Darstellung von Lisa Pathfinder in der Erdumlaufbahn.

Gravitationswellensuche im Weltall

Dieser Artikel entstand, bevor die direkte Messung von Gravitationswellen bekanntgegeben wurde.

Eine direkte Beobachtung der von Einstein postulierten „Verzerrungen der Raumzeit“ gestaltet sich schwierig. Trotzdem geben Gravitationsforscher nicht auf, zuviel versprechen sie sich von den erhofften Erkenntnissen. Im Dezember 2015 startete der ESA-Satellit LISA Pathfinder. Er bereitet eine künftige Mission vor, bei der Gravitationswellen direkt im Weltall gemessen werden sollen. Nora Kusche sprach für unseren Podcast mit Roland Haas vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam über die Suche nach Gravitationswellen.

Ob beim Standardmodell der Teilchenphysik, der Quantentheorie oder in der Kosmologie – die Physik ist heute an einem Punkt, wo sich fast alle Vorhersagen der etablierten Theorien bestätigt haben. Gravitationswellen sind da eine Ausnahme: Sie sind exakt berechnet, aber noch nie direkt beobachtet worden.

Foto von Roland Haas Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Roland Haas

Roland Haas: „Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Solche Verzerrungen werden erzeugt, sobald sich Massen beschleunigt bewegen. Das reicht, wenn Sie durch den Raum gehen, allerdings würde man lieber zwei Sterne haben, die sich umkreisen. Nicht gradlinig! Also schön um einander herum oder aufeinander draufprallen.”

Bei Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist die vierdimensionale Raumzeit die Grundlage für alle Bewegung im Kosmos. Sie besteht aus drei Raumrichtungen und der Zeit als vierter Dimension. Die Gravitation, bei Newton noch als Kraft definiert, ist bei Einstein eine Eigenschaft der Raumzeit. Gravitationswellen sollen diesen Raum durchlaufen und ihn dabei stauchen und strecken.

„Gravitationswellen, wir vermuten, dass es die gibt, denn die kommen aus der Relativitätstheorie, die Albert Einstein entwickelt hat, heraus. Er hat die auch schon selbst berechnet, und dann aufgeschrieben, dass es Gravitationswellen gibt.”

Physiker suchen also nach Gravitationswellen, weil die Theorie sie vorhersagt.

„Gravitationswellen kommen direkt aus den Feldgleichungen der Relativitätstheorie heraus. Man kann sie so schreiben, mit etwas Aufwand, dass sie genau die gleiche Form haben wie die Feldgleichungen für Elektromagnetismus, die auch Wellen beschreiben. Auf der mathematischen Ebene kann man sagen, es gibt Wellen, weil die Relativitätstheorie als Wellengleichung geschrieben werden kann. Das ist die theoretische Grundlage dafür, dass wir sagen, es muss Gravitationswellen geben.”

Von der Theorie zur Messung

Mathematisch sind Gravitationswellen bewiesen, direkte Beobachtungen sind bisher nicht offiziell bekannt. Die meisten Physiker gehen aber davon aus, dass Gravitationswellen auch physisch existieren und berufen sich dabei auf Indizienbeweise.

„Wir haben Gravitationswellen indirekt gesehen, nicht die Wellen selbst, aber ihren Effekt. Man hat ein berühmtes Doppelneutronensternsystem gefunden, den Hulse-Taylor-Pulsar. Und für dieses System kann man messen, was der Abstand zwischen den beiden Neutronensternen ist. Und dieser Abstand folgt in seiner Entwicklung genau dem, was die Relativitätstheorie vorhersagt.”

Nach der Theorie strahlt das System Energie in Form von Gravitationswellen ab. Mit geringerer Energie verringert sich auch der Abstand zwischen den beiden Neutronensternen und das können Astronomen messen. Das ist in etwa so, als würde man aus der Temperaturabnahme von Kaffee in einer Tasse auf die Existenz von Wärmestrahlung schließen. Eine direkte Messung ist da zuverlässiger und genau daran arbeiten Physiker weltweit.

