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Weltraumforschung Forscher weisen Einsteins Gravitationswellen nach

VideoEin Meilenstein für die Physik
Gravitationswellen.

Ein internationales Forscherteam hat zum ersten Mal Gravitationswellen direkt beobachtet. Die Theorie für Wellen, die den Raum verbiegen können, lieferte Einstein bereits vor 100 Jahren.

(11.02.2016)

VideoGravitation - die rätselhafte Kraft
Prof. Harald Lesch in seinem Studio

Man kann sie nicht sehen, nicht riechen, nicht schmecken, und doch ist sie überall: die Kraft der Gravitation, die Schwerkraft. Im gesamten Universum gibt es keinen Ort, an dem sie nicht wirkt.

(10.11.2014)

VideoEinstein: Der Raum ist krumm
Harald Lesch im Studio

Einstein - Der Raum ist krumm. Teil 6 Vortrag Harald Lesch.

(30.09.2011)

VideoNachweis von Gravitationswellen
Gravitation - wie geht das gleich?

Was passiert, wenn zwei schwarze Löcher zusammenstoßen? Es entstehen Gravitationswellen. Ist doch klar. Einstein wusste das schon vor 100 Jahren. Jetzt glaubt ihm auch der Rest der Welt.

(11.02.2016)

Es ist eine wissenschaftliche Sensation: Weltraumforscher haben nach eigenen Angaben die von Albert Einstein vor 100 Jahren vorhergesagten Gravitationswellen erstmals direkt nachgewiesen. Auch deutsche Forscher waren an den Experimenten beteiligt. 

Gravitationswellen entstehen insbesondere, wenn große Objekte wie Sterne beschleunigt werden. Sie stauchen und strecken den Raum. Die Gravitationswellen breiten sich in alle Richtungen aus und verbiegen den Raum, ähnlich wie ein ins Wasser geworfener Stein die Oberfläche.

Erstmals lassen sich Schwarze Löcher direkt beobachten

Das Spezialobservatorium Ligo in den USA fing die Signatur zweier verschmelzender Schwarzer Löcher auf. Der Nachweis bestätige nicht nur die Existenz der Gravitationswellen, sondern bedeute auch eine neue Ära in der Astronomie, betonten die Forscher. "Wir haben eine neue Art Teleskop gebaut und ein völlig neues Feld eröffnet", sagte einer der Ligo-Gründungsväter, Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology. Erstmals ließen sich nun Schwarze Löcher direkt beobachten, sagte Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.

Zahlen und Fakten zu Gravitationswellen

Was sind Gravitationswellen?

Plakat von Albert Einstein

Die winzigen Wellen sind Verzerrungen der Raumzeit und entstehen laut Albert Einstein bei besonders energiereichen Ereignissen im Universum. Beispielsweise bei heftigen Sternexplosionen oder durch Schwarze Löcher, die ineinander stürzen. Auf die Existenz der bei solchen kosmischen Katastrophen ausgesendeten Gravitationswellen ließ sich aber bisher nur indirekt schließen. Gravitationswellen entstehen außerdem bei der Beobachtung extrem massereicher Neutronensterne.

Warum wurden sie so lange nicht nachgewiesen?

Weil sie unfassbar winzig sind. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist extrem schwierig, weil sie im allerkleinsten Maßstab den Raum stauchen und dehnen: Nach Angaben der europäischen Weltraumagentur ESA übersteigen Gravitationswellen, die zum Beispiel von zwei einander umkreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden, auf einem Lineal von einer Million Kilometer Länge nicht einmal die Größe eines Atoms. Selbst Einstein glaubte nicht daran, dass die von Gravitationswellen bewirkten winzigen Längenänderungen jemals gemessen werden könnten.

Wie sind die Forscher ihnen auf die Spur gekommen?

