekehrt proportional zur Entfernung von der Quelle ist, bleibt sogar von „Erschütterungen“ kosmischer Ausmaße wie das Verschmelzen schwarzer Löcher auf der Erde kaum mehr etwas übrig. Die Messgenauigkeit ist deshalb absolut einzigartig. Im LIGO können Längenunterschiede von einem Tausendstel eines Protons festgestellt werden. Bei diesen Größenordnungen sind Fremdeinflüsse allerdings eher die Regel, als die Ausnahme. Deswegen empfängt in 3000 Kilometer Entfernung vom LIGO eine zweite Anlage die Gravitationswellen Sekundenbruchteile später. Und erst wenn die Ergebnisse aus beiden LIGOs „zusammen passen“, können die Forscher mit ziemlicher Sicherheit davon ausgehen, tatsächlich Gravitationswellen direkt nachgewiesen zu haben.

Die beiden US-amerikanischen LIGO-Detektoren und erstmals auch der französisch-italienische von der Bauart ähnliche Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa konnten erst vor kurzem, am 14. August 2017, gemeinsam Gravitationswellen entdecken. Auslöser war wiederum die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen öffnet ein völlig neues Fenster ins Universum. Mit ihnen kann man noch tiefer ins Universum blicken, vielleicht sogar bis hin zum Urknall. Eine faszinierende Vorstellung.

Knowledge Base

Scientific Background

Popular Science Background

 

 

 

 

Nobelpreis Physik (Bild: Royal Swedish Academy of Sciences).

Der Nobelpreis für Physik geht 2017 zur Hälfte an Rainer Weiss sowie zu je einem Viertel an Barry C. Barish und Kip Thorne. (Bild: Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences).