Beschleunigte Ladungsträger senden elektromagnetische Wellen („Licht“) aus – analog strahlen beschleunigte Massen Gravitationswellen ab. Albert Einstein hat die Existenz von Gravitationswellen in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie von 1916 vorhergesagt – bis heute ist ein direkter Nachweis von Gravitationswellen nicht gelungen. Will man Gravitationswellen experimentell nachweisen, muss man eine sehr präzise Längenmessung vornehmen.

Ein Feldweg im Leinetal, zwanzig Kilometer südlich von Hannover: Auf der einen Seite frisch gestutzte Weiden, auf der anderen viele kleine Apfel- und Kirschbäume. Nein, nach ambitionierter Physik sieht es hier auf den ersten Blick in der Tat nicht aus. Karsten Danzmann arbeitet am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und am Institut für Atom- und Molekülphysik der Universität Hannover. Er ist Physiker – auch wenn man das seinem idyllischen Arbeitsplatz kaum ansieht: „Wir sind hier auf dem Außengelände der Universität Hannover, Institut für Obstbau und Baumschule. Mit einem Fuß sind wir fast auf dem Gelände der Tierärztlichen Hochschule, das ist das Lehr- und Forschungsgut Ruthe der Tierärztlichen Hochschule Hannover.“

Der oberflächliche Eindruck der Felder und Obstbaumwiesen trügt. Ein paar Meter unter den Feldwegen befinden sich zwei lange Messrohre – und dabei geht es um modernste Physik: „Wir betreiben hier ein großes Laser-Interferometer, das dazu dienen soll, Gravitationswellen nachzuweisen. Wir nennen das einen Gravitationswellen-Detektor. Wir betreiben hier GEO600.“

Beschleunigte Ladungsträger senden elektromagnetische Wellen („Licht“) aus – analog strahlen beschleunigte Massen Gravitationswellen ab. Albert Einstein hat die Existenz von Gravitationswellen in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie von 1916 vorhergesagt – bis heute ist ein direkter Nachweis von Gravitationswellen nicht gelungen. Allerdings war der indirekte Nachweis durch die Astronomen Taylor und Hulse so überzeugend, dass beide 1993 den Nobelpreis für Physik erhielten. Gravitationswellen sind um so stärker, je kompakter die Massen sind und je schneller sie sich bewegen. Beim indirekten Nachweis hatten die beiden Astronomen einen Doppelpulsar beobachtet: Zwei äußerst kompakte Neutronensterne (ein Neutronenstern hat mehr Masse als Sonne, ist aber nur etwa zwanzig (!) Kilometer groß) umkreisen sich auf einer sehr engen Bahn. Beide bewegen sich sehr schnell. Durch Abstrahlung von Gravitationswellen spiralen die beiden Pulsare langsam auf sich zu, was sich in einer veränderten Bahnperiode verrät. Genau das hatten Taylor und Hulse beobachtet – die einzige plausible Erklärung sind Gravitationswellen.

Wenn nun eine Supernova in unserer Milchstraße oder einer Nachbargalaxie explodiert, dann erreichen uns nicht nur die Lichtwellen (wenn wir Glück haben und die Supernova nicht aus unserer Sicht hinter einer dichten Staubwolke stattgefunden hat, die das Licht verschluckt), sondern auch die Gravitationswellen. Wenn die Physikerinnen und Physiker ganz großes Glück haben, dann werden diese Gravitationswellen auf der Erde registriert – unter anderem von GEO600.

GEO600 verfügt über zwei rechtwinklig angeordnete Messarme von je 600 Metern Länge. Durch beide Arme laufen ständig Laserstrahlen, die in einem speziellen Messgerät (einem Michelson-Interferometer) überlagert werden. Gravitationswellen sind sehr schwache Änderungen in der Struktur der Raumzeit. Sie lassen den Raum gleichsam erzittern. Wo eine Gravitationswelle entlang läuft, wird der Raum für kurze Zeit gestaucht und gedehnt, das heißt, die Längen im Raum ändern sich minimal. Läuft nun eine Gravitationswelle über GEO600 hinweg, so verändert sie die Länge der beiden Arme und die Lichtwellen geraten aus dem Takt.