Bei der Suche nach Gravitationswellen setzen die Wissenschaftler seit Jahren gewaltige Anlagen ein, die zu Einsteins Zeiten kaum vorstellbar gewesen wären. Dazu zählen die beiden jeweils vier Kilometer langen Ligo-Detektoren in den USA. Die Anlagen in Hanford (US-Bundesstaat Washington) und Livingstone (Louisiana) arbeiten seit dem vergangenen Herbst mit einer neuen Instrumenten-Generation, die wesentlich empfindlicher ist als ihre Vorgänger. Mit den Laserdetektoren der 3.000 Kilometer voneinander entfernten Ligo-Observatorien wurden die Gravitationswellen am 14. September 2015 erfasst und wurden anschließend analysiert.

Woher stammen die Gravitationswellen der Forscher?

Von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren, wie die Forscher mitteilten. Diese Schwarzen Löcher, Überreste des Explosionstodes von Riesensternen, waren demnach 29-mal beziehungsweise 36-mal massereicher als unsere Sonne.

Waren deutsche Wissenschaftler beteiligt?

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Potsdam, das eng mit dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz-Universität Hannover zusammenarbeitet, leistete entscheidende Beiträge für die neue Generation der Ligo-Observatorien. Bei Hannover betreibt das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik zudem gemeinsam mit Partnern aus Großbritannien den Gravitationswellen-Detektor GEO600. Er ist Teil eines weltweiten Netzwerks von Detektoren, zu denen neben Ligo in den USA auch Anlagen in Italien und Japan zählen.

Was bedeutet der Nachweis für die Wissenschaft?

Die Entdeckung öffnet ein neues Fenster zur "dunklen" Seite des Kosmos - sie markiert den Beginn der Gravitationswellen-Astronomie, die unser Bild vom Universum und seiner Entwicklung seit dem Urknall vervollständigen dürfte. Wissenschaftler vergleichen den Nachweis von Gravitationswellen sogar mit dem Moment, in dem Galileo Galilei vor mehr als 400 Jahren erstmals sein Fernrohr auf den Himmel richtete.

Welche neuen Erkenntnisse sind jetzt möglich?

Durch eine direkte Messung von Gravitationswellen können Wissenschaftler die Struktur unserer Galaxie untersuchen, Entstehung, Wachstum und Verschmelzungsprozesse Schwarzer Löcher ergründen und die Vorgänge in den Kernbereichen von Galaxien erkunden. Mit der Möglichkeit, Gravitationswellen aufzuspüren, könnten "fundamentale Phänomene des Kosmos" erforscht werden, erklärte der Nasa-Astrophysiker Tuck Stebbins. Selbst ein Blick auf die erste Millisekunde des Urknalls vor 13,8 Milliarden Jahren sei denkbar.
Quelle: afp

Gravitationswellen gehören zu den spektakulären Vorhersagen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Jeder beschleunigte Körper - auch ein an der Ampel startender Autofahrer - sendet demnach Gravitationswellen aus. Sie sind umso stärker, je mehr Masse der Körper hat. Jedoch sind sie in der Regel so winzig, dass Einstein selbst nicht daran glaubte, dass man sie je messen könnte. Seit über 50 Jahren suchen Physiker einen direkten Beweis. Alle vermeintlichen Erfolgsmeldungen entpuppten sich bisher als nicht haltbar.

Jahrzehntelange Forschung

Dennoch gab es kaum Zweifel an der Existenz der Wellen: 1974 hatten die beiden US-Astronomen Russell Alan Hulse und Joseph Taylor ein Doppelsystem aus zwei besonderen Neutronensternen entdeckt, die sich eng umkreisen.
Links
Leschs Kosmos
Ihre Umlaufzeit nimmt langsam ab, was sich exakt mit dem Energieverlust durch Gravitationswellen erklären lässt. Für diesen indirekten Nachweis bekamen sie 1993 den Physik-Nobelpreis.

Der erste direkte Nachweis ist nun offensichtlich an den beiden Ligo-Messstationen (Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) in Livingston und Hanford gelungen. "Wir haben die letzten vier Umläufe von zwei Schwarzen Löchern gesehen, bevor sie miteinander verschmolzen sind", berichtete der geschäftsführende Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover, Bruce Allen. Dies ist an der Suche beteiligt und hat Technologie zu dem Ligo beigetragen.