„Es gibt momentan drei große Experimente, bei denen versucht wird, nach Gravitationswellen zu suchen. Es gibt einmal das sogenannte Pulsar Timing Array, dann gibt es LIGO, das ist ein Experiment auf der Erde, und dann ist geplant das sogenannte LISA-Experiment.”

Lisa Pathfinder startetStart von LISA Pathfinder
Start von LISA Pathfinder

Das Probeexperiment zu LISA ist schließlich am 3. Dezember 2015 gestartet, der Launch des Satelliten war im Vorfeld mehrfach verschoben worden. Dieser sogenannte LISA Pathfinder ist nicht darauf ausgelegt, Gravitationswellen zu messen. In erster Linie geht es darum, die Technik und Methodik des eigentlichen Detektors eLISA schon einmal im Weltraum auszuprobieren.

„Das eLISA-Experiment selbst besteht aus drei Satelliten, die in den Weltraum gebracht werden. Und dann der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen werden. Die drei Satelliten bilden ein Dreieck, man misst mit Hilfe von Lasern genau den Abstand zwischen den drei Satelliten. Eine Gravitationswelle, die nun vorbeikommen würde, würde den Abstand zwischen den drei Satelliten ändern. Diese Abstandsänderung kann man messen und aus der Messung der Abstandsänderung kann man dann natürlich wieder auf die Gravitationswelle Rückschlüsse ziehen.“

Wenn beim Probeexperiment alles glatt läuft, kann eLISA zur Gravitationswellenmessung eingesetzt werden. Allerdings soll das noch etwa 20 Jahre dauern.

„eLISA wird sie finden“

„Es wurde ein paar Mal verschoben und es gab auch Probleme, dadurch dass LISA zunächst ein gemeinschaftliches Experiment war zwischen der ESA und der NASA, die NASA allerdings aus dem Projekt ausgestiegen ist und deswegen neue Planungen notwendig waren. Daher liegt da ein relativ großer Zeitraum zwischen dem Pathfinder-Experiment und eLISA selbst.“

Aber Haas und seine Kollegen sind überzeugt, dass sich das Warten lohnt.

Vor einem dunklen Sternenhimmel ist eine Sonde dargestellt, die oben spiegelartige Platten aufweist. Zu den Seiten gehen zwei Strahlen ab.
In den 2030ern soll eLISA starten

„Man wird auf jeden Fall mit eLISA Gravitationswellen finden, da gibt es keinen Zweifel. Für eLISA haben wir als einzigen von den drei Detektoren die Garantie, dass es Systeme gibt, die wir schon gesehen haben, die liegen in dem Frequenzbereich und in der Gravitationswellenstärke, die LISA sehen können müsste. Sprich, wir wissen, wenn wir das System installieren, wir messen etwas und in ein paar Monaten haben wir nichts gefunden, dann ist LISA kaputt.“

Allerdings gibt es noch ein anderes Szenario. Die Technik funktioniert, die Himmelskörper, die Gravitationswellen aussenden müssten, sind bekannt und trotzdem: Im Detektor von eLISA ist nichts von Gravitationswellen zu sehen. Was dann?

„Wenn wir wirklich gar keine Gravitationswellen sehen, obwohl das Experiment, das Instrument wirklich funktioniert, dann ist auf jeden Fall die Relativitätstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie falsch. Denn die Vorhersage von Gravitationswellen ist so fundamental, so fundamental für die Theorie, dass die Theorie damit erledigt wäre, sie wäre auf jeden Fall falsch. Alle Theorien, die versuchen, die Raumzeit über ihre Geometrie zu beschreiben, wären falsch. Man müsste zurückgehen zu Newton und noch früher und wirklich exotische Alternativen untersuchen.“

Damit hätte sich ein Großteil der heutigen Kosmologie erledigt und die Gravitationsforscher müssten noch einmal ganz von vorne anfangen. Aber um herauszufinden, ob solch ein Szenario überhaupt realistisch ist, müssen wir noch etwas zwei Jahrzehnte warten – bis nach 2030.