100 Jahre danach: Einstein hatte Recht

Gravitationswellen nachgewiesen – LIGO öffnet mit der Beobachtung kollidierender schwarzer Löcher ein neues Fenster zum Universum

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler – unter ihnen Forscher der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz-Universität Hannover – von einem Großereignis im fernen Universum ausgelöste und die Erde erreichende Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet.  Das bestätigt eine wichtige Vorhersage der von Albert Einstein im Jahr 1915 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie – und öffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Kosmos.

[note Kollision im Computer: Diese Simulation zeigt die beiden schwarzen Löcher mit 29 und 36 Sonnenmassen, die einander umtanzen und in wenigen Augenblicken miteinander verschmelzen werden. Dabei strahlen sie Gravitationswellen ab – die in irdischen Detektoren beobachtet wurden. Bild © Numerisch-relativistische Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) / Wissenschaftliche Visualisierung: W. Benger (Airborne Hydro Mapping GmbH)]

Gravitationswellen tragen Information über ihre turbulente Entstehung und das Wesen der Gravitation. Physiker haben festgestellt, dass die jetzt beobachteten Gravitationswellen während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern entstanden. Dabei bildete sich ein einzelnes, massereicheres rotierendes schwarzes Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war zwar vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden.

Die Gravitationswellen wurden am 14.09.2015 um 5.51 Uhr US-Ostküstenzeit (10.51 Uhr MEZ) von beiden identischen Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) in den USA registriert. Die LIGO-Observatorien werden von der National Science Foundation (NSF) finanziert.

Caltech und MIT entwarfen, bauten und betreiben die Detektoren. Die Entdeckung wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters akzeptiert. Forscher der LIGO Scientific Collaboration (welche die GEO Collaboration und das Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy umfasst) und der Virgo Collaboration entdeckten das Signal in den Daten der zwei LIGO-Detektoren.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover  und Potsdam und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben in mehreren Schlüsselgebieten entscheidend zur Entdeckung beigetragen: mit der Entwicklung und dem Betrieb extrem empfindlicher Detektoren an den Grenzen der Physik, mit effizienten Methoden der Datenanalyse, die auf leistungsfähigen Computerclustern laufen und mit hochgenauen Wellenformmodellen, um das Signal aufzuspüren und astrophysikalische Information daraus zu gewinnen.

Fortschrittliche Detektortechnologien von GEO600

[note Hightech auf freiem Feld: Die Hütten von GEO600 gleichen Baucontainern, die nahe Hannover in der Landschaft stehen. Doch hier fanden die Forscher mit ausgeklügelten Methoden nach Gravitationswellen. Foto © H. Lück (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)]

Die GEO-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität sowie von britischen Institutionen. Sie entwickelten und betreiben den Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover. Er dient als Ideenschmiede und Prüfstand für fortschrittliche Detektortechnologien.

Die meisten der Schlüsseltechnologien, die zur nie zuvor erreichten Empfindlichkeit von Advanced LIGO (aLIGO) beigetragen haben und die Entdeckung ermöglichten, wurden innerhalb der GEO-Kollaboration entwickelt und getestet. Beispiele sind Signalüberhöhung, resonante Seitenband-Extraktion und monolithische Spiegelaufhängungen. AEI-Forscher haben gemeinsam mit Kollegen des Laser Zentrum Hannover e.V. außerdem die Hochleistungslaser-Systeme von aLIGO entwickelt und am Detektor installiert. Die Laser sind entscheidend für die hochpräzisen Messungen.

„Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Gravitationswellen, aber erst jetzt verfügen wir über die unglaublich präzisen Technologien, um diese extrem schwachen Echos aus dem fernen Universum wahrzunehmen“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Diese Entdeckung wäre unmöglich gewesen ohne die Anstrengungen innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz Universität, der GEO-Kollaboration und der dort entwickelten Technologien.“

Folgt: Rechenleistung und Analysemethoden für die Entdeckung