„Mitte Februar 2003 ging das Interferometer nach einem Ausbau wieder in den Normalbetrieb. Die Laserstrahlen laufen jetzt also in großen Vakuumrohren die Arme rauf und runter. Hier im Zentralgebäude werden sie wieder vereinigt und daraus können wir dann Informationen darüber ableiten, ob sich die Armlänge verändert hat durch den Durchgang einer Gravitationswelle.“ Seit 1975 laufen die Arbeiten an Gravitationswellen-Detektoren – doch der tatsächliche Nachweis der Gravitationswellen steht noch immer aus. Karsten Danzmann bedauert, dass der erwartete Effekt vor allem eines ist:

„Ganz außerordentlich klein. Wir rechnen mit geringsten Längenänderungen der Arme. Das ist ja auch der Grund dafür, dass es so lange gedauert hat, bis wir so weit gekommen sind wie heute. Die Armlängenänderung wird bei einigen hundert Septometern (ein Septometer sind zehn hoch minus 21 Meter) liegen – das ist ein Bruchteil von einem Tausendstel Atomkerndurchmesser. Als Faustregel kann man rechnen: Wenn irgendwo ein Stern explodiert, ändert sich die Armlänge unseres Interferometers um ein Tausendstel eines Atomkerndurchmessers und das für einige Tausendstel Sekunden.“

Die Forscher jagen also einen aberwitzig kleinen Effekt. Bisher galten diese winzigen Längenänderungen als nicht messbar. „Man muss sich jedenfalls sehr viel Mühe damit geben, so etwas zu messen. Aber wir sind auf gutem Wege. Wir tasten uns langsam an die Empfindlichkeit heran. Diese Empfindlichkeiten haben wir in Vorversuchen demonstriert. Hier geht es jetzt darum, diese Empfindlichkeiten auch mit langen Armen zu erreichen.“

Die Physiker verbessern ständig ihren Detektor – das heißt vor allem, die vielen Störeffekte herauszufiltern, die den Durchgang einer Gravitationswelle vortäuschen könnten. „Die schlimmste Störung hier bei uns ist das Boden-Wackeln – wir sprechen von Mikroseismik. Der Boden wackelt durch vielerlei Effekte: Natürlich einmal dadurch, dass wir hier auf- und nieder springen oder dass Trecker auf dem Feld nebenan vorbeifahren. Aber wir können zum Beispiel äußerst präzise den Fahrplan der Deutschen Bundesbahn nachmessen. In zwei Kilometer Entfernung geht die ICE-Strecke Hannover-München vorbei und eines der größten Störsignale tritt bei uns bei einer Frequenz von 16 2/3 Hertz auf – das ist die Oberleitungsfrequenz der Deutschen Bundesbahn.“

Jetzt endlich könnten die Detektoren der Gruppe um Karsten Danzmann sowie die Geräte der Kollegen in aller Welt empfindlich genug sein, um wirklich Gravitationswellen zu beobachten. Doch geht es nicht nur um den bloßen Nachweis der Gravitationswellen – die Wellen enthalten viele Informationen über die Prozesse, bei denen sie entstehen. So öffnen Karsten Danzmann und seine Kollegen langfristig ein ganz neues Fenster ins All:

„Gravitationswellen werden immer dort erzeugt, wo sich große Massen extrem schnell asymmetrisch bewegen. Paradebeispiele sind der Zusammensturz eines Sterns am Ende eines langen Sternenlebens oder die Verschmelzung eines Doppelsternsystems, das durch Aussendung von Gravitationswellen Energie verloren hat. Weitere Beispiele sind Kollisionen von Milchstraßen oder Objekte, die in Schwarze Löcher hinein fallen.“

An GEO600 sind federführend Physikerinnen und Physiker aus Hannover, Garching, Glasgow, Cardiff und Golm/Potsdam beteiligt. Den Gravitationswellen-Blick auf Schwarzes Loch & Co. werfen neben GEO600 auch Kollegen in den USA und in Japan. Es sind wirklich Kollegen und keine Konkurrenten: Zum einen kontrollieren sich die Detektoren gegenseitig. Nur wenn alle drei simultan eine durch die Erde laufende Gravitationswelle registrieren, gilt die Entdeckung als gesichert. Zum anderen bringt ein Detektor alleine für die Erforschung des Weltalls gar nichts:

„Gravitationswellenforschung ist ein Musterbeispiel für internationale Forschung. Es ist mir eigentlich kein Gebiet bekannt, auf dem ein derart intensiver und freier Informationsaustausch durchgeführt wird wie bei uns. Alle Kollegen weltweit reden miteinander und teilen offen ihre jeweils neuesten Ergebnisse mit. Letztlich sind wir auch alle aufeinander angewiesen, denn ein einzelner Gravitationswellendetektor kann – jedenfalls anfangs – nicht wirklich verlässlich Gravitationswellen detektieren. Wir brauchen einander, um die Richtung der Gravitationswelle zu rekonstruieren. Denn um die Richtung der Welle zu bestimmen, brauchen wir Messungen von mindestens drei Stationen. Im Grunde genommen wirken alle Gravitationswellendetektoren weltweit wie ein großer Detektor.“

Für die Physiker heißt es nun: Warten und immer schön präzise messen. Wer weiß, vielleicht staucht gerade jetzt ein vor langer Zeit explodierter Stern für einen winzigen Augenblick die Messrohre unter den Feldwegen südlich von Hannover.