Albert Einstein: Ein deutsches Genie

Geburt und Herkunft

Albert Einstein

Albert Einstein war der Sohn des jüdischen Ehepaares Hermann Einstein und Pauline Koch. Bereits 1880 zog die Familie von Ulm nach München um, wo sein Vater zusammen mit seinem Bruder Jakob ein elektrotechnisches Installationsgeschäft betrieb. 1881 kam Einsteins Schwester Maria (Maja) zur Welt. Manchen Quellen zufolge begann Einstein erst im Alter von drei Jahren zu sprechen. 1895 erfolgte nach dem Scheitern der väterlichen Geschäfte ein weiterer Umzug der Familie nach Mailand, bevor Einstein kurz darauf als 16-Jähriger alleine in die Schweiz ging.

Ausbildung

Einstein besuchte Schulen in München und später in der Schweiz. Seit 1884 erhielt er auch Geigenunterricht. Entgegen früheren Darstellungen war er kein schlechter Schüler, er litt allerdings unter der strengen Disziplin am Münchner Luitpold Gymnasium, das er Ende 1894 ohne Abschluss verließ. Vor allem in den Bereichen Mathematik und Physik zeigte sich aber früh seine besondere Begabung. Dennoch scheiterte er 1895 wegen mangelhafter Französischkenntnisse an der Aufnahmeprüfung am Polytechnikum (später: Eidgenössische Technische Hochschule, ETH) Zürich. Erst nach Abschluss der Kantonsschule in Aarau konnte er dann 1896 an der TH Zürich sein Studium aufnehmen, das er 1900 als Fachlehrer für Mathematik und Physik abschloss. 1905 promovierte er an der Universität Zürich über "Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen", und 1908 habilitierte er sich an der Berner Universität.

Preise und Auszeichnungen

Kleine Auswahl: Orden "Pour le Merite (20), Nobelpreis für Physik (21), Copley Medal der Royal Society of London (25), Max-Planck-Medaille (29), Franklin Medal des Franklin Institute (35). E. wurden zahlreiche Ehrendoktorate verliehen. Das amerikanische "Time"-Magazin wählte E. 1999 zur "Person des Jahrhunderts".

Familie und Interessen

Einstein war in erster Ehe ab 1903 mit Mileva Maric verheiratet, die mit ihm am Polytechnikum Zürich studiert hatte. Das Paar hatte eine Tochter, Lieserl, und zwei Söhne, Hans Albert und Eduard. Lieserl war noch vor der Eheschließung 1902 zur Welt gekommen und vermutlich zur Adoption freigegeben worden; manche Quellen behaupten, dass sie das Down-Syndrom gehabt habe. Bereits 1914, als Maric Einstein mit den Kindern nach Berlin folgte, hatte dieser seine Cousine Elsa kennen gelernt und ein Verhältnis mit ihr begonnen. In der Folgezeit behandelte er Maric Forschungen zufolge häufig herablassend und verletzend.

Als Bedingung für die Fortsetzung ihrer Ehe legte er sogar Verhaltensregeln für Maric fest. Die Scheidung von Maric erfolgte im Febr. 1919 nach fünfjähriger Trennung. Allerdings überließ Einstein 1922 die Zinsen des Preisgelds des Nobelpreises seiner Ex-Frau und seinen Söhnen, um die er sich in der Folge aber nicht besonders kümmerte. Hans wurde Ingenieur und emigrierte später auch in die USA. Eduard erkrankte an Schizophrenie und starb 1965 in einer Heilanstalt. Noch im Jahr seiner Scheidung heiratete Einstein in zweiter Ehe seine Cousine Elsa Löwenthal, eine Witwe mit zwei Töchtern, mit der er bis zu ihrem Tod 1936 zusammenlebte. 1939 kam seine Schwester Maja zu Einstein nach Princeton und lebte bis zu ihrem Tod 1951 bei ihm. Zeit seines Lebens behielt Einstein sein Interesse am Geigenspiel. Zudem war er ein passionierter Segler.

Am 18. April 1955 starb Einstein, der an einer Gallenblasenentzündung erkrankt war, überraschend in Princeton im Alter von 76 Jahren. Bereits 1948 war ein Aorta-Aneurysma diagnostiziert worden, das im Zuge der Entzündung geplatzt war und zu inneren Blutungen geführt hatte. Seinem Willen entsprechend wurde der Leichnam eingeäschert. Der Pathologe entnahm - aus privatem Antrieb - Einsteins Gehirn zu Forschungszwecken und stellte es 40 Jahre später der Universität Princeton zur Verfügung. In seinem Testament verfügte Einstein, dass sein gesamter schriftlicher Nachlass an die Hebräische Universität in Jerusalem gehen sollte.

Eines der wichtigsten Ergebnisse in der Physik

Das Signal sei sehr deutlich und lasse keine Zweifel am direkten Nachweis der Gravitationswellen, betonte Allen. Zwei Forscher des Instituts in Hannover hätten das Signal aus den USA als erste bemerkt. Das sei vormittags gewesen, als US-Forscher wegen der Zeitverschiebung noch schliefen. "Die beiden hielten es zunächst für einen künstlichen Test - das Signal war einfach zu gut!" Monatelange Analysen hätten die Echtheit des Messergebnisses bestätigt. Allen nannte den Nachweis eines der wichtigsten Ergebnisse in der Physik in den vergangenen Jahrzehnten.
Weitere Links zum Thema

"Wenn man sich dieses Signal anschaut, ist es wie aus dem Lehrbuch", ergänzte Allens Kollege Karsten Danzmann, ebenfalls Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. Den Analysen zufolge habe sich die Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung in einem Gebiet am Südhimmel in Richtung des Sternbilds Schwertfisch ereignet, erläuterte Danzmann. Ein Lichtjahr ist die Distanz, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

Raum staucht sich

Die beiden Schwarzen Löcher hatten 29 und 36 Mal so viel Masse wie unsere Sonne. Das aus ihrer Verschmelzung hervorgegangene Schwarze Loch besitzt jedoch nur 62 Sonnenmassen. Die Differenz von 3 Sonnenmassen ist gemäß Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz in Form von Gravitationswellenenergie abgestrahlt worden.

Ligo misst dieses Erzittern der Raumzeit mit Hilfe von zwei jeweils vier Kilometer langen Röhren, die auf einem flachen Boden rechtwinklig aufeinandertreffen. Über ein Lasersystem in den Röhren lässt sich die Länge der Arme extrem genau überwachen. Läuft eine Gravitationswelle durch die Anlage, staucht und streckt sie die Arme unterschiedlich stark. Die verschmelzenden Schwarzen Löcher stauchten die Anlage nur um ein Tausendstel der Dicke eines Wasserstoffatomkerns. Dennoch schlug der Detektor an. Die Forscher beschreiben ihre Entdeckung im Fachblatt "Physical Review Letters".

Die Beobachtung belege nicht nur die Existenz von Gravitationswellen, sondern auch von Systemen aus zwei Schwarzen Löchern, betonte Alessandra Buonanno aus Potsdam. "Wir haben immer gehofft, dass diese Systeme existieren, aber solche Doppel-Schwarzen-Löcher lassen sich nicht auf anderem Weg als mit Gravitationswellen nachweisen, denn sie senden kein Licht oder andere elektromagnetische Strahlung aus." Die Möglichkeit, Gravitationswellen direkt zu messen, stelle somit ein fundamental neues Werkzeug zur Erforschung des Universums dar. "Damit beginnt mit Sicherheit eine neue Ära in der Physik und Astronomie."

Raum, Zeit, Masse ...

Einstein'sche Magie in der Küche

Prof. Harald Lesch

Frag den Lesch, 24.08.2015

Das Geheimnis der Finsternis

Sternenhimmel mit Band der Milchstraße

Terra X, 11.10.2015

11.02.2016, Quelle: dpa
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